§ 55. Источники тока

Определения и обозначения

Источник тока — устройство, создающее и поддерживающее разность потенциалов на концах цепи за счёт превращения других видов энергии в электрическую. Проще говоря, он «подталкивает» заряды к направленному движению. Без источника в цепи не будет устойчивого тока.

Сторонние силы — силы неэлектрического происхождения, которые разделяют положительные и отрицательные заряды внутри источника. Они действуют против обычного электрического притяжения и перемещают заряды к разным полюсам. Благодаря им источник сохраняет напряжение.

Гальванический элемент — химический источник тока, в котором электрическая энергия возникает при химических реакциях. Примером служит обычный элемент питания. Такой источник обычно используют до расходования реагентов.

Аккумулятор — источник тока, способный накапливать энергию при зарядке и отдавать её во внешнюю цепь. В нём химические процессы можно частично обратить с помощью внешнего тока. Поэтому аккумулятор используют многократно.

Как это устроено

В металлическом проводнике есть свободные электроны, но без источника они движутся беспорядочно. Электроны постоянно сталкиваются с частицами вещества, меняют направление и скорость. Поэтому движения в одну сторону и в противоположную сторону в среднем взаимно компенсируются, а направленный ток не возникает.

Внутри источника действуют сторонние силы, например силы химического происхождения. Они перемещают заряды так, чтобы на одном полюсе накапливался избыток положительного заряда, а на другом — отрицательного. Разделение зарядов создаёт электрическое поле и разность потенциалов между полюсами.

Одного источника недостаточно для длительного прохождения тока через прибор. Если соединить источник, провода и потребитель в замкнутый контур, электрическое поле заставит заряды двигаться по всей цепи. При разрыве цепи движение через все её элементы прекращается, потому что зарядам некуда непрерывно перемещаться.

При работе источника одна форма энергии превращается в электрическую. В батарейке это энергия химических реакций, в генераторе — энергия вращения или другого движения, в солнечной батарее — энергия света. Тепловой источник использует разность температур и превращает часть тепловой энергии в электрическую.

Направление тока выбрали условно задолго до установления направления движения электронов. Поэтому во внешней цепи ток считают направленным от положительного полюса к отрицательному. В металлическом проводнике электроны движутся наоборот — от отрицательного полюса к положительному, но расчёты электрических цепей ведут по условному направлению тока.

Виды источников тока и преобразование энергии

В таблице вид источника связывается с исходной энергией, результатом её преобразования и примером устройства. По последнему столбцу можно понять, где такой источник удобнее применять. Аккумулятор выделен отдельно, потому что его главное свойство — возможность многократной зарядки.

Разбор задач

Задача 1. Распределите батарейку, аккумулятор, генератор и солнечную батарею по видам источников тока и укажите, какая энергия превращается в электрическую. Нужно определить не внешний вид устройства, а способ получения электрической энергии.

1. Батарейка относится к химическим источникам: энергия химических реакций превращается в электрическую.
2. Аккумулятор также является химическим источником при разрядке, но его можно снова зарядить электрической энергией.
3. Генератор относится к механическим источникам: энергия движения превращается в электрическую.
4. Солнечная батарея является световым источником: энергия света преобразуется в электрическую.

Ответ: батарейка — химический источник, аккумулятор — перезаряжаемый химический источник, генератор — механический, солнечная батарея — световой.

Задача 2. Лампа не светится, если к батарейке подключён только один провод, но загорается после подключения второго. Требуется объяснить это не свойствами лампы, а устройством электрической цепи.

1. При одном проводе электрический путь от одного полюса батарейки к другому разорван.
2. Через лампу не проходит непрерывный поток зарядов, поэтому её спираль не нагревается.
3. После подключения второго провода образуется замкнутая цепь: ток проходит от одного полюса через лампу к другому.
4. Спираль нагревается током и начинает светиться.

Ответ: лампа загорается только в замкнутой цепи, когда ток проходит через неё от одного полюса источника к другому.

Задача 3. Сравните гальванический элемент и аккумулятор: укажите, какой из них можно многократно заряжать, и опишите процессы при работе и зарядке. Сравнивать нужно направление преобразования энергии и возможность обратного процесса.

1. В обоих устройствах при работе химическая энергия превращается в электрическую.
2. В гальваническом элементе химические реакции обычно расходуют вещества и не восстанавливаются при обычной зарядке.
3. В аккумуляторе при разрядке также идёт химическая реакция, но при зарядке внешний ток вызывает обратные процессы.
4. Поэтому аккумулятор можно многократно заряжать, а обычный гальванический элемент нельзя или нежелательно.

Ответ: многократно заряжают аккумулятор; гальванический элемент обычно используют до истощения реагентов.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что источник создаёт электрические заряды. Так думают, потому что после подключения источника ток действительно появляется. Проверка проста: источник не рождает заряды, а разделяет уже имеющиеся и поддерживает разность потенциалов.

Ошибка: полагать, что ток существует в разомкнутой цепи. Напряжение на полюсах источника может сохраняться, но непрерывного движения зарядов через все элементы нет. Проверьте, образует ли схема полный замкнутый путь.

Ошибка: путать направление условного тока с движением электронов. Это происходит из-за того, что электроны невидимы и направление тока выбрано условно. В металлическом проводнике электроны идут от минуса к плюсу, а ток считают направленным от плюса к минусу.

Ошибка: называть аккумулятор обычной батарейкой без различия между ними. Оба устройства могут быть химическими источниками, но аккумулятор рассчитан на многократную зарядку. Чтобы проверить себя, выясните, предусмотрен ли для данного устройства режим зарядки.

Связь с другими темами

До изучения источников тока нужно знать, что такое электрический заряд, поле и проводник. Также понадобятся понятия электрической цепи и условного направления тока. Эти знания объясняют, почему заряды могут перемещаться по проводам.

Дальше тема связана с силой тока, напряжением и сопротивлением. С их помощью описывают работу источника и потребителей, формулируют закон Ома и рассчитывают электрические цепи. Источник задаёт условия, при которых эти величины имеют смысл.

Практическая связь видна при выборе батарей и аккумуляторов для приборов, транспорта и автономных устройств. Нужно учитывать, какая энергия доступна, как долго работает источник и можно ли его заряжать. Это помогает безопасно подбирать питание для конкретной техники.

Что запомнить

• Источник тока поддерживает разность потенциалов и направленное движение зарядов.
• Внутри источника заряды разделяют сторонние силы.
• Для прохождения тока внешняя цепь должна быть замкнутой.
• Источники тока преобразуют другие виды энергии в электрическую.
• Гальванический элемент является химическим источником тока.
• Аккумулятор можно многократно заряжать и разряжать.
• Во внешней цепи условный ток направлен от положительного полюса к отрицательному.