Сторонние силы

Определения и обозначения

Сторонние силы — силы неэлектростатического происхождения, которые внутри источника тока разделяют положительные и отрицательные заряды. Их работа обозначается Aст. Они нужны, чтобы перемещать заряды против действия электрического поля и не дать цепи быстро прийти к равновесию.

Источник тока — устройство, в котором сторонние силы перемещают заряды и поддерживают ток в замкнутой цепи. К источникам относятся батарейки, аккумуляторы, генераторы и фотоэлементы. Источник не производит заряды, а постоянно разделяет их.

Электродвижущая сила (ЭДС) — физическая величина, равная отношению работы сторонних сил к перенесённому заряду: ε = Aст/q. Она показывает, сколько работы приходится на каждый кулон заряда. ЭДС характеризует действие источника и измеряется в вольтах.

Напряжение на участке цепи — работа электрического поля по перемещению единичного заряда: U = Aэл/q. Напряжение относится к работе поля на выбранном участке, а ЭДС — к работе сторонних сил внутри источника. Поэтому это связанные, но не одинаковые величины.

Как это устроено

Одного электростатического поля недостаточно для длительного тока, потому что оно перемещает заряды только до выравнивания потенциалов. После установления равновесия направленное движение прекращается. Чтобы ток продолжался, нужно снова разделять заряды и поддерживать разность потенциалов, поэтому в цепь включают источник тока.

Внутри источника сторонние силы действуют на свободные заряды и разделяют их. Положительные и отрицательные заряды перемещаются в направлениях, которые не всегда совпадают с направлением действия электрического поля. Такое перемещение против поля возможно потому, что сторонние силы имеют иную природу.

Происхождение сторонних сил зависит от устройства источника. В батарейке и аккумуляторе они связаны с химическими реакциями, в генераторе — с механическим движением проводника, а в фотоэлементе — с действием света. Значит, источник превращает химическую, механическую, световую или другую энергию в электрическую.

При разомкнутой цепи заряды накапливаются на выводах источника, поэтому между ними возникает разность потенциалов. Тока во внешней части цепи нет, но источник уже подготовил условия для его появления. После замыкания цепи заряды начинают направленно двигаться по проводникам, а сторонние силы продолжают разделять их внутри источника.

Чем больше работа сторонних сил приходится на один кулон заряда, тем больше ЭДС источника. Это выражается формулой ε = Aст/q, откуда Aст = εq. Единица ЭДС — вольт, поскольку 1 В = 1 Дж/Кл: один вольт соответствует работе одного джоуля при переносе заряда один кулон.

Основные понятия и величины, связанные со сторонними силами

В таблице собраны обозначения, смысл и единицы основных величин. Прочерк в графе формулы означает, что для понятия не записывают отдельную расчётную формулу. При решении задач сначала определите, о какой работе и каком участке цепи идёт речь.

Разбор задач

Задача 1

В гальваническом элементе сторонние силы совершили работу 12 Дж, переместив заряд 3 Кл. Требуется определить ЭДС элемента. Используем определение ЭДС, так как известны работа и заряд.

1. Запишем формулу: ε = Aст/q.
2. Подставим значения: ε = 12 Дж / 3 Кл = 4 Дж/Кл.
3. Заменим единицу Дж/Кл на вольт: 4 Дж/Кл = 4 В.

Ответ: ЭДС гальванического элемента равна 4 В.

Задача 2

Нужно назвать сторонние силы и вид энергии, поддерживающие ток в аккумуляторе, генераторе и фотоэлементе. Определяем ответ по принципу действия каждого устройства. В каждом случае другая форма энергии превращается в электрическую.

1. В аккумуляторе действуют химические сторонние силы, а источником энергии служит химическая энергия.
2. В генераторе заряды перемещают механические силы, а используется механическая энергия вращения.
3. В фотоэлементе разделение зарядов вызывается действием света, поэтому используется световая энергия.

Ответ: аккумулятор — химическая энергия, генератор — механическая, фотоэлемент — световая; сторонние силы имеют соответственно химическое, механическое и световое происхождение.

Задача 3

Источник с ЭДС 12 В передал во внешнюю цепь заряд 5 Кл. Найдём работу сторонних сил, а затем рассмотрим заряд 10 Кл. Для этого выразим работу из формулы ЭДС: Aст = εq.

1. При q = 5 Кл: Aст = 12 В · 5 Кл = 60 Дж.
2. При q = 10 Кл: Aст = 12 В · 10 Кл = 120 Дж.
3. Заряд увеличился в два раза, поэтому при неизменной ЭДС работа также увеличилась в два раза.

Ответ: при заряде 5 Кл работа равна 60 Дж, при заряде 10 Кл — 120 Дж.

Типичные ошибки

Сторонние силы иногда считают разновидностью электростатических сил. Ошибка возникает потому, что они действуют на те же заряды, но их происхождение другое: химическое, механическое или иное. Проверьте себя: если сила разделяет заряды внутри источника и поддерживает ток, она не обязана быть электростатической.

Некоторые думают, что источник создаёт новые электрические заряды. На самом деле количество зарядов не появляется из ничего: источник разделяет уже имеющиеся частицы. Проверка проста: описывайте действие источника словами «перемещает» или «разделяет», а не «создаёт заряд».

ЭДС иногда принимают за силу из-за слова «сила» в названии. ЭДС измеряется в вольтах и равна работе сторонних сил на единицу заряда, тогда как сила измеряется в ньютонах. Если единица ответа Н, величины перепутаны.

Частая вычислительная ошибка — записать ε = q/Aст вместо ε = Aст/q. ЭДС показывает работу, приходящуюся на один кулон, поэтому работа стоит в числителе. Проверяйте смысл: при той же работе увеличение заряда должно уменьшать ЭДС.

Связь с другими темами

Для понимания сторонних сил нужны представления об электрическом поле, заряде, работе поля, разности потенциалов и условиях существования тока. Эти понятия объясняют, почему движение зарядов прекращалось бы без источника.

Дальше тема понадобится при изучении закона Ома для полной цепи и внутреннего сопротивления источника. ЭДС также используют при рассмотрении соединения источников и расчёте электрических цепей.

Что запомнить

• Для длительного тока в замкнутой цепи необходим источник тока.
• Внутри источника заряды перемещают сторонние силы.
• Сторонние силы имеют неэлектростатическое происхождение.
• Источник тока превращает другие виды энергии в электрическую.
• ЭДС равна работе сторонних сил по переносу единичного заряда.
• Формула ЭДС: ε = Aст/q.
• Единица ЭДС — вольт.