§ 6. Источники постоянного тока

Определения и обозначения

Источник постоянного тока — устройство, которое поддерживает движение зарядов в замкнутой электрической цепи. Он нужен, чтобы ток не прекращался после краткого перераспределения зарядов. Примеры таких устройств — батарейка, аккумулятор и генератор.

Сторонние силы — силы неэлектрической природы внутри источника, которые разделяют заряды и поддерживают разность потенциалов между полюсами. Они перемещают заряды так, как не могло бы сделать одно только электрическое поле. Именно благодаря им источник способен поддерживать ток.

Гальванический элемент — источник тока, в котором электрическая энергия возникает за счёт химических реакций. К этому типу относится обычная батарейка. Такое понятие помогает отличать её от источников, работающих за счёт механической или световой энергии.

Аккумулятор — источник тока, который можно повторно заряжать, возвращая в рабочее состояние. Зарядка восстанавливает возможность получать ток за счёт химических процессов внутри устройства. Это удобно там, где источник используют много раз.

Как это устроено

В металлическом проводнике есть заряженные частицы, способные перемещаться. Электрическое поле заставляет их двигаться направленно, но само по себе оно не может поддерживать ток бесконечно: заряды перераспределяются, и поле ослабевает. Поэтому для длительного тока нужно устройство, которое будет поддерживать условия для движения зарядов.

Внутри источника действуют сторонние силы, не сводящиеся к электрическому притяжению и отталкиванию. Они переносят заряды против действия электрического поля и разделяют их по разным полюсам. Если бы такого разделения не происходило, заряды быстро выровнялись бы, а разность потенциалов между полюсами исчезла.

Когда полюса соединяют проводником, возникает замкнутая цепь. Во внешней части цепи электрическое поле направляет движение зарядов, а внутри источника сторонние силы снова разделяют их. Так источник поддерживает непрерывный круговой процесс: без его действия поле во внешнем проводнике постепенно перестало бы вызывать направленное движение.

Источники тока различаются тем, какая энергия приводит их в действие. В гальваническом элементе и аккумуляторе химические реакции обеспечивают разделение зарядов, поэтому химическая энергия преобразуется в электрическую. В генераторе используется механическая энергия, а в фотоэлементе — световая. Энергия не возникает из ничего: устройство лишь меняет её вид.

Источник действует непрерывно только при сохранении процесса, который разделяет заряды. В батарейке постепенно расходуются вещества, участвующие в химических реакциях, а аккумулятор можно зарядить, восстановив его рабочее состояние. Генератору нужно механическое движение, а фотоэлементу — освещение. Если необходимые условия исчезнут, источник перестанет поддерживать ток.

Источники постоянного тока и преобразование энергии

Чтобы заполнить таблицу или разобраться в новом устройстве, сначала определите, какая энергия поступает на вход. Затем выясните, какой процесс внутри разделяет заряды, и подберите пример применения. Так видно, что источники различаются способом работы, но выполняют общую задачу.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какие источники из перечня преобразуют химическую энергию в электрическую: батарейка, аккумулятор, генератор, фотоэлемент.

1. Сначала установим, что именно требуется найти: устройства, работающие за счёт химической энергии.
2. Батарейка — гальванический элемент, в котором химические реакции обеспечивают разделение зарядов.
3. Аккумулятор тоже использует химические процессы, хотя его можно заряжать повторно.
4. Генератор использует механическую энергию, а фотоэлемент — световую, поэтому они не подходят.

Ответ: батарейка и аккумулятор.

Задача 2. Объясните, почему для длительного тока в замкнутой цепи недостаточно одного металлического проводника.

1. В проводнике есть подвижные заряды, но одного их наличия недостаточно: для тока нужно направленное движение.
2. Электрическое поле может вызвать это движение, однако без источника заряды перераспределятся и поле ослабеет.
3. Источник восполняет разделение зарядов внутри себя с помощью сторонних сил и поддерживает разность потенциалов.

Ответ: проводник сам не поддерживает электрическое поле, поэтому для длительного тока в замкнутой цепи необходим источник.

Задача 3. В цепи с лампой используют аккумулятор. Опишите превращения энергии внутри аккумулятора и во внешней цепи, а также объясните, что изменится после его разрядки.

1. Внутри аккумулятора химическая энергия превращается в электрическую: поддерживается разделение зарядов.
2. Во внешней цепи ток переносит энергию к лампе, где она превращается главным образом в световую и тепловую.
3. После разрядки аккумулятор хуже поддерживает разность потенциалов, поэтому ток ослабевает и лампа светит слабее или гаснет.
4. Повторная зарядка возвращает аккумулятор в рабочее состояние, если он исправен.

Ответ: химическая энергия аккумулятора передаётся внешней цепи и превращается в свет и тепло; разрядившийся аккумулятор нужно зарядить.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что источник производит электрические заряды. Такое представление возникает из-за слов «источник тока», но заряды уже есть в проводниках. Источник разделяет их и поддерживает движение; проверьте себя вопросом: что именно меняет устройство — число зарядов или их распределение?

Ошибка: полагать, что ток возникает только внутри источника. Внутренние процессы заметны меньше, чем движение зарядов в проводе, поэтому их легко перепутать с током в целом. В замкнутой цепи заряды движутся и внутри источника, и во внешней части; проверьте, рассматриваете ли вы всю цепь.

Ошибка: путать гальванический элемент с аккумулятором. Оба используют химические процессы, поэтому их считают одинаковыми. Отличие в возможности повторной зарядки: аккумулятор заряжают, обычный гальванический элемент для этого не предназначен. Проверка простая: выясните, предусмотрена ли для устройства перезарядка.

Ошибка: считать, что источник создаёт энергию из ничего. Источник называют источником энергии, и это может ввести в заблуждение. На деле он преобразует химическую, механическую, световую или другую энергию в электрическую. Чтобы проверить объяснение, проследите, откуда устройство получает энергию и во что она превращается.

Связь с другими темами

Для изучения источников нужно знать, что такое электрический заряд, электрический ток и замкнутая цепь. Эти понятия объясняют, какие частицы движутся и по какому пути проходит ток. Если цепь разомкнута, непрерывного пути для движения зарядов во внешнем участке нет.

Понятие источника понадобится при изучении силы тока, напряжения и цепей с несколькими элементами. Оно помогает понять, откуда в цепи берутся условия для движения зарядов и почему разные элементы соединяют между собой. Так становится проще разбирать схемы электрических цепей.

Преобразование энергии в источниках связано с законом сохранения энергии и работой электрических приборов. Энергия не исчезает и не появляется сама собой, а переходит из одного вида в другой. Поэтому можно проследить её путь от источника до устройства, которое использует ток.

Что запомнить

• Для длительного тока в цепи необходим источник.
• Источник разделяет заряды и поддерживает разность потенциалов между полюсами.
• Внутри источника заряды перемещают сторонние силы.
• Ток во внешней цепи возникает при соединении полюсов проводником.
• Гальванический элемент преобразует химическую энергию в электрическую.
• Аккумулятор можно заряжать повторно.
• Источники могут преобразовывать в электрическую разные виды энергии.