§ 47. Источники тока

Определения и обозначения

Источник тока — устройство, в котором разделяются электрические заряды и поддерживается разность потенциалов между его полюсами. Иначе говоря, источник не даёт зарядам сразу смешаться и помогает сохранять условия для движения по цепи. Поэтому без него лампа не сможет долго светить.

Полюса источника тока — его выводы, на которых накапливаются заряды разных знаков; их обозначают «+» и «−». К этим выводам присоединяют провода внешней цепи. Обозначения помогают правильно подключить источник, например батарейку, к устройству.

Гальванический элемент — химический источник тока, в котором энергия химических реакций превращается в электрическую. Внутри него вещества вступают в реакции, благодаря которым заряды разделяются. Это понятие помогает объяснить, как работают обычные батарейки.

Аккумулятор — источник тока, который после разрядки можно снова зарядить, пропуская через него ток. При зарядке часть процессов, происходящих во время разрядки, идёт в обратном направлении. Аккумуляторы используют там, где источник энергии нужно применять много раз.

Как это устроено

В проводнике заряженные частицы могут двигаться, но одного проводника недостаточно, чтобы ток продолжался долго. Когда заряды начинают перемещаться, их разделение ослабевает, а разность потенциалов уменьшается. Поэтому движение постепенно прекращается. Источник нужен для того, чтобы снова и снова разделять заряды и поддерживать разность потенциалов.

Внутри источника на заряды действуют силы неэлектрической природы. Они перемещают заряды против электрического поля, то есть выполняют работу, которую само электрическое поле выполнить не может. Благодаря этому заряды разных знаков оказываются у разных полюсов. Так поддерживается разность потенциалов между выводами источника.

Когда цепь замкнута, заряды движутся по проводам от одного полюса источника к другому. Внешняя часть цепи соединяет полюса, поэтому появляется путь для упорядоченного движения зарядов. Если бы внутри источника не происходило их разделение, накопленные у полюсов заряды быстро перестали бы поддерживать движение. Поэтому источник одновременно связан с током во внешней цепи и с процессами внутри себя.

В гальваническом элементе заряды разделяются благодаря химическим реакциям. Реакции создают условия, при которых заряды накапливаются у разных выводов, а химическая энергия переходит в электрическую. Батарейки и аккумуляторы — примеры химических источников. В аккумуляторе зарядка позволяет снова подготовить его к работе.

Способ разделения зарядов зависит от устройства источника, поэтому различаются и виды преобразуемой энергии. В химическом источнике используется энергия реакций, в генераторе — механическая энергия движения. Световой источник получает энергию света, а тепловой связан с нагреванием. Таким образом, источники могут обеспечивать электрическую энергию за счёт разных процессов.

Источники тока и превращение энергии

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, к какому виду относится источник, а затем найдите процесс, который разделяет заряды. Последний столбец показывает пример устройства, а столбец об энергии — что именно источник преобразует. Это позволяет сравнивать источники не только по названию, но и по принципу действия.

Разбор задач

1. Источник для лампы

Условие. Назовите устройство, которое нужно включить в простую электрическую цепь, чтобы лампа могла светить непрерывно. Нужно понять, что поддерживает движение зарядов, а не просто соединяет детали цепи. В ответе следует назвать необходимый элемент.

1. Непрерывное свечение означает, что ток должен существовать достаточно долго.
2. Без поддержания разности потенциалов заряды постепенно перестанут двигаться упорядоченно.
3. Устройство, которое поддерживает эту разность, — источник тока; его полюса соединяют проводами с остальными элементами цепи.

Ответ. В цепь нужно включить источник тока, например батарейку. Лампа будет светить непрерывно, пока источник поддерживает движение зарядов и сама цепь остаётся замкнутой.

2. Энергия батарейки

Условие. Батарейка приводит в действие фонарик. Укажите, какой вид энергии расходуется внутри батарейки и во что она превращается. Для решения определите, к какому виду источников относится батарейка. Затем проследите превращение энергии.

1. Батарейка — химический источник тока, потому что внутри неё идут химические реакции.
2. В этих реакциях расходуется химическая энергия веществ.
3. В результате химическая энергия превращается в электрическую, которая передаётся по цепи и используется фонариком.

Ответ. Внутри батарейки расходуется химическая энергия, которая превращается в электрическую. Затем фонарик преобразует полученную электрическую энергию в другие виды, например в свет и тепло.

3. Солнечная батарея и ручной генератор

Условие. Сравните солнечную батарею и ручной генератор: какие процессы обеспечивают разделение зарядов и какие виды энергии преобразуются? Важно сравнивать не только результат, но и причину его появления. Оба устройства являются источниками, однако используют разные виды энергии.

1. В солнечной батарее на вещество действует свет, и это приводит к разделению зарядов.
2. Значит, солнечная батарея преобразует световую энергию в электрическую.
3. В ручном генераторе заряды разделяются при движении его частей; механическая энергия движения превращается в электрическую.

Ответ. В солнечной батарее разделение зарядов обеспечивает действие света, а в ручном генераторе — движение частей устройства. Первая преобразует световую энергию, второй — механическую; оба источника получают электрическую энергию.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что источник просто хранит готовые заряды. Так можно подумать, потому что на его полюсах действительно накапливаются заряды разных знаков. Но источник также поддерживает их разделение, поэтому проверь себя вопросом: за счёт чего разность потенциалов сохраняется во время работы?

Источник иногда путают с потребителем, поскольку оба входят в одну цепь. Однако источник преобразует химическую, механическую или другую энергию в электрическую, а потребитель преобразует электрическую энергию в другие виды. Чтобы проверить себя, спроси, какое устройство отдаёт энергию цепи, а какое использует её.

Неверно думать, что внутри источника заряды движутся под действием тех же сил, что и во внешней цепи. Такая путаница возникает из-за того, что в обоих случаях говорят о движении зарядов. Проверь себя: во внешней цепи действует электрическое поле, а внутри источника заряды разделяют силы неэлектрической природы.

Батарейку и аккумулятор ошибочно считать полностью одинаковыми. Оба устройства относятся к химическим источникам, поэтому их назначение похоже. Различие можно проверить по возможности повторной зарядки: аккумулятор заряжают снова, а обычную батарейку, как правило, нет.

Связь с другими темами

Для понимания источников тока нужно знать, что ток — это упорядоченное движение заряженных частиц, и что для него нужна замкнутая цепь. Тема связана с электрическим напряжением: источник поддерживает разность потенциалов между точками цепи. Эти понятия пригодятся при изучении электрических цепей, измерения напряжения и работы приборов. Понимая роль источника, легче разобраться, почему устройство работает только при правильном подключении.

Что запомнить

• Для длительного электрического тока необходим источник тока.
• Источник разделяет заряды и поддерживает разность потенциалов между полюсами.
• Внутри источника заряды перемещают силы неэлектрической природы.
• При замыкании цепи источник обеспечивает движение зарядов по цепи.
• Источники тока преобразуют в электрическую энергию химическую, механическую, световую или тепловую.
• Аккумулятор можно зарядить повторно.