2. Источники тока

Определения и обозначения

Источник электрического тока — устройство, в котором другие виды энергии превращаются в электрическую и поддерживается движение зарядов в цепи. Он нужен потому, что одного проводника недостаточно для длительного тока. Примеры источников — батарейка, аккумулятор, генератор и солнечный элемент.

Полюсы источника тока — его выводы, между которыми создаётся электрическое поле и подключается внешняя цепь. Обычно их называют положительным и отрицательным полюсами. При соединении полюсов с потребителем появляется путь для движения зарядов и возникает ток.

Гальванический элемент — источник тока, который превращает химическую энергию в электрическую и обычно предназначен для одноразового использования. В нём химические реакции разделяют заряды и создают напряжение. Такой элемент применяют, например, в часах, пультах и фонариках.

Аккумулятор — источник тока, преобразующий химическую энергию в электрическую и способный восстанавливать запас энергии при зарядке. Для этого через него пропускают ток в обратном направлении. Аккумуляторы используют в телефонах, автомобилях, ноутбуках и других устройствах.

Как это устроено

Простое замыкание цепи не может поддерживать ток долго, потому что заряды быстро перераспределяются. Электрическое поле перемещает их по проводнику, но энергия поля постепенно расходуется на нагрев и работу потребителя. Источник нужен для постоянного восполнения этой энергии и разделения зарядов.

Внутри источника действуют неэлектрические силы: химические, механические или другие. Они перемещают положительные и отрицательные заряды в противоположные стороны, хотя электрическое поле препятствует такому разделению. Поэтому на одном полюсе накапливается избыток зарядов одного знака, а на другом — другого.

Разделение зарядов создаёт разность потенциалов между полюсами, которую называют напряжением. Пока источник способен выполнять работу по разделению зарядов, напряжение сохраняется. Если запас энергии исчерпан, например у разряженной батарейки, поддерживать прежнее напряжение уже нельзя.

Когда к полюсам подключают проводник с потребителем, цепь становится замкнутой. Электрическое поле в проводнике начинает действовать на свободные заряды, и они приобретают направленное движение. Так химическая или другая энергия источника передаётся потребителю, где превращается в свет, тепло, движение или звук.

В гальваническом элементе электричество получается благодаря химическим реакциям, в аккумуляторе эти реакции можно частично обратить зарядкой. Генератор получает электрическую энергию при движении проводника или магнита в магнитном поле, поэтому исходной является механическая энергия. Солнечный элемент превращает энергию света в электрическую, а некоторые специальные источники используют тепло.

Виды источников тока и превращение энергии

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, какая энергия поступает в источник, а затем найдите результат её превращения. Столбец о многократном использовании показывает, нужно ли заменять источник или его можно снова подготовить к работе.

Разбор задач

Задача 1. Распределите батарейку, аккумулятор, генератор и солнечную батарею по видам источников тока и укажите превращение энергии. Нужно определить не название устройства, а способ получения электрической энергии.

1. Обычная батарейка является гальваническим источником: химическая энергия превращается в электрическую.
2. Аккумулятор также использует химическую энергию, но после разряда его можно зарядить.
3. Генератор превращает механическую энергию вращения или движения в электрическую.
4. Солнечная батарея состоит из солнечных элементов и превращает энергию света в электрическую.

Ответ: батарейка — гальванический элемент, аккумулятор — аккумуляторный источник, генератор — электрогенератор, солнечная батарея — солнечный источник. Главное различие между ними связано с исходной энергией и возможностью повторного использования.

Задача 2. Четыре одинаковых гальванических элемента имеют напряжение 1,5 В каждый. Найдите напряжение батареи при последовательном соединении. При таком соединении положительный полюс одного элемента соединяют с отрицательным полюсом следующего, поэтому напряжения складываются.

1. Запишем число элементов: n = 4.
2. Напряжение одного элемента: U₁ = 1,5 В.
3. Используем формулу для последовательного соединения: U = nU₁.
4. Подставим значения: U = 4 · 1,5 В = 6 В.

Ответ: напряжение батареи равно 6 В. Если соединить элементы иначе, результат может отличаться, поэтому вид соединения нужно обязательно учитывать.

Задача 3. К источнику с напряжением 6 В подключили прибор. За время работы через него прошёл заряд 300 Кл. Найдите энергию, переданную источником, и объясните её происхождение. Для работы источника используем формулу A = Uq.

1. Запишем данные: U = 6 В, q = 300 Кл.
2. Подставим их в формулу: A = 6 В · 300 Кл.
3. Вычислим: A = 1800 Дж.
4. Свяжем результат с устройством: источник преобразовал запас химической, механической или другой энергии в электрическую.

Ответ: источник передал прибору 1800 Дж электрической энергии. Конкретный вид исходной энергии зависит от типа источника: у батарейки она химическая, у генератора механическая, у солнечного элемента световая.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что источник создаёт электрические заряды из ничего. На самом деле он разделяет уже имеющиеся заряды и поддерживает их движение за счёт энергии химических реакций, движения или света. Проверка: спросите себя, какой запас энергии расходуется внутри источника.

Ошибка 2. Называть батарейкой любой одиночный гальванический элемент. В строгом смысле батарея обычно состоит из нескольких соединённых элементов, хотя в быту одиночный элемент тоже часто называют батарейкой. Проверка: посчитайте, один элемент находится внутри корпуса или несколько.

Ошибка 3. Путать источник с потребителем. Источник отдаёт электрическую энергию цепи, а потребитель превращает её в тепло, свет, звук или движение. Проверка: определите, какое устройство снабжает цепь энергией, а какое её получает.

Ошибка 4. Считать аккумулятор неисчерпаемым. Его можно заряжать многократно, но запас энергии, число циклов и срок службы ограничены. Проверка: уточните, требуется ли устройству зарядка и насколько долго оно сохраняет ёмкость.

Связь с другими темами

До изучения источников тока нужно знать, что такое электрический ток, проводник и замкнутая электрическая цепь. Эти понятия объясняют, кто движется в цепи и по какому пути.

Тема подготавливает к изучению напряжения, силы тока и закона Ома. Позже формула A = Uq поможет рассчитывать работу электрического тока и количество переданной энергии.

Знания об источниках нужны при изучении электрических цепей, бытовых приборов, электростанций и автономного питания. Благодаря им можно понять, откуда берётся энергия в телефоне, фонарике или домашней сети.

Что запомнить

• Для поддержания тока в цепи нужен источник тока.
• Источник преобразует неэлектрическую энергию в электрическую.
• У источника есть два полюса, между которыми создаётся разность потенциалов.
• Ток во внешней цепи возникает при соединении полюсов источника проводником через потребитель.
• Гальванический элемент обычно используют один раз, а аккумулятор можно перезаряжать.
• Генератор преобразует механическую энергию в электрическую.
• Несколько источников можно соединять в батареи для получения большего напряжения или нужной силы тока.