Ключевые слова: электрический ток, источник тока, ЭДС, внутреннее сопротивление.
На этом уроке вы:
- научитесь выяснять условия возникновения и существования электрического тока, работу источника тока.
Нам уже известно, что заряженные частицы, попавшие в электрическое поле, испытывают на себе действие электрических сил.
В электрическое поле, созданное двумя бесконечными разноименно заряженными пластинами, поместим сначала нейтральные частицы, затем положительно заряженные частицы и потом электроны. Мы обнаружим, что во всех случаях частицы будут участвовать в тепловом (хаотичном) движении, интенсивность которого зависит от температуры (рис. 23.1).
Рис. 23.1
Во втором и третьем случаях на хаотичное движение частиц будет накладываться их упорядоченное движение, вызванное действием сил электрического поля пластин (рис. 23.2).
Упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц называется электрическим током.
Рис. 23.2
Электрический ток похож на движение стайки мошкары, которая уносится ветром в одном направлении, несмотря на то, что каждая отдельно взятая мошка в стайке движется в разных направлениях.
За направление электрического тока условно принято направление, по которому движутся в проводнике положительные заряды.
Если же пластины будут заряжены одноименными равными по величине зарядами, то упорядоченного движения частиц мы наблюдать не будем (рис. 23.3).
Рис. 23.3
Это можно проверить экспериментально. Зарядим стержни двух электрометров, сообщив им одинаковые по величине и знаку потенциалы, а затем соединим их металлическим стержнем. Мы увидим, что стрелки электрометров останутся в первоначальном положении (рис. 23.4). Значит, электрического тока в образовавшейся цепи не будет.
Рис. 23.4
Если же стержни электрометров зарядить, сообщив им разные потенциалы, и вновь соединить их металлическим стержнем, заряды на стержнях начнут перераспределяться. Этот процесс будет идти до тех пор, пока не сравняются потенциалы стержней. Об этом можно судить по показаниям электрометров. До момента выравнивания потенциалов в цепи будет идти электрический ток (рис. 23.5).
Рис. 23.5
Исходя из мысленных и реальных экспериментов, делаем выводы: для того, чтобы возник и существовал электрический ток, необходимо выполнить два условия:
- Наличие в среде свободных заряженных частиц.
- Наличие электрического поля, способного перемещать заряженные частицы.
Допустим, что в данной среде (например, в металлах) имеются свободные заряженные частицы (в металлах это электроны). При отсутствии электрического поля эти частицы будут двигаться беспорядочно, и скорость этого хаотичного движения определяется температурой тела. Если же создать в данной среде электрическое поле, то оно будет действовать на заряженные частицы с силой, которую называют электрической, и под действием этой силы свободные заряженные частицы, сохраняя свое беспорядочное движение, начнут двигаться в определенном направлении. Тогда в среде возникает электрический ток. Если же в среде нет свободных заряженных частиц, то тока не будет. Поэтому все среды делятся на проводники электрического тока и диэлектрики (вещества, не проводящие ток).
Источники тока. Для того, чтобы внутри проводника постоянно существовало электрическое поле, т. е. на концах проводника существовала разность потенциалов, необходимо устройство, которое бы преобразовывало какой-либо вид энергии в электрический. Такое устройство называется источником тока. Внутри источника тока под действием сил неэлектрической природы (их называют сторонними силами) происходит разделение зарядов, которые собираются на клеммах (зажимах) источника. Внутри источника сторонние силы совершают работу по перемещению заряда, и за счет этого на его зажимах поддерживается постоянная разность потенциалов.
Работа, совершаемая сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда по замкнутой цепи, называется электродвижущей силой источника тока:
обозначается символом и измеряется в вольтах.
В зависимости от того, какой вид энергии превращает источник тока в электрическую энергию, различают соответствующие им виды источников (табл. 23.1).
Таблица 23.1
| Преобразование энергии | Название источников тока |
|---|---|
| Механическая энергия в электрическую | Электрофорная машина, генератор |
| Внутренняя энергия в электрическую | Термоэлемент |
| Световая энергия в электрическую | Фотоэлемент, солнечная батарея |
| Химическая энергия в электрическую | Гальванический элемент, аккумулятор, батареи |
Это интересно! До конца XVIII в. все источники тока были основаны на электризации трением. Наиболее эффективным источником тока стала электрофорная машина. Если диски привести во вращение в противоположных направлениях, то благодаря трению щеток о диски на кондукторах накапливаются заряды противоположных знаков (рис. 23.6).
Существует другой источник тока — гальванический элемент, где используется энергия химической реакции (рис. 23.7). В сосуд, где находится раствор серной кислоты, помещают цинковый и медный электроды. Атомы цинка активнее взаимодействуют с кислотой, и ионы цинка вырываются из цинка, заряжая его отрицательно. Медь с кислотой слабо взаимодействует, и она приобретает положительный заряд. Поэтому между электродами возникает разность потенциалов.
В качестве источника тока используют термоэлемент, который превращает внутреннюю энергию в электрическую. Если две проволоки из разных металлов спаять и место спая нагреть, то возникнет электрический ток (рис. 23.8).
При освещении некоторых веществ (селена, германия, кремния, оксида меди и др.) тоже возникает разность потенциалов. Так работает солнечная батарея (рис. 23.9).
Один из видов источников тока изображен на рисунке 23.10.
Рис. 23.6. Электрофор
Рис. 23.7. Гальванический элемент: медь, цинк, раствор серной кислоты
Рис. 23.8. Термоэлемент
Рис. 23.9. Солнечная батарея
Рис. 23.10. Аккумулятор
За счет работы сторонних сил в источнике тока накапливается электрическая энергия. Для того, чтобы использовать эту энергию, необходим потребитель тока. Источник тока, потребители тока, замыкающие устройства, соединенные между собой проводами, образуют электрическую цепь (рис. 23.11).
Рис. 23.11
Кроме электродвижущей силы источник тока характеризуется внутренним сопротивлением. Заряды, перемещаясь внутри источника, преодолевают сопротивление со стороны источника.
Вопросы
- Что понимают под электрическим током?
- Какие условия необходимо выполнить для того, чтобы в цепи возник ток?
- В каком направлении течет ток, и в каком направлении движутся электроны в проводнике?
- Какие силы называются сторонними, и где они действуют?
- Как вы думаете, насколько важна роль источника тока в электрической цепи и в чем она заключается?
- Какая величина характеризует источник тока?
- Объясните физический смысл ЭДС источника тока.
- Что понимают под внутренним сопротивлением источника тока?
- Что означает надпись на источнике тока 9 В?
- Какую работу совершили сторонние силы, перемещая по цепи заряд 1,5 Кл, если ЭДС источника тока 4,5 В?
Карточки заклинаний
Подсказка: пробел переворачивает, стрелка вправо отмечает «Знаю», влево — «Повторить».
Отметь тему освоенной и получи ману.