§ 25. Условия существования постоянного электрического тока. Сторонние силы. ЭДС источника тока

Условия существования постоянного электрического тока. При изучении темы «Проводники в электростатическом поле» вы узнали, что перемещение свободных заряженных частиц в проводнике под действием сил внешнего электрического поля приводит к появлению индуцированных зарядов и происходит до тех пор, пока создаваемое ими электрическое поле не уравновесит внутри проводника внешнее поле. В итоге напряжённость результирующего электростатического поля во всём объёме внутри проводника оказывается равной нулю.

Для поддержания в проводнике постоянного электрического тока необходимо, чтобы проводник являлся частью замкнутой цепи. Но вы знаете, что работа электростатического поля при перемещении электрического заряда по замкнутому контуру равна нулю. Следовательно, в цепи должен быть участок, на котором осуществляется работа по перемещению заряда против сил электрического поля. Таким участком является источник тока.

Рассмотрим замкнутую электрическую цепь, состоящую из источника тока (участок ас) и металлического проводника (участок abc) (рис. 130).

В проводнике abc свободные электроны под действием сил электрического поля перемещаются от точки с к точке a. Чтобы движение носителей заряда в цепи было продолжительным, электроны от точки a должны перемещаться к точке с . Самопроизвольно такое перемещение электронов происходить не может, так как на них в противоположном направлении (от точки с к точке a) действует сила электрического поля  (см. рис. 130). Движение электронов в направлении, противоположном направлению силы электрического поля, возможно только под действием силы  неэлектростатической природы, получившей название сторонней силы.

Сторонние силы. Сторонние силы действуют на заряженные частицы только внутри источников тока, совершая работу по разделению положительных и отрицательных зарядов. В результате такого разделения на одном полюсе источников тока накапливаются положительные заряды, а на другом — отрицательные, что приводит к возникновению электрического поля. Это поле, действуя силой на свободные электроны, заставляет их двигаться в электрической цепи вне источника тока. Таким образом, действие электрической силы приводит к соединению разноимённых зарядов и уменьшению разности потенциалов, тогда как действие сторонней силы приводит к разделению разноимённых зарядов и поддержанию разности потенциалов на полюсах источников тока.

В химических источниках тока (гальванических элементах, аккумуляторах) (рис. 131, а) разделение зарядов происходит при химических реакциях, в электромеханических индукционных генераторах (рис. 131, б) — при совершении механической работы, в солнечных батареях (рис. 131, в) — под воздействием энергии солнечного излучения и т. д.

Участок цепи, где заряды движутся под действием только электрической силы, называют внешним (различные потребители электрического тока, соединительные провода, измерительные приборы). Участок цепи, где заряды движутся под действием сторонней и электрической сил, называют внутренним (источник тока).

Электродвижущая сила источника тока. Основной характеристикой источника тока является электродвижущая сила (ЭДС)^*. Обозначают её .

ЭДС — физическая скалярная величина, равная отношению работы сторонней силы по перемещению положительного электрического заряда внутри источника тока от его отрицательного полюса к положительному к значению этого заряда:

Сравнив формулы  и (25.1), можно сделать вывод, что единицей измерения ЭДС в СИ является 1 В.

Таким образом, ЭДС численно равна работе сторонней силы по перемещению единичного заряда внутри источника тока между его полюсами (положительного заряда от отрицательного полюса к положительному, отрицательного заряда, наоборот, от положительного полюса к отрицательному).

ЭДС является энергетической характеристикой источника тока. Потенциальная энергия электрического заряда, перемещаемого внутри источника, увеличивается за счёт работы сторонних сил. При подключении проводника к полюсам источника эта энергия расходуется на перемещение заряда по всей электрической цепи.

Если электрическая цепь замкнута, то можно утверждать, что ЭДС численно равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по всей замкнутой цепи, поскольку работа электрических сил в замкнутой цепи равна нулю.

1. Каковы условия существования электрического тока?

2. Какие силы называют сторонними?

3. Какова роль источника тока в электрической цепи?

4. Что называют внешним участком электрической цепи? внутренним?

5. Каково направление упорядоченного движения свободных электронов на внешнем и внутреннем участках цепи?

6. Что называют ЭДС источника тока?

7. Существует ли электрическое поле между полюсами источника тока в незамкнутой цепи? Изобразите схематически электрическое поле источника тока в замкнутой и незамкнутой цепи.