Для того чтобы иметь постоянный электрический ток на заряды в цепи должны оказывать воздействие силы, отличные от сил электростатического поля. Данные силы получили название - сторонние силы. Любое устройство, создающее сторонние силы называют источником тока (источниками ЭДС).
Используем гидростатическую аналогию:
- Силы электростатического поля можно уподобить силе тяжести, которая хочет выровнять уровни жидкости в сообщающихся сосудах.
- Источник тока при этом выступает в роли насоса, который работает против силы тяжести и восстанавливает разность уровней жидкости в сосудах даже при имеющемся токе жидкости.
Сущность сторонних сил
Сторонняя электродвижущая сила (ЭДС) не может быть силой электростатического происхождения, поскольку электростатическое поле - это потенциальное поле. Это означает, что работа поля по замкнутому контуру с током, равна нулю. При данном условии ток не может существовать, так как он совершает работу по преодолению сопротивления проводников.
Статья: Сторонние электродвижущие силы
Итак, наличие постоянного тока является доказательством того, что ЭДС имеют не электростатическое происхождение.
Сторонняя электродвижущая сила может быть:
- механической,
- электрической,
- химической и другой,
но никак не электростатической.
Механическая сторонняя электродвижущая сила
Рисунок 1. Источник. тока. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Рассмотрим схему самого простого источника тока, имеющего стороннюю электродвижущую силу механического происхождения (рис.1). Между электродами 1 и 2 находится нейтральное вещество, обладающее равным количеством положительных и отрицательных зарядов. Сторонняя сила неэлектростатической природы передвигает заряды со знаком плюс к электроду 2, а отрицательные частицы к электроду 1. В результате данного процесса электрод 1 несет отрицательный заряд, а электрод 2 имеет заряд больше нуля. Во внешней цепи от 2 к 1 идет электрический ток, который совершает работу. Требуемая для этого энергия передается системе сторонними силами. Эти силы разделяют заряды между нашими электродами и доставляют эти заряды на электроды против сил электрического поля, напряженность которого $\vec E$, которое находится между электродами. Электрический ток, текущий между электродами 1 и 2 внутри источника ЭДС замыкает ток во внешней цепи.
При этом:
- во внешней цепи ток следует от положительного электрода к заряженному отрицательно;
- во внутренней цепи (внутри источника) ток следует от электрода со знаком минус к электроду со знаком плюс.
Рисунок 2. Электростатическая машина. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Практическим примером механической сторонней ЭДС может служить электростатическая машина. Схема такой машины изображена на рис.2. Заряды $Q^+$ и $Q^-$ создают электростатическое поле в пространстве между этими зарядами. Изолированные друг от друга проводящие пластинки перемещаются по окружности вокруг оси $О$ при воздействии сторонних механических сил. В положении 1 (рис.2) пластины соединяются друг с другом и становятся неподвижным проводником. Благодаря электростатической индукции пластины $C$ и $D$ в данном положении заряжаются:
- $C$ заряжается отрицательно;
- $D$ заряжается положительно.
При дальнейшем движении их контакт с проводником нарушается и в положении 2 пластины становятся изолированными друг от друга, но имеют заряды разного знака. В положении 3 пластины контактируют с электродами $A$ и $B$. На эти электроды переходит заряд с пластин. Между электродами по цепи $BGA$ идет электрический ток. При наличии только одной пары вращающихся проводников $C; D$, ток по цепи течет импульсами, по два импульса за один оборот.
Если иметь большое количество пар пластин, подобных $C$ и $D$, таких, чтобы они контактировали с нашими электродами последовательно с очень маленькими разрывами, то можно организовать почти постоянный ток во внешней цепи. Данная машина реализует стороннюю ЭДС механического происхождения, которая возникает за счет механических сил, которые обеспечивают перемещение пластин $C$ и $D$ по окружности.
Последовательность превращений энергии при таком действии выглядит так:
- Сторонние механические силы, двигая пластины $C$ и $D$, выполняют работу против сил электрического поля, которое имеется между зарядами $Q^+$ и $Q^-$.
- Эти силы переносят заряды на пластинах $C$ и $D$ к электродам $A$ и $B$. В результате изменяется энергия электрического поля, так происходит переход энергии из механической формы в энергию электрического поля.
- После этого данная энергия при протекании тока по цепи трансформируется в джоулеву теплоту и другие формы энергии, которые обусловлены работой тока в цепи.
Элемент Вольта
Распространенными источниками постоянного тока служат гальванические элементы. Рассмотрим элемент Вольта. Основные его структурные элементы:
- медная пластина;
- цинковая пластина;
- раствор серной кислоты.
Пластины погружены в раствор кислоты. Учитывая электрохимические потенциалы металлов, получим ЭДС элемента Вольта около 1,1 В.
Ошибочно предполагать, что сторонние ЭДС появляются в пространстве между пластинами. В элементе Вольта возникают две сторонние ЭДС, которые локализованы в поверхностных слоях, где соприкасаются пластинки с раствором кислоты. Данные слои имеют толщину размера молекулы. Во всем остальном объеме раствора сторонних ЭДС нет.
Если соединить пластины элемента при помощи проводника, то в нем возникнет электрический ток, направленный от медной пластины (положительного электрода) к пластине из цинка (отрицательному электроду).
В растворе в пространстве между электродами, ток направлен от цинка к меди. Получается, что линии постоянного тока замкнуты.
Сторонняя ЭДС элемента определена свойствами элемента и не зависит от силы протекающего по цепи тока. Падение напряжения на внешней цепи ($U=RI$) не равно ЭДС элемента и всегда меньше ее. Это напряжение между клеммами работающего элемента, если по цепи течет ток. При росте силы тока, напряжение во внешней цепи уменьшается, причем тем больше, чем значительнее внутреннее сопротивление элемента. Используя элемент, надо помнить, нужно, чтобы напряжение во внешней цепи как можно меньше зависело от силы тока, то есть от нагрузки. Следовательно, важной характеристикой элемента служит внутреннее сопротивление. Чем меньше внутреннее сопротивление (при других равных характеристиках), тем выше качество источника сторонних ЭДС.
