Условие существования электрического тока

Существование электрического токаУпорядоченное движение элект­рических зарядов называется электрическим током. Постоянным электрическим током называют упорядоченное движение электрических зарядов с постоянной скоростью. За направление тока условно выбрано направление движущихся положительных зарядов.

Постоянный электрический ток может возникать в результате процессов различной физической приро­ды. Например, испускаемые радиоак­тивными веществами отрицательно заряженные электроны и положи­тельно заряженные ?-частицы могут в вакууме пролетать беспрепятствен­но значительные расстояния. Такой поток электронов или ?-частиц пред­ставляет собой постоянный электри­ческий ток.

Проводники — это такие тела, в которых имеются свободные частицы, обладающие элект­рическим зарядом и способные ус­коряться и, следовательно, перемещаться под действием приложенных к ним электрических сил.

Если бы заряженные частицы, приведенные в движение в замкнутом проводнике, не взаимодействовали с другими частицами, то они двигались бы бесконечно долго.

Такой ток можно наблюдать в не­которых веществах при весьма низ­ких температурах; удельное сопро­тивление таких веществ — их назы­вают сверхпроводниками — равно нулю при этих температурах.

Но в большинстве проводников при протекании тока движущие­ся заряженные частицы взаимо­действуют с неподвижными части­цами и теряют свою кинетическую энергию.

Поэтому для поддержания посто­янного тока в цепи необходимо пополнять энергию заряженных час­тиц, т. е. совершать работу за счет действия каких-то источников.

Возьмем два заряженных прово­дящих тела, заряды которых равны по модулю, но противоположны по знаку. Соединим эти тела проводни­ком. По проводнику пойдет ток.

Перемещение зарядов будет про­исходить до тех пор, пока не исчезнет электрическое поле в проводнике в результате выравнивания потенциа­лов на телах А и В. После этого ток в проводнике прекратится.

Для того чтобы ток был постоян­ным, необходимо, чтобы на концах проводника поддерживалась посто­янная разность потенциалов, иными словами, чтобы в проводнике существовало неизменяющееся электрическое поле. Очевидно, заряженные тела не годятся для создания постоянного тока в цепи. Для этой цели необходимо особое устройство — источник тока (генератор).

Что такое источник тока? Для того чтобы ток не прекращался, необ­ходимо, чтобы положительные заря­ды, перемещающиеся на тело и с тела А, вновь возвращались бы на тело А, а отрицательные заряды воз­вращались на тело В, т.е. чтобы на некотором участке замкнутой цепи заряды двигались против действую­щих на них электростатических сил. Для этого на заряды, кроме электростатических сил, должны дей­ствовать другие силы, направленные противоположно электростатическим силам. Такие силы неэлектростати­ческого происхождения называют сторонними силами. Источник тока представляет собой устройство, в ко­тором на электрические заряды дей­ствуют сторонние силы.

Сторонние силы в различных ис­точниках возникают по разным при­чинам. В химических источниках, на­пример в автомобильном аккумуля­торе или в гальваническом элементе, они возникают благодаря химиче­ским реакциям на границе соприкосновения пластин аккумулятора или электродов батарейки с жидким электролитом. В фотоэлементе они возникают в результате действия света на электроны в металле или полупроводнике. В генераторах элект­ростанций сторонние силы возника­ют при движении проводников в маг­нитном поле.

Электрическая цепь постоянного тока.

Рассмотрим простейшую элект­рическую цепь постоянного тока, со­ставленную из гальванического эле­мента, электрической лампы и про­водников.

При замыкании электрической це­пи нить лампы нагревается проте­кающим через нее электрическим то­ком и излучает свет. Постоянная ин­тенсивность свечения лампы свидетельствует о том, что в цепи проте­кает постоянный, не изменяющийся во времени электрический ток. Под­ключив к выводам гальванического элемента прибор для измерения разности потенциалов — вольтметр, мы обнаружим, что на выходе источ­ника тока она также остается неиз­менной.

На внешнем участке цепи элект­рические заряды движутся под дей­ствием сил электрического поля. Пе­ремещение зарядов внутри провод­ника не приводит к выравниванию потенциалов всех точек проводника, так как в каждый момент времени за счет действия источника тока к одному концу электрической цепи подходит точно такое же количество электричества, какое из него перешло к другому концу внешней электри­ческой цепи. Поэтому сохраняется неизменной разность потенциалов между началом и концом внешнего участка электрической цепи, что, в свою очередь, приводит к тому, что напряженность электрическо­го поля внутри проводников в этой цепи остается постоянной во вре­мени.

Электродвижущая сила источника.

При включении источника тока в электрическую цепь в результате действия сторонних сил электроды источника тока все время подзаря­жаются, поэтому между ними под­держивается постоянная разность потенциалов. В разных источниках тока действуют различные сторон­ние силы, которые во время работы источника непрерывно перемещают положительные заряды между элект­родами от отрицательного полюса к положительному. Чем больший заряд перемещается при этом, тем боль­шая работа Аст совершается. Отно­шение работы Аст к переносимому заряду для данного источника оста­ется постоянной величиной. Для дру­гих источников эта величина имеет другое значение. Поэтому указанное отношение может служить, характе­ристикой источника тока.

Отношение работы сторонних сил к значению положительного заряда, переносимого внутри источника от отрицательного полюса к положительному, называют электродвижущей силой источника (ЭДС).


Различные источники тока отли­чаются своей ЭДС. Например, ЭДС гальванических элементов равна 1—2 В, свинцовых аккумуляторов 2 В; ЭДС индукционных генераторов достигает 15 кВ.