Урок 4. Условия существования электрического тока

И снова доброго времени суток вам, уважаемые. Без лишних прелюдий начнём наш сегодняшний разговор. Казалось бы, с причинами возникновения тока в проводнике мы давно разобрались. Поместили проводник в поле – побежали электроны, возник ток. Что еще надо. Но оказывается, чтобы этот ток существовал в проводнике постоянно, необходимо соблюдать некоторые условия. Для более ясного понимания физики процесса протекания электрического тока в проводнике рассмотрим пример.



Предположим, что у нас имеется некоторый проводник, который мы поместим в электрическое поле как показано на рисунке 4.1.



Рисунок 4.1 – Проводник в электрическом поле

Условно обозначим величину напряженности на концах проводника как E₁и E₂, причем E₁>E₂. Как мы выяснили ранее, свободные электроны в проводнике начнут двигаться в сторону большей напряженности поля, то есть в точку А. Однако со временем потенциал, образованный скоплением электронов в точке А станет таким, что создаваемое им собственное электромагнитное поле E₀ сравняется по модулю с внешним полем, причем направления полей будут противоположными, поскольку потенциал точки В – более положительный (недостаток электронов, вызванный воздействием внешнего поля).

Поскольку результирующее действие двух одинаковых противоположных сил равно нулю: |E|+|(E₀)|=0, электроны прекращают упорядоченное движение, электрический ток прекращается. Для того, чтобы поток электронов был непрерывный необходимо: во-первых, приложить дополнительную силу не потенциального характера, которая бы компенсировала влияние собственного электрического поля проводника и, во-вторых, создать замкнутый контур, поскольку перемещение электронов может происходить только в проводниках (ранее мы указали, что диэлектрики хоть и имеют некоторую электропроводность, но не пропускают электрический ток) и для обеспечения постоянства компенсирующей силы необходимо постоянство полей: как внешнего так и собственного.

Начнём разбираться со второго пункта. Будем рассматривать проводник, помещенный в поле, как показано на рисунке 4.2. Предположим, что после того, как взаимодействие внешнего и собственного электромагнитных полей было скомпенсировано, мы приложили дополнительно к внешнему полю еще одно такое же поле. Суммарное действие внешнего поля составит 2•|E|. Ток в проводнике продолжит течь в том же направлении, однако ровно до того момента, пока 2•|E|>|E₀|, после чего электрический ток вновь прекратиться. То есть внешнее воздействие должно увеличиваться непрерывно для обеспечения протекания тока в разомкнутом проводнике, что невозможно.

Если замкнуть проводник так, чтобы одна его часть лежала вне поля, тогда за счет работы дополнительной силы помимо внешнего поля (эта сила в таком случае должна быть не потенциальной, поскольку работа потенциальной силы в замкнутом контуре равна нулю и не зависит от формы траектории), то в проводнике возникнет электрический ток, обусловленный влиянием только внешнего поля, поскольку собственно поле проводника будет полностью скомпенсировано. Именно поэтому любая электрическая цепь всегда должна быть замкнутой.

Можно попробовать объяснить необходимость введения дополнительной силы из такого соображения: если бы мы могли заряды с конца В проводника частично перебрасывать на конец А проводника, электрический ток бы так же не прекращался. Однако, на такое «десантирование» так же требуется энергия. Значит, введение дополнительной силы всё равно необходимо. Не потенциальные силы так же называют сторонними силами. А их источники – источниками или генераторами тока.



Рисунок 4.2 – Возникновение собственного электромагнитного поля в проводнике

Так где же взять дополнительную силу, которая, притом, не должна быть создана полем, ведь без нее тока мы не получим? Оказывается, во время протекания химической восстановительно-окислительной реакции, например, взаимодействие диодксида свинца и разбавленной серной кислоты, происходит высвобождение свободных электронов:



Для того, чтобы «притянуть» все электроны, высвобожденные в процессе реакции к одной точки пространства, в раствор серной кислоты помещается несколько свинцовых решёток, называемых электродами. Одна часть электродов изготавливается из свинца и называется катод, другая – анод – изготавливается из диоксида свинца. Катод является источником свободных электродов для внешней цепи, а анод – приемником.

Приведённый пример соответствует известному всем автомобилистам (да и не только) устройству – свинцово-кислотному аккумулятору. Конечно, приведенный пример мало совпадает с тем, что происходит внутри аккумулятора в действительности, однако, суть возникновения тока отражает хорошо. Таким образом, между положительным анодом (мало электронов) и отрицательным катодом (много электронов) возникает электрическое поле, которое формирует сторонние силы и создаёт ток в проводнике. Эта сила зависит только от протекания химической реакции, то она практически постоянная до того момента, пока существуют элементы этой реакции – кислота и оксид свинца. Следовательно, если мы уберём электрическое поле и подключим проводник к аноду и катоду, электрический ток всё равно будет протекать из-за того, что аккумулятор создаёт стороннюю силу. Проводник будет иметь вокруг себя собственное электрическое поле, которое нужно преодолеть аккумулятору, чтобы перенести электрон от катода к аноду. В этом и есть суть сторонней силы.

Теперь рассмотрим ситуация с аккумулятором и подключенным к нему проводником.Электрическое поле совершает положительную работу по перемещению положительного заряда (мы говорим именно о положительных зарядах, так как направлению их движения соответствует направление тока) в направлении уменьшения потенциала поля. Источник тока проводит разделение электрических зарядов – на одном полюсе накапливаются положительные заряды, на другом отрицательные. Напряженность электрического поля в источнике направлена от положительного полюса к отрицательному, поэтому работа электрического поля по перемещению положительного заряда будет положительной при его движения от «плюса» к «минусу». Работа сторонних сил, наоборот, положительна в том случае, если положительные заряды перемещаются от отрицательного полюса к положительному, то есть от «минуса» к «плюсу».В этом принципиальное отличие понятий разности потенциалов и ЭДС, о котором всегда необходимо помнить.

На рисунке 4.3 показано направление протекания тока Iв проводнике, подключенному к аккумулятору – от положительного анода к отрицательному катоду, однако внутри аккумулятора сторонние силы химической реакции производят «десантирование» электронов, пришедших из внешней цепи с анода на катод и положительных ионов с катода на анод, то есть действуют против направления движения тока и направления поля.



Рисунок 4.3 – Демонстрация сторонних сил при возникновении электрического тока

Из сделанных выше соображений можно сделать следующий вывод: силы, действующие на заряд внутри источника тока отличны от сил, действующий внутри проводника. Соответственно, необходимо эти силы отличать друг от друга. Для характеристики сторонних сил была введена величина электродвижущей силы (ЭДС) – работы, совершаемой сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда.Обозначается латинской буквой &#949 («эпсилон») и измеряется так же, как и разность потенциалов – в вольтах.



Поскольку разность потенциалов и ЭДС являются силами различного типа, можно говорить о том, что ЭДС вне выводов источника равно нулю. Хотя в обычной жизни этими тонкостями пренебрегают и говорят: «Напряжение на батарее 1.5В», хотя строго говоря напряжение на участке цепи – суммарная работа электростатических и сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда. В будущем мы еще будем сталкиваться с этими понятиями и они пригодятся нам при расчете сложных электрических цепей.

На этом, пожалуй всё, потому что урок получился чересчур нагруженным… Но понятия напряжение и ЭДС нужно уметь отличать.

• Для существования электрического тока необходимо два условия:
  
  1)замкнутая электрическая цепь;
  
  2)наличие источника сторонних непотенциальных сил.
• Электродвижущая сила (ЭДС) – работа, совершаемая сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда.
• Источники сторонних сил в электрической цепи называются так же источниками тока.
• Положительный вывод аккумулятора называется анод, отрицательный – катод.

Задачек на этот раз не будет, лучше лишний повторить этот урок, чтобы понимать всю физику протекания тока в проводнике. Как всегда любые возникшие вопросы, предложения и пожелания можете оставлять в комментариях ниже! До новых встреч!

← Урок 3: Закон Ома | Содержание | Урок 5: Источники питания →