Источник тока. ЭДС

Рубрики: Физика

Источник тока. Электрический ток может возникнуть, если металлическим проводом соединить разноименно заряженные шары или пластины конденсатора. Под действием электростатического поля пластин конденсатора начинается движение свободных носителей заряда (электронов проводимости) от положительно заряженной пластины к отрицательной. Однако такой электрический ток оказывается кратковременным: так как недостаток и избыток электронов на пластинах компенсируется перемещающимися электронами, то электрическое поле, движущее заряды, ослабевает до нуля (рис. 3,А).

Рис. 3

Для дополнительного поддержания тока в проводниках используется устройство, которое называется Источником тока. Внутри источника тока происходит перераспределение положительных и отрицательных зарядов, так что на двух клеммах источника тока возникает избыток положительных и отрицательных зарядов (клемма «+» и клемма «–»). Силы неэлектростатической природы, осуществляющие такое разделение зарядов, называются Сторонними силами.

При контакте металлического проводника с клеммами источника тока на поверхности провода очень быстро устанавливается такое распределение зарядов, что внутри проводника возникает постоянное электрическое поле напряженностью , направленной вдоль его оси. Сила тока во всем проводнике при этом становится постоянной, заряды перемещаются по замкнутой цепи.

В простейшей модели считают, что сила тока, протекающего через поперечное сечение проводника связана с концентрацией N свободных носителей заряда в проводнике, зарядом Q каждой из них, скоростью Их направленного движения (дрейфа) и площадью S поперечного сечения проводника:

I = QnS.

Несмотря на действие постоянной силы на электроны (носители заряда) последние движутся с постоянной скоростью. С энергетической точки зрения работа неэлектростатического поля должна приводить к изменению энергии системы. Если не происходит иных изменений энергии системы, то должно происходить изменение внутренней энергии проводника – он будет разогреваться. Это постоянное (пока течет ток) увеличение внутренней энергии поддерживается за счет работы сторонних сил внутри источника тока, которые непрерывно перемещают электроны от отрицательной клеммы к положительной, т. е. против направления электростатических сил. Всякий источник тока принято характеризовать работой сторонних сил AСт, которую они совершают при таком перемещении заряда DQ внутри источника. Отношение

Называется Электродвижущей силой (ЭДС) источника тока. Выражается ЭДС в вольтах (1 В= 1 Дж/1 Кл), как и разность потенциалов.

Таблица «Виды источников тока и принцип их действия»

Электрофорная машина

Механическое вращение непроводящих дисков с нанесенными проводящими участками, часть которых на одном из дисков электризуется трением, приводит к накоплению зарядов в специальном устройстве, называемом лейденской банкой. В настоящее время используется в основном для демонстрационных опытов, требующих контролируемого генерирования больших (до десятков тысяч вольт) напряжений

Гальванический элемент

Два разных материала погружаются в раствор или другую проводящую среду. За счет необратимых химических реакций, идущих на границе «раствор – твердое тело», происходит накопление электронов или заряженных ионов на электродах.

В гальванических элементах происходит необратимое превращение энергии химических связей, накопленной при синтезе этих веществ, в энергию разделенных зарядов

Аккумулятор

Материал электродов и растворитель подбираются так, чтобы химические реакции, идущие на границе «электрод–растворитель», были обратимы, т. е. могло идти преобразование энергии разделенных зарядов в энергию химических связей при зарядке аккумулятора, а также обратные процессы при его разрядке

Термопара

При нагреве спая двух разных металлов происходит перемещение электронов из одного металла в другой.  Таким образом, тепловая энергия преобразуется непосредственно в энергию разделенных зарядов.

Измеряя ЭДС, можно измерять температуру (термопарные термометры)

Солнечная батарея

При освещении некоторых полупроводниковых материалов, находящихся в контакте с металлами, происходит перемещение электронов с металла на полупроводник.

Используются для непосредственного преобразования энергии солнечного света в электрическую (космическая станция, блок питания калькулятора и др.)

Выпрямитель (адаптер) переменного тока, вырабатываемого генератором на электростанции

При вращении рамки из проводника около магнита или магнита около рамки в рамке возникает упорядоченное движение электронов. В результате генерируется переменный ток. Таким образом, на электростанциях механическая энергия преобразуется в электрическую. Если необходимо преобразовать переменный ток (меняющий направление и модуль силы тока) в постоянный, то используется дополнительное электронное устройство – выпрямитель

Пьезоэлемент

При механической деформации некоторых кристаллов (например, кварца) происходит перемещение электронов из одной области кристалла в другую
Метки: