3.2.5 Источники тока. ЭДС и внутреннее сопротивление

В предыдущих пунктах уже появились условия существования тока, напряжение и сопротивление проводника. Теперь нужно отдельно разобрать источник тока.

Источник тока не создаёт заряды из ничего. Его роль другая: он разделяет заряды и поддерживает между своими полюсами разность потенциалов, чтобы в замкнутой цепи мог существовать постоянный ток.

Источник тока

Источник тока - устройство, в котором энергия какого-либо вида превращается в энергию электрического тока.

Примеры источников тока:

гальванический элемент;
аккумулятор;
генератор.

В гальваническом элементе и аккумуляторе разделение зарядов связано с химическими процессами. В генераторе оно связано с электромагнитными процессами. Для кодификатора важно не устройство каждого источника, а общая идея: внутри источника действуют силы неэлектростатической природы.

Зачем нужны сторонние силы

Во внешней части цепи положительный заряд условно движется от положительного полюса источника к отрицательному. Но чтобы ток в замкнутой цепи не прекратился, заряд должен вернуться внутри источника от отрицательного полюса к положительному.

Электростатическое поле этому движению внутри источника препятствует: положительный заряд отталкивается от положительного полюса и притягивается к отрицательному.

Поэтому внутри источника должны действовать сторонние силы.

Сторонние силы - силы неэлектростатической природы, которые разделяют заряды внутри источника и переносят положительные заряды от отрицательного полюса к положительному.

Именно работа сторонних сил поддерживает ток в цепи. Без них заряды быстро перераспределились бы, разность потенциалов исчезла бы, и постоянный ток прекратился бы.

ЭДС источника тока

ЭДС источника тока $E$ - физическая величина, равная отношению работы сторонних сил к заряду, перенесённому через источник:

E = \frac{A _{сторонних сил}}{q}

где:

$E$ - ЭДС источника;
$A_{сторонних сил}$ - работа сторонних сил;
$q$ - заряд, перенесённый через источник.

ЭДС показывает, какую работу совершают сторонние силы при переносе единичного положительного заряда через источник.

Единица ЭДС в СИ - вольт:

1 В = 1 \frac{Дж}{Кл}

Название “электродвижущая сила” историческое. ЭДС не является силой в механическом смысле и измеряется не в ньютонах, а в вольтах.

Что означает надпись на батарейке

Если на батарейке написано $1, 5 В$ , это прежде всего характеристика источника - его ЭДС.

Эта величина показывает, какую работу сторонние силы внутри батарейки могут совершить над зарядом $1 Кл$ . Для идеального источника без потерь напряжение на клеммах совпадало бы с ЭДС.

У реального источника ситуация сложнее: часть энергии расходуется внутри самого источника. Поэтому при работе под нагрузкой напряжение на клеммах может быть меньше ЭДС.

Внутреннее сопротивление источника

Реальный источник тока сам является частью электрической цепи. Заряды движутся не только по внешним проводникам и потребителям, но и внутри источника.

Внутри источника тоже есть препятствия движению зарядов. Их учитывают с помощью величины $r$ .

Внутреннее сопротивление источника $r$ - сопротивление той части цепи, которая находится внутри источника тока.

У реального источника есть две главные характеристики:

ЭДС $E$ ;
внутреннее сопротивление $r$ .

Внутреннее сопротивление измеряется в омах, как и обычное сопротивление:

[r] = Ом

Если источник подключён к внешней цепи, часть энергии выделяется внутри источника. Из-за этого напряжение на внешней нагрузке может отличаться от ЭДС источника.

Идеальный и реальный источник

В школьной теории часто используют две модели.

Идеальный источник - источник, внутренним сопротивлением которого можно пренебречь:

r = 0

В такой модели нет внутренних потерь.

Реальный источник имеет ненулевое внутреннее сопротивление:

r \neq = 0

Такая модель лучше описывает батарейки, аккумуляторы и лабораторные источники питания. Если через реальный источник идёт ток, часть энергии неизбежно теряется внутри него.

Не путать ЭДС и напряжение

ЭДС $E$ относится к источнику тока и показывает работу сторонних сил на единицу заряда.

Напряжение $U$ обычно относится к участку цепи и связано с работой электрического поля на этом участке. В предыдущем пункте про напряжение и ЭДС эта разница уже была намечена.

Для разомкнутой внешней цепи напряжение на клеммах источника равно его ЭДС. Но при подключённой нагрузке у реального источника появляется влияние внутреннего сопротивления.

Подробная связь между $E$ , $r$ , внешним сопротивлением и силой тока относится к следующему пункту - закону Ома для полной цепи.

Коротко

Источник тока поддерживает разделение зарядов и разность потенциалов между полюсами.
Внутри источника действуют сторонние силы неэлектростатической природы.
ЭДС источника:

E = \frac{A _{сторонних сил}}{q}

ЭДС измеряется в вольтах, но не является силой в механическом смысле.
Внутреннее сопротивление источника $r$ учитывает сопротивление внутри самого источника.
Реальный источник характеризуется двумя величинами: $E$ и $r$ .
Закон Ома для полной цепи рассматривается отдельно в следующем пункте.

Endurance

Проводник