Обсуждается роль сторонних э.д.с. в чепях тока и описываются конкретные источники сторонних э. д. с.

Сущность сторонних э. д.с. Сторонняя электродвижущая сила не может иметь электростатического происхождения по той простой причине, что электростатическое поле является потенциальным. Следовательно, работа поля по замкнутому контуру, по которому течет ток, равна нулю, т. е. при этом условии ток не мог бы существовать, поскольку он должен совершать работу для преодоления омического сопротивления проводников. Существование постоянного тока доказывает, что сторонние электродвижучие силы имеют неэлектростатическое происхождение.

Сторонняя электродвижущая сила может быть, в частности, механической или электрической силой, но не силой электростатического происхождения. Например, такой э. д. с. является сила, действующая на заряд в электрическом поле, возникающем по закону электромагнитной индукции Фарадея (см. гл. 8).

$\mathbf{M}$ еханическая сторонняя э. д. с. Схема простейшего источника тока, в котором сторонняя э. д. с. имеет механическое происхождение, изображена на рис. 110. Между электродами $A$ и $B$ имеется нейтральная среда с равным числом положительных и отрицательных зарядов. Сторонняя сила неэлектростатического происхождения перемещает положительные заряды к электроду $B$, а отрицательные – к электроду $A$. В результате этого электрод $A$ заряжается отрицательно, а электрод $B$ – положительно. Во внешней цепи от $B$ к $A$ течет электрический ток, производящий соответствующую работу. Необходимая для этого энергия сообщается системе сторонними силами, которые затрачивают работу для разделения зарядов между электродами $A$ и $B$ и доставки этих зарядов на электроды против сил электрического поля с напряженностью $\mathbf{E}$, существующего между электродами. Ток между электродами $A$ и $B$ внутри источника э. д. с. замыкает ток во внешней цепи. Если направление тока характеризовать относительно электродов, то во внешней цепи ток течет от положительного электрода к отрицательному, а внутри источника тока – от отрицательного электрода к положительному.

Практической реализацией механической сторонней э. д. с. является электростатическая машина, схема которой показана на рис. 111. Заряды $Q^{+}$и $Q^{-}$создают электростатическое поле в пространстве между ними. Изолированные друг от друга проводящие пластины $C$ и $D$ движутся по окружности вокруг оси $O$ под влиянием сторонних механических сил. В положении 1 пластины оказываются соединенными между собой неподвижным проводником (сплошная линия со стрелками на концах). В результате электростатической индукции пластины $C$ и $D$ в этом положении заряжаются соответственно отрицательно и положительно. При дальнейшем вращении их контакт с проводником прерывается и в положении 2 пластины изолированы друг от друга, но несут на себе разноименные заряды. В положении
110
Схема действия сторонних э.д.с. механического происхождеиия
111
Схема электростатической машины
Сторонней э. д. с. называется сила незлектростатнческого происхождення, производящая разделение зарядов.
Работа, совершаемая в цепи при прохождении электрического тока, равна работе сторонних з. д. с. Плотность постоянного тока по сечению проводника распределена, вообще говоря, неравномерно. На поверхности проводника с током имеются поверхностные заряды, мвляющиеся нсточниками электрического поля, которое существует в проводнике и обеспечивает наличие постоянного тока.
Возникиовение разности потеициалов между твердым телом и жидкостью
113
Элемент Вольта
– Поверхностные заряды на различных участках проводника могут иметь различние знаки.
Роль зарядов на полюсах источника сторонних 3. д. с. состоит не в тон, чтобы создавать во всех проводниках непосредственно соответствующее электрическое поле, а в том, чтобы обеспечить такое распределение поверхностных зарядов на проводниках, которое создает нужное электрнческое поле внутри них.
Объенные заряды возникают лишь в неоднородных проводниках.
3 они вступают в контакт с электродами $A$ и $B$, на которые переходит заряд с $C$ и $D$. Между электродами по цепи $B G A$ течет электрический ток. Если имеется одна пара вращающихся проводников $C D$, то ток по цепи протекает импульсами, по два импульса за оборот. Если же взять достаточно большое число пар пластин $C, D$, чгобы они вступали в контакт с электродами $A, B$ последовательно с ничтожно малыми перерывами, то по внешней цепи течет практически постоянный ток. Такая машина реализует стороннюю э. д. с. механического происхождения, возникающую за счет механических сил, обеспечивающих движение пластин $C, D$ по окружности.
Цепь взаимопревращений энергии здесь выглядит следующим образом. Сторонние механические силы, перемещая пластины $C, D$, производят работу против сил электрического поля, существующего между зарядами $Q^{+}, Q^{-}$, и переносят заряды на пластинах $C, D$ к электродам $A, B$. В результате этого изменяется энергия электрического поля, т. е. происходит превращение энергии из механической формы в энергию электрического поля. Затем эта энергия в результате протекания тока по цепи $B G A$ превращается в джоулеву теплоту и другие формы энергии, обусловленные работой тока во внешней цепи.
Гальванические элементы. Очень распространенными истечниками постоянного тока являются гальванические элементы и аккумуляторы. Электрический ток был открыт в 1791 г. Л. Гальвани ( $1737-1798)$. Однако Гальвани не сумел дать правильное толкование своим опытам. Это сделал в 1792 г. А. Вольта (1745-1827). Элементы постоянного тока, о которых идет здесь речь, получили название по имени Гальвани.
Разность потенциалов (см. § 2) возникает не только при контакте твердых тел, но и твердых тел с жидкостями. При этом могут происходить химические реакции. Например, если цинковую пластину $\mathrm{Zn}$ опустить в расгвор серной кислоты $\mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4}$, то цинк
растворяется (рис. 112). Однако в раствор уходят не нейтральные атомы цинка, а положительные ионы $\mathrm{Zn}^{++}$, в результате чего раствор заряжается положительно, а цинковая пластина – отрицательно. При этом между раствором и пластиной возникает разность потенциалов. При некотором потенциале металла относительно раство$\mathrm{pa}$, иазываемом электрохимическим, переход ионов цинка в раствор прекращается. Он зависит от свойств металла, жидкости и от концентрации ионов металла в растворе. При контакте металла с водой металл заряжается более отрицательно, чем при контакте металла с раствором соли, содержацим ионы металла. При большой концентрации ионов в растворе может произойти обратный процесс, при котором положительные ионы начнут осаждаться на металле и он зарядится положительно. Таким образом, при различных комбинациях металлов, жидкостей и концентраұий ионов в растворах могут возникать различные электрохимические потенциалы.

Поскольку электрохимический потенциал зависит от концентрации ионов металла, условились брать раствор, содержащий в 1 л раствора моль ионов металла, деленный на валентность иона. Электрохимический потенциал металла относительно такого раствора называется абсолютным нормальным электрохимическим потенциалом. Например, для растворов в серной кислоте этот потенциал для $\mathrm{Zn}$ равен $-0,5 \mathrm{~B}$, а для $\mathrm{Cu}$ равен $+0,6 \mathrm{~B}$.

Если два различных металла погружены в раствор, то между ними возникает разность потенциалов, равная разности их электрохимических потенциалов. Совокупность двух металлов и раствора называется гальваническим элементом, а разность потенциалов между металлами электродвижуцей силой элемента.
Элемент Вольта. Ои состоит из медной и цинковой пластинок, погруженных в раствор серной кислоты (рис. 113). Принимая во внимание электрохимические потенциалы цинка и меди, заключаем, что э. д. с. элемента Вольта равна $[0,6-(-0,5)] \mathrm{B}=1,1$ В.
$\mathbf{O}$ бласть действия сторонних э. д. с. Не следует думать, что сторонние
э. д. с. возникают в пространстве между медной и цинковой пластинками. В данном случае имеются две сторонние э. д. с. сосредоточенные в поверхностных слоях соприкосновения цинковой и медной пластинок с раствором. Эти слои имеют молекулярную толщину. Во всем остальном объеме раствора никаких сторонних э.д. с. нет. При соединении пластин элемента проводником по нему течет ток от медной пластины, являющейся положительным электродом элемента, к цинковой пластине, являющейся отрицательным электродом. В растворе между электродами ток течет от цинковой пластины к медной. Таким образом, как это и должно быть, линии постоянного тока замкнуты,

Рассмотрим изменение потенциала в цепи с током. В направлении тока потенциал падает на омическом сопротивлении проводника. На рис. 114 изображено изменение потенциала по замкнутому контуру с элементом Вольта в качестве сторонней э. д. с. Точки $A$ и $B$ соответствуют поверхностным слоям контактов медной и цинковой пласти-

Изменение потенциала в цепи
с гальваническим элементом
нок с растворами, в которых действуют сторонние электродвижущие силы. Их разность и составляет стороннюю э. д. с. элемента. Она равна полному падению потенциала на омическом сопротивлении внешней цепи на участке $A G B$ и на омическом сопротивлении электролита на участке $B D A$. Омическое сопротивление электролита называется внутренним сопротивлением элемента. Обозначим: $\mathscr{\varepsilon}_{\text {стор }}, R$ и $r$ соответственно сторонняя э. д. с. элемента, сопротивление внешней цепи и внутреннее сопротивление элемента. Запишем закон Ома для всей цепи в виде
\[
\mathscr{E}_{\text {cтop }}=I(R+r) \text {. }
\]

Сторонняя э. д. с. элемента определяется свойствами элемента и не зависит от силы протекающего по цепи тока. Из формулы (26.1) видно, что падение напряжения на внешней цепи ( $U=I R$ ) не равно электродвижущей силе элемента и всегда меньше ее. Это есть напряжение между клеммами работающего элемента, когда по цепи течет ток. С увеличением силы тока напряжение во внешней цепи уменьшается, причем тем значительнее, чем больше внутреннее сопротивление элемента. При использовании элемента всегда желательно, чтобы напряжение во внешней цепи как можно меньше зависело от силы тока, т. е. от нагрузки. Поэтому важной характеристикой элемента является внутреннее сопротивление. Чем оно меньше, тем при прочих равных условиях лучше качество источника сторонних э. д. с.
Закон сохранения энергии. Проанализируем закон сохранения энергии в цепи с током, изображенной на рис. 114. Обозначим: $A_{1}$ – работа электрического поля при движении заряда $q$ по замкнутой цепи; $A_{2}$ – работа сторонних э. д.с. Электрическое поле производит работу на участках, на которых потенциал падает от $\varphi_{1}$ до $\varphi_{2}$ (внешняя цепь) и от $\varphi_{3}$ до $\varphi_{4}$ (за счет омического сопротивления раствора току внутри элемента). Она равна
\[
A_{1}=\left(\varphi_{1}-\varphi_{2}\right) q+\left(\varphi_{3}-\varphi_{4}\right) q \text {. }
\]

Работа сторонних э. д. с. в слоях молекулярной толщины приводит к увеличению потенциалов от $\varphi_{4}$ до $\varphi_{1}$ (на медной пластине) и от $\varphi_{2}$

до $\varphi_{3}$ (на цинковой пластине). Поэтому работа сторонних э. д. с. дается выражением
\[
A_{2}=\left(\varphi_{1}-\varphi_{4}\right) q+\left(\varphi_{3}-\varphi_{2}\right) q=\left(\varphi_{1}-\varphi_{2}\right) q+\left(\varphi_{3}-\varphi_{4}\right) q,
\]

где второе равенство получилось в результате перегруппировки членов. Из сравнения (26.2) и (26.3) видно, что
\[
A_{1}=A_{2} \text {, }
\]
т. е. работа, совериаемая в чепи при прохождении тока, равна работе сторонних э. д. с.

Выведем еще раз закон Ома (26.1) для всей цепи, пользуясь законом Ома (25.10) для участка цепи:
\[
\varphi_{1}-\varphi_{2}=I R, \varphi_{3}-\varphi_{4}=I r \text {, }
\]

откуда
\[
I R+I r=\left(\varphi_{1}-\varphi_{2}\right)+\left(\varphi_{3}-\varphi_{4}\right)=\left(\varphi_{1}-\varphi_{4}\right)+\left(\varphi_{3}-\varphi_{4}\right)=\mathscr{E}_{\text {crop }} .
\]

Поляризация элемента. При прохождении тока в цепи элемента Вольта ионы $\mathrm{Zn}^{++}$переходят в раствор, где соединяются с отрицательными ионами $\mathrm{SO}_{4}^{–}$, на которые наряду с ионами $\mathrm{H}_{2}^{++}$диссоциирует серная кислота. В растворе происходит реакция $\mathrm{Zn}^{++}+\mathrm{SO}_{4}^{–}=\mathrm{ZnSO}_{4}$, продукты которой выпадают в виде осадка. Положительные ионы водорода устремляются к медной пластине и там нейтрализуются электронами тока проводимости в пластине. В результате на поверхности медной пластины образуется пленка водорода, которая, с одной стороны, увеличивает внутреннее сопротивление элемента, а с другой, создает дополнительный электрохимический потенциал, направленный против потенциала, существовавшего там до образования пленки. В результате всех этих процессов э. д. с. элемента уменьшается. Такие процессы называются поляризацией элемента.
Способы деполяризации. Чтобы избежать падения э. д.с., используют различные способы деполяризации.
1. Использование двух жидкостей, подобранных так, что на электродах не происходит выделения новых веществ. Для каждого электрода подбирается подходящая жидкость. Жидкости разделяют перегородкой, которая, с одной стороны, предохраняет их от смешивания, а с другой стороны, не препятствует обмену ионами. Например, в элементе Даниэля в качестве жидкостей берутся медный купорос $\mathrm{CuSO}_{4}$ и раствор $\mathrm{ZnSO}_{4}$ (рис. 115), причем в медный купорос опускается медная пластина, а в раствор $\mathrm{ZnSO}_{4}$ – цинковая. Цинк переходит в раствор серной кислоты в виде иона $\mathrm{Zn}^{++}$. Электроны с медной пластины переходят в раствор медного купороса и нейтрализуют ион $\mathrm{Cu}^{++}$, в результате чето медь осаждается из раствора на медную пластинку. Оставшиеся в растворе ионы $\mathrm{SO}_{4}^{-}$- проникают через перегородку в другую часть элемента, соединяются там с $\mathrm{Zn}^{++}$, а образовавшийся в результате этого избыток $\mathrm{ZnSO}_{4}$ выпадает на дно в виде осадка. Таким образом, при работе элемента никакой поляризации не возникает, а лишь происходит обеднение раствора медного купороса $\mathrm{CuSO}_{4}$. Его требуется пополнять.
2. Использование сильных окислителей, которые связывают водород и кислород с образованием воды. расходуемые при работе в качестве источника тока, накапливаются при пропускании через аккумулятор тока от постоянного источника. Такая процедура называется зарядкой аккумулятора.

Наиболее распространенным является свинцовый аккумулятор, состоящий из двух свинцовых пластин, опущенных в раствор серной кислоты. При этом на электродах образуется сернокислый свинец $\mathrm{PbSO}_{4}$, которым насыщается весь раствор. Пропускание через аккумулятор тока при зарядке сопровождается окислением свинца электрода, соединенного с положительным полюсом заряжающего устройства, до перекиси $\mathrm{PbO}_{2}$ и восстановлением другого электрода до чистого свинца. Таким образом, заряженный аккумулятор имеет одну пластину с перекисью $\mathrm{PbO}_{2}$, а другую из чистого свинца и электролит, состоящий из раствора $\mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4}$, насыщенного сернокислым свинцом $\mathrm{PbSO}_{4}$. При работе аккумулятора его пластина с перекисью $\mathrm{PbO}_{2}$ является положительным полюсом и постепенно восстанавливается с образованием $\mathrm{PbSO}_{4}$. Отрицательная пластина, состоящая из чистого свинца, при работе аккумулятора постепенно покрывается сернокислым свинцом. В результате этого аккумулятор разряжается. Э. д. с. свинцового аккумулятора при максимальной зарядке равна примерно 2,7 В. Однако уже при небольшой разрядке она падает до 2,2 В и на этом уровне сохраняется длительное время, лишь медленно уменьшаясь при работе аккумулятора. Минимально допустимая э. д. с., при которой зарядка полностью восстанавливает свойства аккумулятора, считается равной 1,85 В. При разрядке до меньших э. д. с. аккумулятор портится.

Важной характеристикой аккумулятора является его емкость, определяемая как полный заряд, который может отдать аккумулятор при разрядке, и выражаемая в ампер-часах.