Глава XIII. Постоянный электрический ток

§ 84. Электрический ток. Сила тока. Электродвижущая сила. Напряжение

Электрическим током называется упорядоченное (т. е. происходящее в определенном направлении) движение электрических зарядов. За направление тока принято считать направление движения положительных зарядов. Обычно электрический ток возникает под влиянием электрического поля.

Зарядим два проводника 1 и 2 разноименным электричеством до потенциалов и соединим их третьим проводником 3 (рис. 171). Разность потенциалов возникающая при этом на концах соединительного проводника, создает внутри него электрическое поле, направленное в сторону падения потенциала. Если соединительный проводник является проводником первого рода, то в нем под действием поля начнется перемещение отрицательных зарядов (электронов) в направлении 231, т. е. по проводнику пойдет ток в направлении 132.

Рис. 171

Количество электричества (величина заряда) проходящее за одну секунду через поперечное сечение проводника, называется силой тока

где промежуток времени прохождения заряда Ток, сила и направление которого не изменяются со временем, называется постоянным; в противном случае ток называется переменным.

Как уже отмечалось (см. § 74), в СИ единица силы тока — ампер является основной, установленной на основе взаимодействия двух параллельных проводников с током; точное определение ампера дано в § 100 и в приложении II. По формуле же (1) устанавливается единица заряда в кулон (см. § 74).

Возвращаясь к рис. 171, заметим, что движение электронов по соединительному проводнику приведет к разрядке проводников 1 и 2 и к ликвидации разности потенциалов между ними. В результате напряженность поля внутри проводника будет равна нулю и ток прекратится. Для поддержания постоянного тока необходимо иметь специальное устройство внутри которого все время происходило бы разделение разноименных зарядов и перенос положительных зарядов на проводник а отрицательных — на проводник 2. Такое устройство называется генератором, или источником тот.

Очевидно, что силы, разделяющие заряды в генераторе, имеют неэлектрическую природу, так как электрические силы могут только

соединять, но не разделять разноименные заряды. Поэтому силы, разделяющие заряды в источнике тока, называются сторонними электроразделительными силами. Природа сторонних сил может быть разнообразной. В генераторе постоянного тока эти силы возникают за счет энергии магнитного поля и механической энергии вращения якоря; в аккумуляторе и гальваническом элементе — за счет энергии химических реакций; в полупроводниковом фотоэлементе — за счет электромагнитной энергии (света) и т. п.

Итак, простейшая электрическая цепь постоянного тока должна состоять из соединительного проводника 3 и источника тока непрерывно заряжающего проводники I и 2, называемые полюсами источника тока (см. рис. 171).

Разделению и переносу зарядов внутри источника тока препятствуют, во-первых, внутреннее электрическое поле, направленное от положительного полюса к отрицательному, и, во-вторых, сопротивление среды источника тока (например, вязкость электролита в аккумуляторе или в гальваническом элементе). Поэтому работа сторонней электроразделительной силы А слагается из работы совершаемой против сил электрического поля внутри источника тока, и работы совершаемой против сил сопротивления среды этого источника:

По величине работа

где арифметическая сумма зарядов (положительных и отрицательных), переносимых сторонней силой на полюсы источника тока вопреки действию электрического поля. Поэтому можно написать

Работа, совершаемая сторонней электроразделительной силой внутри источника при перемещении между его полюсами единичного заряда, называется электродвижущей силой источника тока Обозначив э. д. с. буквой получим

Если полюсы источника тока разомкнуты (соединительный проводник 3 отсутствует), то так как в этом случае сторонняя сила не перемещает зарядов внутри источника тока, а лишь поддерживает установившееся (на полюсах) разделение зарядов. Тогда, согласно формуле (2),

т. е. электродвижущая сила равна разности потенциалов на полюсах разомкнутого источника тока. Разность потенциалов на полюсах источника тока, замкнутого внешней электрической цепью, называется напряжением источника тока. Напряжение меньше э. д. с. на величину Таким образом, электродвижущая сила равна той максимально возможной разности потенциалов, которая устанавливается на полюсах данного источника тока, когда они разомкнуты. На любом участке внешней электрической цепи, т. е. между любыми двумя поперечными сечениями соединительного проводника 3, существует некоторая разность потенциалов она называется напряжением, или падением напряжения, на этом участке цепи (см. рис. 171).

Очевидно, что как электродвижущая сила, так и напряжение измеряются единицами потенциала (вольт).

Источники постоянного тока можно соединять между собой в батареи. Как правило, батареи составляются из источников, имеющих одинаковые электродвижущие силы. При последовательном соединении соседние источники присоединяются друг к другу разноименными полюсами; э. д. с. такой батареи равна сумме э. д. с. всех источников тока. При параллельном соединении положительные полюсы всех источников соединяют вместе; так же поступают и с отрицательными полюсами. В этом случае э. д. с. батареи остается равной э. д. с. отдельного источника; однако от такой батареи можно получить большую силу тока (равную сумме сил токов отдельных источников).