Источник передаёт энергию, а не расходует заряд
Меняй ЭДС, напряжение нагрузки и прошедший заряд. Проследи распределение энергии.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Установившийся режим. U задаётся долей ℰ, энергия ℰq распределяется между нагрузкой и внутренней частью. Носители условные.
Условия: носители и поддерживаемое поле
Электрический ток — направленное движение заряженных частиц. Для тока проводимости нужны свободные носители и электрическое поле. Постоянный ток сохраняет силу и направление во времени: I = Δq/Δt для проходящего через сечение заряда.
Направление тока принято по движению положительных носителей. В металле электроны дрейфуют противоположно этому направлению. Хаотическое движение без среднего направленного переноса само по себе не создаёт ток.
Носители
Могут перемещаться по среде
Поле
Вызывает направленный дрейф
Источник и замкнутая цепь
Поддерживают длительный ток
Направление тока в металле противоположно дрейфу электронов.
Почему заряженный конденсатор не обеспечивает постоянный ток бесконечно долго?
При разрядке уменьшаются его заряд и напряжение, поэтому прежнее поле не поддерживается.
Источник: разделение зарядов
Внешнее электростатическое поле перемещает положительный заряд от большего потенциала к меньшему. Для возвращения зарядов внутри источника необходимо действие неэлектростатической природы — сторонних сил.
В химическом источнике это действие связано с химическими процессами; в генераторе — с преобразованием механической энергии. Название «сторонние» не означает отдельный новый фундаментальный вид силы: оно выделяет механизм, поддерживающий разделение зарядов.
Источник разделяет заряды
Затрачивает энергию
Поле во внешней цепи
Вызывает направленный перенос
Замкнутый путь
Позволяет повторять процесс
Источник поддерживает разделение зарядов за счёт преобразования энергии.
Создаёт ли батарея новые электроны для каждого витка тока?
Нет. Она поддерживает движение уже имеющихся носителей, совершая работу по разделению зарядов.
Химический элемент типоразмера AA
Химический источник поддерживает разделение зарядов за счёт химической энергии. Носители заряда циркулируют, а энергия передаётся нагрузке.
Solomon203 · CC BY 3.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Цифровой мультиметр
При работе с цепью различай ток, напряжение и сопротивление. ЭДС выражают в вольтах, хотя в названии присутствует слово «сила».
André Karwath aka Aka · CC BY-SA 2.5 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
ЭДС: работа на единицу заряда
Электродвижущая сила ℰ = Aст/q характеризует работу сторонних сил на единицу положительного заряда. Несмотря на название, ЭДС измеряется в вольтах, а не в ньютонах. Если на перенос 2 Кл сторонние силы затратили 12 Дж, ℰ = 6 В.
ЭДС и напряжение на зажимах — разные величины. При разомкнутой цепи идеализированный вольтметр показывает напряжение, близкое к ЭДС. При токе часть энергии передаётся внутри источника, поэтому напряжение на нагрузке обычно меньше.
| Величина | Смысл | Единица |
|---|---|---|
| ЭДС ℰ | Работа сторонних сил на заряд | В |
| Напряжение U | Энергия на заряд между двумя точками | В |
| Сила F | Мера взаимодействия | Н |
ЭДС является энергетической характеристикой источника и измеряется в вольтах.
Почему слово «сила» в названии не даёт единицу ньютон?
Это историческое название. Определение A/q задаёт единицу Дж/Кл, то есть вольт.
Баланс: путь одного заряда
В модели заряд проходит источник и внешнюю часть цепи. Для переноса q источник преобразует энергию ℰq. Она распределяется между внешней нагрузкой и внутренними потерями источника, если запас энергии цепи не меняется.
При ℰ = 6 В и q = 2 Кл полная энергия 12 Дж. Если на нагрузке U = 5 В, туда передано 10 Дж, оставшиеся 2 Дж относятся к внутренней части. Заряд не «расходуется» в лампе; передаётся энергия.
Полная энергия источника
Aст = ℰq
Во внешней части
Aвнеш = Uq
Внутри источника
Разность при установившемся режиме
В цепи сохраняется заряд, а энергия преобразуется и передаётся.
Почему ток до лампы и после неё одинаков в последовательной цепи?
В установившемся режиме заряд не накапливается внутри лампы. Одинаковый заряд проходит через её вход и выход за одинаковое время.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 10 класс», § 25. Тема и содержание сверены с файлом «10 класс. Физика — § 25. Условия существования постоянного электрического тока. Сторонние силы.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.