§ 56. Электродвижущая сила источника тока

Выясним, какая величина является основной характеристикой источника тока. Любой источник тока имеет два полюса: положительный и отрицательный. Чтобы он имел эти полюсы, необходимо внутри его собрать свободные положительные заряды на одном полюсе, а отрицательные - на другом. Для этого надо совершить работу. Эту работу не могут совершить электростатические силы, так как разноименные заряды притягиваются, а их надо разъединить. Работа по накоплению зарядов производится не электростатическими силами, а сторонними. Природа последних может быть различна. Например, в генераторах электрического тока разделение зарядов осуществляется силам магнитного поля, в аккумуляторах и гальванических элементах - химическими. Исследование источников тока показывает, что отношение работы сторонней силы к заряду, накопленному на полюсе, для данного источника тока есть величина постоянная и называется электродвижущей силой источника тока:

Электродвижущая сила источника тока

Скалярная величина, являющаяся характеристикой источника тока и измеряемая работой, совершенной сторонней силой внутри его по накоплению на каждом полюсе по 1 к заряда, называется электродвижущей силой источника тока. Заряд в 1 к, накопленный на полюсе источника тока, обладает потенциальной электрической энергией, численно равной э. д. с. источника.

Единица э. д. с.

Рис. 75. К понятию э. д. с. источника тока

Замерим э. д. с. источника тока. К демонстрационному гальваническому элементу подключим вольтметр (рис. 75, а)^*. Меняя взаимное расположение электродов в электролите, а также величину погружения их в электролит, видим, что показания вольтметра (1,02 в) не изменяются. Э. д. с. не зависит от размера источника тока. Она зависит только от природы сторонних сил, вызывающих накопление зарядов на полюсах. Каждый источник тока имеет свою э. д. с.

^* (При таком замере э. д. с. показание вольтметра будет немного меньше, чем величина э. д. с. Чем больше сопротивление катушки вольтметра по сравнению с внутренним сопротивлением источника, тем меньше будет эта разница, что и наблюдается в описываемом опыте.)

При замыкании электрической цепи источник тока образует в проводах стационарное электрическое поле и передает ему энергию, накопленную зарядами на его полюсах. За счет этой энергии стационарное поле совершает работу на образование тока, передавая ему свою энергию, которую потребитель тока преобразует в другие виды энергии.

Внутренняя часть цепи, которую составляет источник тока, как и любой проводник, обладает сопротивлением; оно называется внутренним сопротивлением источника тока r. У генератора тока внутренним сопротивлением является сопротивление обмотки якоря, у химических источников сопротивление электролита.

При замыкании цепи электрическое поле, перемещая заряд 1 к из точки А в точку В по внешнему участку цепи (рис. 75, б), совершает работу, которая численно равна напряжению U на этом участке. Достигнув полюса В, заряд 1 к должен перейти на внутренний участок цепи и переместиться на полюс А. Чтобы он снова оказался на полюсе А и имел такую же энергию Е, как и при выходе из точки А, над ним сторонние силы источника тока должны совершить работу, равную работе, затраченной на его перемещение по внешнему участку цепи, которая численно равна напряжению U на этом участке, плюс работа, затраченная на преодоление внутреннего сопротивления r источника. Последняя численно равна напряжению u на внутреннем участке цепи. Следовательно, э. д. с. источника численно равна Е = U + u.Электродвижущая сила численно равна работе, которую источник тока совершает, перемещая заряд 1 к по всей цепи.

Замерим напряжение на внешнем и внутреннем участках; цепи (рис. 75, в)^*. Вольтметр А показывает напряжение на внешнем сопротивлении R, а вольтметр В - на внутреннем; сопротивлении r. Меняя величину сопротивления внешней цепи; замечаем, что при этом изменяется напряжение на участках цепи (табл. 4).

^* (Щупы 1 и 2 изготовлены из толстого медного провода в хлорвиниловой изоляции, которая срезана со стороны, расположенной к середине сосуда. Щупы соприкасаются изоляцией с электродами.)

Таблица 4

Видим, что сумма напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи - величина постоянная (в пределах погрешностей опыта) и равна э. д. с. источника. Она показывает величину той энергии, которую источник тока в состоянии передать в электрическую цепь при перемещении по всей цепи заряда в 1 к.