5. Постоянный электрический ток

Изученные вопросы:

2.1. Электрический ток и его характеристики

2.2. Уравнение непрерывности

2.3. Закон Ома. Сопротивление проводников

Самостоятельно (по учебнику Калашникова):

1) Действия электрического тока. Баллистический гальванометр.

2) Измерение сопротивлений (схема моста). Делитель напряжения.

3) Зависимость сопротивления вещества от температуры. Температурный коэффициент сопротивления вещества.

4) Исследование электрических полей с помощью электрического зонда и электролитической ванны.

5) Применение заземления в линиях связи.

6) Компенсационный метод измерения э.д.с. с помощью потенциометра.

7) Мощность во внешней цепи и к.п.д. источника.

5.1. Источники тока. Электродвижущая сила

Присоединим проводник к обкладкам заряженного конденсатора. Образуется замкнутая электрическая цепь. По проводнику пойдет электрический ток. Конденсатор будет постепенно разряжаться – напряжение на его обкладках будет уменьшаться. В согласии с законом Ома уменьшение напряжения на проводнике ведет к уменьшению силы тока в нем.

Вывод: Силы электростатической природы не могут поддерживать постоянный ток в замкнутой электрической цепи.

Для получения постоянного тока на заряды в ней должны действовать силы неэлектростатической природы, которые называются сторонними силами.

Определение: Всякое устройство, в котором возникают сторонние силы, называется источником тока.

Примером источника тока служит гальванический элемент, в котором сторонними силами являются силы химической природы. На рис. 5.1 показана электрическая цепь, содержащая гальванический элемент и внешнее сопротивление . Протекание тока через этот элемент сопровождается химической реакцией. В большинстве элементов основная реакция состоит в растворении цинкового катода в электролите. В растворе появляются продукты реакции. Например, в элементе Вольты протекает реакция

.

Энергия химической реакции – та энергия, которая освобождается в гальваническом элементе. Мерой освобождаемой энергии служит тепловой эффект реакции.

Гальванический элемент оказывает сопротивление протеканию тока, которое называется внутренним сопротивлением источника тока. Внутреннее сопротивление складывается из сопротивлений электролита и электродов.

Рис. 5.1. Электрическая цепь с гальваническим элементом

Считаем, что элемент работает в квазистатическом режиме, когда он поддерживается при постоянной температуре и вырабатывает слабый ток (теоретически – бесконечно малый). К замкнутой цепи рис. 5.1 применим первое начало термодинамики (закон сохранения энергии):

где - работа сторонних сил (для рис. 5.1 – химической природы), которая совершается по переносу заряда по замкнутой цепи за некоторое время, - количество теплоты, которое выделяется при протекании химической реакции за то же время, и - количество теплоты, которым источник обменивается с окружающей средой для поддержания температуры источника постоянной.

При квазистатическом процессе работа химической реакции максимальна, так как при не квазистатических процессах возникают дополнительные потери энергии, вызванные, например, однородности среды в источнике. Величина максимальной работы пропорциональна величине заряда, переносимого по замкнутому контуру цепи:

(7.1)

где - электродвижущая сила источника тока, которая является мерой работы сторонних сил, затрачиваемой на перенос единичного заряда по замкнутой цепи.