Источниками электрическою тока яв­ляются батареи, аккумуляторы, динамомашины, различные виды генерато­ров и т. д. Они производят элект­роэнергию за счет какого-нибудь дру­гого вида энергии, например, химиче­ской, механической, тепловой и пр. Следовательно, и вслучаях с источни­ками электрического тока закон сохра­нения энергии остается в силе.

Каждый источник тока имеет свойство при замыкании цепи создавать в проводниках электрическое поле, ко­торое с определенной силой действует на свободные электроны. Поэтому го­ворят, что каждый источник тока имеет определенную электродвижу­щую силу (ЭДС).

Источники электрического тока электронов не производят, но создан­ное ими электрическое поле приводит в движение свободные электроны, находящиеся всамих проводниках. В этом отношении любой источник тока можно сравнить с насосом, который приводит в движение воду в замкнутой системе труб (рис. 3.3б). Насос пере­дает энергию турбине так же, как бата­рейка передает энергию лампочке. Оче­видно, в любой неразветвленной систе­ме количество воды, протекающей в толстых и тонких трубах за единицу времени, одно и то же, только по тон­ким трубам частицы воды движутся с большей

скоростью. По аналогии можно сказать, что величина тока в неразветвленной электрической цепи везде одна та же, только в проводниках большего диаметра электроны движутся медленнее, чем в более тонких проводниках.

Скорость электрического тока

Электрическое поле распространяется по проводам со скоростью 300 000 ки­лометров в секунду. Эта скорость так велика, что за одну секунду поле может обойти земной шар около восьми раз!

Скорость направленного движения электронов в проводниках намного меньше и зависит от плотности тока.

По накаленной нити электрической лампочки электроны движутся со ско­ростью 1-2 сантиметра в секунду, в то время как в шнурах и кабелях эта ско­рость не превышает 2-3 миллиметров в секунду. Здесь может возникнуть воп­рос: почему же говорят, что скорость электрического тока огромна?

Для того, чтобы разобраться в этом, представим себе несколько десят­ков кубиков, плотно сложенных по прямой линии на гладкой поверхности. Если толкнем первый кубик, то толчок дойдет до последнего кубика почти мо­ментально, однако, скорость каждого кубика в отдельности не будет очень большой. Таким же образом при за­мыкании электрической цепи электри­ческое поле распространяется по про­воднику с огромной скоростью и по­чти одновременно приводит в движение как близкие, так и дальние электроны. Вот почему и принято считать, что электрический ток распространяется по проводникам со скоростью около 300 000 километров в секунду.

Направление электрического тока

Мы уже выяснили, что в металлах электрический ток обусловлен только одним видом носителей зарядов – электронами. Однако в электролитах электрический ток обусловлен как электронами, так и положительными ионами. Подобную картину наблю­даем

и в полупроводниках, где элект­рический ток обусловлен двумя видами заряженных частиц: электронами и дырками (дырки имеют свойства поло­жительно заряженных частиц, т. к. представляют собой места, в которых отсутствуют электроны). На рис. 3.4а условно показан полупроводник, по ко­торому не течет ток. Видно, что элект­роны и дырки движутся хаотично в различных направлениях вследствие теплового колебания. Если же полу­проводник соединен с источником то­ка, то возникает электрическое поле, и дырки начинают двигаться в направле­нии поля, а электроны – навстречу по­лю (рис. 3.4б).

Еще в прошлом веке было принято под направлением электрического тока понимать направление движения положительно заряженных зарядов (тогда еще не знали, что ток в металлах обусловлен только электронами). По традиции это правило сохранилось и до сих пор. Поэтому согласно этому правилу, направление тока в металлах противоположно направлению движения электронов. Следовательно, ток во внешней цепи течет в направлении от положительного полюса к отрицательному.

Когда говорят об использовании электрической энергии в быту, на производстве или транспорте, то имеют в виду работу электрического тока. Электрический ток подводят к потребителю от электростанции по проводам. Поэтому, когда в домах неожиданно гаснут электрические лампы или прекращается движение электропоездов, троллейбусов, говорят, что в проводах исчез ток.

Что же такое электрический ток и что необходимо для его возникновения и существования в течение нужного нам времени?

Слово «ток» означает движение или течение чего-то.

Что может перемещаться в проводах, соединяющих электростанцию с потребителями электрической энергии?

Мы уже знаем, что в телах имеются электроны, движением которых объясняются различные электрические явления (см. § 30). Электроны обладают отрицательным электрическим зарядом. Электрическими зарядами могут обладать и более крупные частицы вещества - ионы. Следовательно, в проводниках могут перемещаться различные заряженные частицы.

Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Под действием этого поля заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться в проводнике, придут в движение в направлении действия на них электрических сил. Возникнет электрический ток.

Чтобы электрический ток в проводнике существовал длительное время, необходимо всё это время поддерживать в нем электрическое поле. Электрическое поле в проводниках создаётся и может длительное время поддерживаться источниками электрического тока .

Источники тока бывают различные, но во всяком из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделённые частицы накапливаются на полюсах источника тока. Так называют места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют проводники. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой - отрицательно. Если полюсы источника соединить проводником, то под действием электрического поля свободные заряженные частицы в проводнике начнут двигаться в определённом направлении, возникнет электрический ток.

Рис. 44. Электрофорная машина

Рис. 45. Превращение внутренней энергии в электрическую

В источниках тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение механической, внутренней или какой-нибудь другой энергии в электрическую. Так, например, в электрофорной машине (рис. 44) в электрическую энергию превращается механическая энергия. Можно осуществить и превращение внутренней энергии в электрическую. Если две проволоки, изготовленные из разных металлов, спаять, а затем нагреть место спая, то в проволоках возникнет электрический ток (рис. 45). Такой источник тока называется термоэлементом . В нём внутренняя энергия нагревателя превращается в электрическую энергию. При освещении некоторых веществ, например селена, оксида меди (I), кремния, наблюдается потеря отрицательного электрического заряда (рис. 46). Это явление называется фотоэффектом . На нём основано устройство и действие фотоэлементов . Термоэлементы и фотоэлементы изучают в курсе физики старших классов.

Рис. 46. Превращение энергии излучения в электрическую

Рассмотрим более подробно устройство и работу двух источников тока - гальванического элемента и аккумулятора , которые будем использовать в опытах по электричеству.

В гальваническом элементе (рис. 47, а) происходят химические реакции, и внутренняя энергия, выделяющаяся при этих реакциях, превращается в электрическую. Изображённый на рисунке 47, б элемент состоит из цинкового сосуда (корпуса) Ц. В корпус вставлен угольный стержень У, у которого имеется металлическая крышка М. Стержень помещён в смесь оксида марганца (IV) Мn0 2 и размельчённого углерода С. Пространство между цинковым корпусом и смесью оксида марганца с углеродом заполнено желеобразным раствором соли (хлорида аммония NH 4 CI) P.

Рис. 47. Гальванический элемент (батарейка)

В ходе химической реакции цинка Zn с хлоридом аммония NH4CI цинковый сосуд становится отрицательно заряженным.

Оксид марганца несёт положительный заряд, а вставленный в него угольный стержень используется для передачи положительного заряда.

Между заряженными угольным стержнем и цинковым сосудом, которые называются электродами , возникает электрическое поле. Если угольный стержень и цинковый сосуд соединить проводником, то по всей длине под действием электрического поля свободные электроны придут в упорядоченное движение. Возникнет электрический ток.

Гальванические элементы - самые распространённые в мире источники постоянного тока. Их достоинством является удобство и безопасность в использовании.

В быту часто применяют батарейки, которые можно подзаряжать многократно, - аккумуляторы (от лат. аккумуляторе - накоплять). Простейший аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин (электродов), помещённых в раствор серной кислоты.

Чтобы аккумулятор стал источником тока, его надо зарядить. Для зарядки через аккумулятор пропускают постоянный ток от какого-нибудь источника. В процессе зарядки в результате химических реакций один электрод становится положительно заряженным, а другой - отрицательно. Когда аккумулятор зарядится, его можно использовать как самостоятельный источник тока. Полюсы аккумуляторов обозначены знаками « + » и « - ». При зарядке положительный полюс аккумулятора соединяют с положительным полюсом источника тока, отрицательный - с отрицательным полюсом.

Кроме свинцовых, или кислотных, аккумуляторов широко применяют железоникелевые, или щелочные, аккумуляторы. В них используется раствор щёлочи и пластины - одна из спрессованного железного порошка, вторая - из пероксида никеля. На рисунке 48 изображён современный аккумулятор.

Рис. 48. Аккумулятор

Аккумуляторы имеют широкое и разнообразное применение. Они служат для питания сети освещения железнодорожных вагонов, автомобилей, для запуска автомобильного двигателя. Батареи аккумуляторов питают электроэнергией подводную лодку под водой. Радиопередатчики и научная аппаратура на искусственных спутниках Земли также получают электропитание от аккумуляторов, установленных на спутнике.

а - мобильного телефона; б - ноутбука

На электростанциях электрический ток получают с помощью генераторов (от лат. генератор - создатель, производитель). Этот электрический ток используется в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве.

Вопросы

1. Что такое электрический ток?
2. Что нужно создать в проводнике, чтобы в нём возник и существовал ток?
3. Какие превращения энергии происходят внутри источника тока?
4. Как устроен сухой гальванический элемент?
5. Что является положительным и отрицательным полюсами батареи?
6. Как устроен аккумулятор?
7. Где применяются аккумуляторы?

Задание

1. С помощью Интернета найдите, какие существуют типы зарядных устройств и выделите их особенности.
2. Подготовьте презентацию о применении аккумуляторов.

Такое понятие, как источник тока, имеет несколько трактовок. Одна из них – это строгое физическое определение, другая – устоявшийся термин, причем не только в бытовой среде, но и среди профессионалов. Оба варианта имеют право на существование в том случае, если из прямых указаний или из контекста ясно, какое из определений имеется в виду.

Что такое источник тока

Будучи синонимами, оба термина имеют различное значение, хотя и относятся к электротехнике. Что они означают:

• Элемент электрической цепи, создающий постоянный ток, значение которого не зависит от сопротивления нагрузки и напряжения. Может иметь равнозначные термины: идеальный источник тока или токовый генератор. Данная формулировка используется в теоретической электротехнике для описания работы электрических цепей;
• Устройство электропитания (электрической энергии). Устоявшаяся терминология в практической области. Может означать источники питания постоянного тока (химические, аккумуляторы и т.д.), переменного тока (генераторы, трансформаторы).

Теоретическая электротехника

Источник тока, как и источник напряжения, используется в электротехнике для моделирования реальных устройств питания цепей с некоторыми допущениями.

Идеальный источник характеризуется следующими параметрами:

• Значение тока, протекающего через него, всегда постоянно, вне зависимости от значения нагрузки;
• Выходное напряжение зависит лишь от сопротивления нагрузки и определяется по закону Ома при условии, что I = const :

• Внутренняя проводимость бесконечно мала.

Из определения следует, что при увеличении сопротивления нагрузки напряжение и мощность, которые отдает источник тока, увеличиваются, стремясь к бесконечности.

Реальный источник тока имеет некоторое внутреннее сопротивление, аналогично реальному источнику напряжения, поэтому характеристики будут соответствовать определению только в некотором диапазоне сопротивления нагрузки. В частности, с некоторым приближением, таковым можно считать вторичную обмотку мощного трансформатора тока, включенного в цепь переменного тока.

В теоретической электротехнике существует возможность взаимного преобразования токовых генераторов источников напряжения, то есть можно выбрать наиболее удобное для дальнейших расчетов отображение.

Применение

Источники с характеристиками, приближенными к идеальным, имеют и практическое применение. Яркий пример – зарядное устройство для аккумуляторов. Для заряда современных аккумуляторных батарей используются устройства, которые формируют зарядное напряжение по специальным алгоритмам, но наиболее просто и не менее надежно (особенно для простых кислотных и щелочных батарей) производить зарядку стабильным током до тех пор, пока напряжение на выходе не сравняется с ЭДС аккумуляторной батареи. К ним также можно отнести аппараты для электродуговой сварки, которые стабилизируют ток дуги для получения однородного сварного шва, вне зависимости от длины дуги.

В аналоговой схемотехнике применяются источники, сконструированные на основе биполярных и полевых транзисторов. Они применяются для питания дифференциальных и операционных усилителей, измерительных и сравнивающих мостовых схем.

Практическая электротехника

В практической электротехнике источниками тока именуются все, без исключения, устройства питания, хотя большинство из них относится к классу источников напряжения. К ним относятся преобразователи любых видов энергии в электрическую:

• Химические источники тока;
• Физические;
• Вторичные устройства электропитания.

Химические источники тока

К таким устройствам относятся такие, которые вырабатывают электрическую электроэнергию в результате химических процессов, в частности, окислительно-восстановительных реакций. Это:

• Устройства однократного применения – гальванические элементы;
• Устройства многократного применения – аккумуляторы;
• Электрохимические генераторы (топливные элементы).

Гальванические элементы реализуются наиболее просто, чем и объясняется то, что они были созданы самыми первыми. Особенность гальванических элементов – способность работать длительное время при небольших отборах мощности. Отрицательная сторона – при исчерпании запаса энергии химического преобразования элемент подлежит утилизации. Некоторые типы, например, щелочные элементы, допускают регенерацию в конце службы путем заряда со стороны внешнего блока питания, но эффективность таких действий невысока и является временным выходом из положения.

Аккумуляторы рассчитаны на многократное повторение циклов разряд-заряд. Восстановление емкости производится от зарядного устройства. Аккумуляторы способны выдавать в импульсе большие значения мощности, а некоторые типы рассчитаны на длительную работу в буферном режиме.

Количество циклов работы ограничено, но даже с этим условием использование аккумуляторов экономически более выгодно, чем гальванических элементов.

Работа источника тока на электрохимическом генераторе по принципу выработки электроэнергии подобна гальваническому элементу, но в нем используется химическая реакция между веществами, подаваемыми в активную область непрерывно. Срок службы ограничивается запасом химических веществ.

Все химические устройства вырабатывают постоянный ток, и для получения переменного требуется использование преобразователя.

Физические источники

Данные устройства основаны на физических принципах выработки электроэнергии, преобразуя в нее энергию других видов:

• Тепловую;
• Механическую;
• Атомную;
• Солнечную.

Наиболее мощные преобразователи используют первые три типа энергии и работают на одном принципе. Это тепловые, атомные и гидроэлектростанции. Тепло при сгорании углеводородного топлива или распада атомного ядра используется для нагрева жидкости (воды), которая в виде пара под давлением крутит вал турбины генератора.

Гидроэлектростанции используют для вращения генераторов энергию падающей воды.

Все эти генераторы могут вырабатывать переменный или постоянный ток, но, главным образом, первый из них, поскольку его легко трансформировать для других значений напряжения.

Существуют устройства, способные преобразовать тепловую энергию в электричество напрямую, без промежуточного использования воды, но они имеют ограниченное распространение из-за низкого КПД и эффективности.

Солнечные элементы (фотоэлементы) производят прямое преобразование энергии света в постоянный ток. В настоящее время КПД промышленных образцов солнечных батарей невысок, для устойчивой работы необходимо наличие прямого попадания солнечных лучей на фотопреобразователи. Служат основным источником электроэнергии на космических кораблях, работающих на ближайших к солнцу орбитах. С удалением от солнца энергия лучей падает пропорционально квадрату расстояния, поэтому приходится переходить на электрохимические генераторы.

Вторичные источники электропитания

Выходные параметры устройств питания не всегда соответствуют требованиям. Многие области применения требуют подачи различного по величине и другим характеристикам питающего напряжения.

Преобразование к нужным параметрам производится во вторичных блоках электропитания. Схемы построения во многом зависят от типа входного напряжения. Для преобразования напряжения постоянного тока используются, в основном, инверторные преобразователи, которые при помощи мощных транзисторных ключей формируют импульсы высокой частоты. Высокочастотный сигнал поступает на трансформатор, со вторичных обмоток которого снимается необходимое напряжение.

Для преобразования переменного напряжения применяется обычный трансформатор, но может использоваться и инверторная схема с предварительным выпрямлением входного напряжения.

Использование терминов зависит от того, в какой из областей их применение. Для строгости понятий термин «Источник тока» следует использовать только для определения идеального источника, в остальных случаях более корректным будет употребление формулировки «источник напряжения», питания, генератор.

Видео

Электрический ток - направленное, упорядоченное движение электрических зарядов.

Электрические заряды могут быть разными. Это могут быть электроны или ионы (положительно или отрицательно заряженные).
Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Под действием поля электрические заряды начнут перемещаться, возникнет электрический ток.

Обрати внимание!

Условия существования электрического тока:

Наличие свободных электрических зарядов;
наличие электрического поля, которое обеспечивает движение зарядов;
замкнутая электрическая цепь.

Электрическое поле создают источники электрического тока.

Источник тока - это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.

В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника.

Существуют различные виды источников тока:

Механический источник тока - механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Сюда относятся: электрофорная машина, динамо-машина, генераторы.

Диски электрофорной машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щёток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака.

Тепловой источник тока - внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.

К нему относится термоэлемент. Две проволоки из разных металлов спаяны с одного края. Затем место спая нагревают, тогда между другими концами этих проволок появляется напряжение.

Световой источник тока - энергия света преобразуется в электрическую энергию. Сюда относится фотоэлемент.

При освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.

Химический источник тока - в результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую.
К нему относится, например, гальванический элемент.

В цинковый сосуд Ц вставлен угольный стержень У, у которого имеется металлическая крышка М. Стержень помещён в полотняный мешочек, наполненный смесью оксида марганца с углём С. Пространство между цинковым корпусом и смесью оксида марганца с углём заполнено желеобразным раствором соли Р. В результате химической реакции цинк приобретает отрицательный заряд, а угольный стержень - положительный заряд. Между заряженным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле. В таком источнике тока уголь является положительным электродом, а цинковый сосуд - отрицательным электродом.

Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания. Они являются одноразовыми. В быту часто используют батарейки, которые можно подзаряжать многократно. Их называют аккумуляторами.

Простейший аккумулятор состоит из сосуда, наполненного слабым раствором серной кислоты в воде, в который опущены две свинцовые пластины (электроды). Чтобы аккумулятор стал источником тока, его надо зарядить. Если обе пластины соединить с полюсами какого-либо источника электрической энергии, то электрический ток, проходя через раствор, зарядит один электрод положительно, а другой - отрицательно. Такие аккумуляторы называют кислотными или свинцовыми. Кроме них ещё существуют щелочные или железоникелевые аккумуляторы. В них используется раствор щёлочи и пластины: одна - из спрессованного железного порошка, а вторая - из пероксида никеля.
Аккумуляторы используют в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах, железнодорожных вагонах и даже на искусственных спутниках Земли.
Наряду с источниками тока существуют различные потребители электроэнергии: лампы, пылесосы, компьютеры и многие другие. Чтобы электроэнергию доставить от источника до потребителя, необходимы соединительные проводники, а чтобы её поступлением можно было управлять, нужны рубильники, выключатели, кнопки и т.д.

Обрати внимание!

Источник электроэнергии, потребители электроэнергии, замыкающие устройства, соединённые между собой проводами, называют электрической цепью.

Чтобы в цепи существовал электрический ток, она должна быть замкнутой, т.е. состоять из проводников электричества. Если в каком-либо месте провод разорвётся, то ток в цепи прекратится. На этом основано действие выключателей.

Обрати внимание!

Чертежи, на которых изображаются способы соединения электрических приборов в цепь, называют схемами.

Приборы на схемах обозначают условными знаками. Вот некоторые из них:

Давайте попробуем разобраться, что же все таки называют источником тока и как он обозначается в различных схемах.

Обычно источник тока условно отображается так, как указано на рисунке ниже:

При этом на схемах он изображается следующим образом:

Здесь изображен источник тока в составе генератора тока , собранного с использованием биполярных транзисторов.

Источником или генератором тока обычно называют двухполюсник, создающий ток, который не зависит от присоединенного к нему сопротивлению нагрузки. И часто такое название дают любому источнику электрического напряжения (розетке, генератору, батарее и т.п.). Но если говорить только в физическом смысле, такое обозначение нельзя называть правильным, наоборот - источники напряжения, применяемые для бытовых целей, скорее можно назвать источниками ЭДС.

На вышеуказанной схеме содержится источник тока в составе схемы замещения триполярного транзистора. Стрелка служит указателем положительного направления тока. При этом ток, генерируемый этим источником, зависит от напряжения на другом участке данной схемы.

Разница между идеальным и реальным источниками тока.

Идеальный источник тока имеет напряжение на клеммах, зависящее только от того, какое сопротивление возникает на внешней цепи: U=L*R

Чтобы определить, какую мощность источник тока отдает в сеть, используется следующая формула: P=L 2 *R

При этом следует учитывать следующее уравнение: L= const

Это позволяет понять, что мощность и напряжение, выделяемые источником тока, будут неограниченно расти, если будет расти сопротивление.

Реальный источник тока в линейном приближении можно описать внутренним сопротивлением. В этом он очень схож с обычным . Различие между ними состоит в следующем: с увеличением внутреннего сопротивления источник тока приближается по параметрам к идеальному, а источник ЭДС приближается к идеальному по мере того, как внутреннее сопротивление уменьшается.

Реальный источник тока с показателем внутреннего сопротивления r и реальный источник ЭДС будут эквивалентными при соблюдении условия:

Реальный источник тока будет иметь напряжение на клеммах:

При силе тока, равной:

И мощности, определяемой по формуле:

Катушку индуктивности, по которой на протяжении некоторого времени проходил ток от внешнего источника после его отключения, можно назвать источником тока.

Это объясняет искрение контактов, происходящее, когда индуктивная нагрузка быстро отключается. Пробой зазора возникает из-за сохранения тока при резком увеличении уровня сопротивления.

Если первичная обмотка трансформатора подключена к мощной линии переменного тока , его вторичную обмотку можно рассматривать как идеальный источник тока , но переменного, а не постоянного, что приводит к невозможности размыкания его вторичной цепи. Это значит, что вторичная обмотка должна быть шунтирована.

Реальный генератор обладает рядом ограничений, среди которых следует отметить одно - ограничение по напряжению на выходе. Например, реальный источник тока работает только с тем диапазоном напряжений, верхний порог которого зависит от того, каким будет напряжение, питающее источник. Это приводит к наличию некоторых ограничений по нагрузке.

Такой источник тока нашел широкое применение во многих сферах. Например, для работы в паре с дифференциальными усилителями и измерительными мостами в аналоговой схемотехнике.