Глава III. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

§ 39. Электрический ток и электродвижущая сила.

Для равновесия зарядов на проводнике необходимо, как мы знаем, чтобы разность потенциалов между любыми точками проводника равнялась нулю. Если это условие нарушено, то равновесие не может иметь места, и в проводнике происходит перемещение зарядов, которое называется электрическим током. Таким образом, для получения тока достаточно создать разность потенциалов (напряжение) между какими-либо точками проводника.

Осуществим эти условия в следующем простом опыте, понятном из схемы, показанной на рис. 70. Левая половина схемы изображает электрическую машину, создающую разность потенциалов между обкладками  и  конденсатора емкости ; электрометр позволяет обнаружить и даже измерять эту разность потенциалов. На правой половине схемы показано, как осуществляется соединение двух обкладок конденсатора с помощью проводника, состоящего из соединительных проводов и лампочки. Для того чтобы сделать наглядными процесс создания напряжения между обкладками конденсатора и процесс соединения обкладок проводником, мы поместили в схему ключ. Повернув его влево, мы заряжаем конденсатор (создаем напряжение между его обкладками); повернув его вправо – осуществляем соединение обкладок с проводником. Заставим вращаться электрическую машину (рукой или моторчиком) и поставим ключ влево. Конденсатор начнет заряжаться, и электрометр покажет возникающее между обкладками напряжение. Перебросим ключ вправо. Лампочка на мгновение вспыхнет, а листки электрометра опадут, указывая, что напряжение между обкладками конденсатора упало до нуля, т. е. поле в конденсаторе исчезло. Вновь поворачивая ключ влево, мы повторим зарядку конденсатора, а перекладывая ключ опять вправо – вновь будем наблюдать вспышку лампочки, и т. д.

Рис. 70. Опыт для выяснения понятий о токе и э. д. с.: К – конденсатор, Л – лампочка карманного фонаря, Г – гальванометр, ЭМ – электрическая машина, Э – электрометр, Кл – ключ

Что происходит в этом опыте? Заряжая с помощью электрической машины конденсатор, мы производили разделение электрических зарядов. На одном полюсе машины, например , и, следовательно, на соединенной с ним обкладке  появлялся избыток электронов; на другом полюсе  (и обкладке ) – соответствующий недостаток электронов. Между полюсами (а следовательно, и между обкладками конденсатора) возникло напряжение (разность потенциалов), для чего, как мы знаем, требуется затратить работу (§38). В описываемом опыте эту работу производили мускулы руки или моторчик, вращающие машину. Когда проводник присоединяется к обкладкам, на концах его имеется разность потенциалов, и в проводнике возникает движение зарядов: электроны от места, где они имеются в избытке (), потекут к месту, где их недостает (). Заряд на обкладках быстро уменьшается, напряжение между ними падает, поле в конденсаторе исчезает, а в проводнике происходит движение зарядов (электрический ток), которое и проявляется в накале лампочки. Разряд конденсатора и протекание тока занимают малую долю секунды. Чтобы сделать явление более длительным, надо многократно повторять его, быстро перекладывая ключ из левого в правое положение и обратно, т. е. то заряжая, то разряжая конденсатор.

Конденсатор мы ввели только для того, чтобы с полной ясностью выделить две стороны процесса, обусловливающего электрический ток: а) создание и поддерживание напряжения (разности потенциалов) между двумя какими-либо точками; б) создание проводящей цепи, по которой происходит перенос зарядов между этими точками.

Вторая половина процесса осуществляется просто с помощью ключа, замыкающего разорванную цепь. Первая в нашем случае обеспечивалась работой электрической машины, разделяющей заряды. Конденсатор же служил для наглядного разделения всего сложного процесса на две стадии, последовательно протекающие одна за другой. Для существа дела эти две последовательные стадии совершенно не необходимы: обе стороны процесса могут идти одновременно и непрерывно, и, таким образом, роль конденсатора чисто иллюстративная. Можно обойтись без него, непосредственно соединив точки  и , т. е. осуществив замкнутую цепь от одного полюса машины к другому. В такой цепи во все время работы машины идет непрерывный электрический ток, ибо, несмотря на непрерывный переход электронов от  через провода и нить лампочки к , разность потенциалов между  и  все время восстанавливается благодаря работе машины. Правда, обычная электростатическая машина не могла бы поддерживать лампочку в светящемся состоянии. Машина разделяет за единицу времени лишь небольшие количества электричества, так что мощность ее, достаточная для питания отдельных, довольно частых вспышек, неспособна поддерживать непрерывный накал лампочки. Для регистрации непрерывного слабого тока пришлось бы использовать более чувствительный указатель (например, гальванометр). Итак, в этом опыте существенно необходимыми являются электрическая машина и проводник, соединяющий ее полюсы.

Из разобранного примера мы видим, что для поддержания в цепи проводников непрерывного тока необходимо, чтобы в этой цепи работало какое-то устройство, в котором все время происходят процессы, осуществляющие разделение электрических зарядов и тем самым поддерживающие напряжение в цепи. Это устройство называют источником или генератором электрического тока, а действующие в нем причины, обусловливающие разделение зарядов, получили название сторонних сил.

Сторонние силы, т. е. силы неэлектростатического происхождения, действуют лишь внутри источника тока. Разделяя заряды, эти силы создают разность потенциалов между концами остальной части цепи. В этой части движение зарядов обусловлено электрическим полем, возникающим в проводнике вследствие разности потенциалов между его концами.

При перемещении электрического заряда по замкнутой цепи работа, совершаемая электростатическими силами, равна нулю (§ 20). Следовательно, суммарная работа всех сил, действующих на заряд при таком перемещении, равна работе лишь сторонних сил. Поэтому электродвижущей силой  источника тока называется отношение работы , произведенной сторонними силами при перемещении положительного заряда  по замкнутому контуру тока, к этому заряду:

.                       (39.1)

Следует иметь в виду, что название «электродвижущая сила» (э. д. с.) нельзя понимать в буквальном смысле, поскольку ее размерность отличается от размерности силы или работы. Из сравнения формул (21.1) и (39.1) следует, что э. д. с.  выражается в вольтах. Для того чтобы еще более ясно представить весь разбираемый вопрос, воспользуемся аналогией между электрическим током и течением воды по трубе.

Хорошо известно, что для поддержания течения воды в трубе, несмотря на тормозящее действие трения, необходимо создать между точками трубы некоторую разность давлений. Эта разность давлений и движет воду. В водопроводе, например, эта разность давления создается с помощью водонапорной башни, уровень воды в которой выше, чем любая точка водопроводной сети. Разность уровней (или напор) вполне эквивалентна разности потенциалов (напряжению) электрической цепи, а наполненный водой бак на вершине башни играет роль заряженного конденсатора в разобранном нами примере. И подобно тому как при электрическом токе конденсатор разряжается и разность потенциалов падает, стремясь к нулю, так и бак постепенно опорожняется, а разность уровней стремится к нулю, и водяной ток прекращается, подобно электрическому. Электрический ток будет более или менее кратковременным, в зависимости от емкости конденсатора и силы тока; совершенно так же водяной ток прекратится тем быстрее, чем меньше емкость бака и чем больше расход воды. И так же как для поддержания непрерывного электрического тока было необходимо обеспечить какое-то устройство (генератор), являющееся источником «электродвижущей (электроразделительной) силы» (в нашем случае электрическая машина), так и для непрерывной работы водопровода необходимо иметь устройство, нагнетательный насос, который поддерживает нужную разность уровней, несмотря на непрерывное течение воды, и является источником «вододвижущей (точнее, водоподнимающей) силы».

И здесь роль водонапорного бака совершенно вспомогательная. Можно было бы обеспечить работу водопровода без бака с помощью нагнетающего насоса. Однако ввиду неравномерности потребления воды в водопроводе технически удобнее иметь «запас напора» с помощью высоко расположенного вместительного бака, пуская насос в ход лишь время от времени.

Не останавливаясь на рассмотрении практически применяемых генераторов, мы опишем пока простой опыт, наглядно показывающий процесс возникновения э. д. с.

Возьмем высокий стакан с дистиллированной водой и введем в него два металлических электрода 1 и 2, соединенных друг с другом проводами через чувствительный прибор для измерения тока – гальванометр (рис. 71). Теперь будем бросать в воду один за другим небольшие стеклянные шарики. Мы увидим, что все время, пока шарики в стакане падают, прибор обнаруживает электрический ток, протекающий в проводах. Нетрудно понять, что здесь происходит. При соприкосновении с водой стеклянные шарики заряжаются отрицательно, а часть молекул воды приобретает положительный заряд (ср. рис. 13). Под влиянием силы тяжести отрицательно заряженные шарики падают на металлическую пластинку 2 и заряжают ее отрицательно, а положительные ионы воды, поднимаясь вверх, заряжают пластинку 1 положительно. В результате между пластинками 1 и 2 возникает разность потенциалов (напряжение) и создается электрическое поле, под действием которого в проводах происходит перемещение электронов от 2 к 1, т. е. электрический ток.

Рис. 71. Генератор тока (роль сторонних сил играет сила тяжести)

Таким образом, этот простой прибор представляет собой генератор электрического тока, в котором роль сторонних сил играет сила тяжести, перемещающая отрицательно заряженные шарики вниз, к пластинке 2, несмотря на то что взаимное притяжение положительных и отрицательных зарядов стремится воспрепятствовать их удалению друг от друга. Преодолевая это притяжение, сила тяжести разделяет заряды и тем самым обусловливает возникновение напряжения между пластинками 1 и 2.

Разобранный опыт позволяет нам уяснить еще одно очень важное обстоятельство. Если бы жидкость, в которую мы бросаем шарики, была идеальным диэлектриком, то, разорвав цепь между пластинками 1 и 2 и подключив концы проводов к стержню и корпусу электрометра, мы могли бы прямо измерить напряжение между электродами 1 и 2, которое по мере падения шариков и накопления зарядов на электродах все время возрастало бы. До каких пор продолжался бы этот процесс накопления зарядов и нарастания напряжения между электродами? Очевидно, что по мере роста заряда и усиления поля между электродами все более возрастают силы электрического поля, препятствующие падению шариков. Если бы жидкость была идеальным диэлектриком, то в конце концов силы электрического поля уравновесили бы силу тяжести, падение шариков и нарастание разности потенциалов между электродами прекратились бы. Мы видим, таким образом, что разность потенциалов на зажимах разомкнутого генератора (в данном случае генератором является стакан с падающими шариками) возрастает до тех пор, пока создаваемые ею электрические силы не уравновесят сторонние силы. Это имеет место и в случае любого другого генератора электрического тока. Поэтому в качестве меры электродвижущей силы, действующей в генераторе, следует принять ту разность потенциалов, которая создается ею на зажимах разомкнутого генератора.

Необходимо подчеркнуть, что э. д. с. генератора намеряется разностью потенциалов на его зажимах при условии, что цепь разомкнута. Если источник тока посылает в какую-либо цепь ток, то напряжение на электродах зависит от силы этого тока и оно тем меньше, чем больше сила тока. Поэтому один и тот же источник, в зависимости от силы отбираемого тока, может обладать различным напряжением на электродах. Максимальное из этих напряжений, существующее при разомкнутой цепи, и показывает э. д. с. источника.

Сказанное сохраняет смысл и в механической аналогии. Предположим, что водопроводная сеть отключена, и спросим себя, до какого уровня насос может накачивать воду в башню? Очевидно, это будет происходить до тех пор, пока силы давления столба воды в башне, противодействующие работе насоса, не уравновесят силу, с которой насос гонит воду. Таким образом, высота столба воды или, точнее, давление этого столба при отключенном водопроводе является мерой «водоподъемной силы» насоса. Если же водопроводная сеть включена, т. е. происходит не только приток воды в башню, но и ее отток, то уровень воды и давление всегда будут ниже, чем при отключенном водопроводе.