5. Электродвижущая сила и напряжение источника электрической энергии

При соединении проводником двух разноименно заряженных тел а и б (рис. 10, а), т. е. таких тел, между которыми действует некоторая разность потенциалов, свободные электроны в этих телах и в соедини­тельном проводнике придут в движение и возникнет электрический ток. Этот ток будет протекать по проводнику до тех пор, пока потенциалы обоих тел не станут равными.

М ожно, однако, обеспечить и непрерывное движение электронов по проводнику, соединяющему два разноименно заряженных тела, т. е. непрерывное прохождение электрического тока. Для этого надо каким-то образом возвращать электроны обратно на отрицательно за­ряженное тело, другими словами, поддерживать постоянными заряды этих тел. Это означает, что для прохождения постоянного тока по ме­таллическому проводнику необходимо все время обеспечивать на его концах разность потенциалов или напряжение. Для этого проводник надо подключить к источнику электрической энергии и создать зам­кнутую электрическую цепь (рис. 10, б). В проводнике положитель­ные заряды движутся от точек с более высоким потенциалом к точкам с более низким потенциалом, т. е. от положительного зажима источни­ка электрической энергии к отрицательному зажиму. Но внутри ис­точника эти заряды должны перемещаться от отрицательного зажима к положительному, т. е. от точки с низшим потенциалом к точке с выс­шим потенциалом. Такое перемещение зарядов внутри источника со­вершается за счет электродвижущей силы (э. д. с.), которая возбуж­дается в источнике. Э. д. с. поддерживает разность потенциалов на зажимах источника электрической энергии, обеспечивая прохождение тока по электрической цепи. Эта разность потенциалов представляет собой напряжение источника электрической энергии. Э. д. с. обозна­чается буквой Е (е) и численно равна работе, которую нужно затратить на перемещение единицы положительного заряда от одного зажима ис­точника к другому. Э. д. с. и напряжение источника тесно связаны друг с другом. Если в источнике не возбуждается э. д. с., то будет отсутствовать и напряжение на его зажимах.

Следует отметить, что э. д. с. и напряжение источника могут су­ществовать независимо от наличия тока в цепи. Если электрическая цепь постоянного тока разомкнута, то ток по цепи не проходит, но при работающем генераторе или аккумуляторе в них возбуждается э. д. с. и между их зажимами действует напряжение.

За единицу э. д. с. так же, как и напряжения, принят вольт. В раз­ных источниках электрической энергии э. д. с. возникает по различ­ным физическим причинам. Так, например, в электрических генера­торах э. д. с. получается в результате электромагнитной индукции, в химических источниках тока (аккумуляторах, гальванических эле­ментах) вследствие электрохимических реакций.

6. Электрическая цепь и ее элементы

С оставные элементы электрической цепи. Электрическую цепь (рис. 11) образуют источники электрической энергии 1, ее приемни­ки 3 (потребители) и соединительные провода. В электрическую цепь обычно включают также вспомогательное оборудование: аппараты 4, служащие для включения и выключения электрических установок (рубильники, переключатели и др.), электроизмерительные приборы 2 (амперметры, вольтметры, ваттметры), защитные устройства (предо­хранители, автоматические выключатели).

В качестве источников электрической энергии применяют глав­ным образом электрические генераторы и гальванические элементы или аккумуляторы. Источники электрической энергии часто называют источниками питания.

В приемниках электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии. К приемникам относятся электродвигатели, различные электронагревательные приборы, лампы накаливания, электролитиче­ские ванны и др.

Электрическая цепь может быть разделена на два участка: внеш­ний и внутренний. Внешний участок, или, как говорят, внешняя цепь, состоит из одного или нескольких приемников электрической энер­гии, соединительных проводов и различных вспомогательных уст­ройств, включенных в эту цепь. Внутренний участок, или внутрен­няя,цепь,— это сам источник.

Изображение электрических цепей и их элементов. В схемах ре­альных электрических устройств (электровозов, тепловозов и др.) отдельные элементы имеют свои условные обозначения в соответствии с государственными стандартами. Некоторые из этих обозначений по ГОСТ 2721—68, ГОСТ 2750—68 приведены в табл. 2.

При составлении расчетных схем элементы электрической цепи, имеющие некоторое сопротивление, например, электрические лампы,

электронагревательные приборы (в том числе и соединительные про­вода, если их необходимо учитывать при расчете), изображают в виде сосредоточенных в соответствующем месте схемы резисторов с сопро­тивлением r (рис. 11, б). То же относится к элементам, имеющим индуктивность (обмотки генераторов, электродвигателей и трансформа­торов) и емкость (конденсаторы). На расчетных схемах их изображают в виде сосредоточенных в соответствующем месте катушек индуктив­ности и конденсаторов. Источники электрической энергии в схеме электрической цепи часто могут быть представлены в виде идеализи­рованных источников, у которых внутреннее сопротивление r₀ = 0. (Условное графическое обозначение источника — окружность со стрел­кой Е.) Для того чтобы учесть внутреннее сопротивление реального источника, в схему вводят изображение резистора c сопротивлением r_о или ставят букву r_о возле условного обозначения источника.

Вспомогательные элементы электрических цепей (аппараты для включения и выключения, защитные устройства, некоторые электро­измерительные приборы) в большинстве случаев имеют весьма малые сопротивления и практически не оказывают влияние на значения то­ков и напряжений. Поэтому при расчете электрических цепей их не принимают во внимание и не указывают на схемах.

Направление тока, напряжения и э.д.с. в электрической цепи. В схемах электрических цепей направления тока, напряжения и э. д. с. изображают стрелками. За положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов, т. е. ток во внешней цепи изображают стрелкой I, направленной от положитель­ного зажима источника электрической энергии к отрицательному его зажиму (см. рис. 11, б), во внутренней цепи ток направлен от отрицательного зажима к положительному. Положительное направле­ние напряжения совпадает с положительным направлением тока. Стрелка U направлена от положительного зажима источника или приемника к отрицательному зажиму. Положительное направление э. д. с. совпадает с положительным направлением тока внутри источ­ника (стрелка Е направлена от отрицательного зажима источника к положительному).

В сложных электрических цепях бывает затруднительно пока­зать действительные направления тока и напряжения на отдельных участках цепи. В таких случаях принимают произвольно какие-либо их направления, которые считают условно положительными, и для этих направлений выполняют расчет электрической цепи. Если в ре­зультате расчета выясняется, что какие-то токи и напряжения имеют положительный знак, то это означает, что выбранные для них направ­ления соответствуют действительности. Если же какие-то токи и на­пряжения получаются отрицательными, то в действительности они имеют направление, противоположное выбранному.

Скорость прохождения тока. Электрическое поле распространяет­ся в пространстве с огромной скоростью—300 000 км/с, т. е. со ско­ростью света. С такой же скоростью проходит и электрический ток в проводнике. Однако каждый отдельный электрон движется в сред­нем по проводнику со скоростью несколько миллиметров или санти­метров в секунду (эта скорость зависит от напряженности электрического поля).

Чем же объяснить такую скорость распространения электриче­скою тока? Причина в том, что каждый электрон находится в общем электронном потоке, заполняющем проводник, и при прохождении электрического тока испытывает непрерывное воздействие со стороны соседних электронов. Поэтому, хотя сам электрон движется медлен­но, скорость передачи движения от одного электрона к другому (ско­рость распространения электрической энергии) будет огромна. На­пример, при включении рубильника на электростанции практиче­ски мгновенно появляется ток в каждом участке электрической цепи целого города, несмотря на незначительную скорость движения элек­тронов.