Номер 5, страница 49 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

5. Почему для создания тока источник должен затратить энергию?

5. Чтобы понять, почему источник тока должен затрачивать энергию для его создания, необходимо рассмотреть, что такое электрический ток и каковы условия его существования.

1. Что такое электрический ток? Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение свободных заряженных частиц (например, электронов в металлах).

2. Что заставляет заряды двигаться? Для того чтобы свободные заряды начали и продолжали двигаться упорядоченно, необходимо наличие в проводнике электрического поля. Это поле создается разностью потенциалов (напряжением) на концах проводника.

3. Роль источника тока. Задача источника тока (например, батарейки или генератора) — создавать и поддерживать эту разность потенциалов. Внутри источника действуют так называемые сторонние силы. Эти силы имеют неэлектрическую природу (например, химическую в батарейках, механическую/магнитную в генераторах) и выполняют работу по разделению зарядов: они перемещают положительные заряды к одному полюсу (положительному), а отрицательные — к другому (отрицательному).

4. Затраты энергии внутри источника. Разделяя заряды, сторонние силы работают против сил электростатического притяжения между ними. Выполнение любой работы требует затрат энергии. Таким образом, источник преобразует какой-либо вид энергии (химическую, механическую и т.д.) в электрическую энергию, затрачивая ее на создание разности потенциалов. Величина, характеризующая работу сторонних сил по перемещению единичного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) источника: $ \mathcal{E} = \frac{A_{ст}}{q} $.

5. Затраты энергии во внешней цепи. Когда цепь замкнута, под действием электрического поля, созданного источником, заряды начинают двигаться по проводникам. В процессе своего движения они сталкиваются с ионами кристаллической решетки проводника. Эти столкновения препятствуют их движению — это явление называется электрическим сопротивлением. Чтобы преодолеть это сопротивление и поддерживать постоянную скорость упорядоченного движения (т.е. постоянный ток), электрическое поле должно постоянно совершать работу, сообщая зарядам энергию. Эта энергия, в свою очередь, передается кристаллической решетке проводника, в результате чего проводник нагревается (закон Джоуля-Ленца, $ Q = I^2Rt $).

Таким образом, источник тока должен непрерывно затрачивать энергию для выполнения двух основных задач: во-первых, для совершения работы по разделению зарядов внутри себя, чтобы поддерживать разность потенциалов на своих клеммах, и, во-вторых, для совершения работы во внешней цепи, чтобы перемещать заряды, преодолевая сопротивление проводников и других элементов цепи. Без непрерывных затрат энергии со стороны источника движение зарядов быстро прекратится из-за сопротивления, и ток исчезнет.

Ответ: Источник тока должен затрачивать энергию, чтобы совершать работу по разделению зарядов внутри себя (создавая разность потенциалов) и для поддержания направленного движения зарядов во внешней цепи, преодолевая их сопротивление. Эта энергия компенсирует потери энергии зарядами при их столкновениях с атомами проводника и преобразуется в другие виды энергии (в основном в тепловую).