ФИЗИКА И РУССКИЙ ЯЗЫК. Ч. 2 «НЕПРАВИЛЬНЫЕ» ТЕРМИНЫ

Ошибочный термин как дидактическое средство!?

Отталкиваясь от «неправильного» термина «электродвижущая сила», можно подробно рассмотреть механизм действия источника тока.

Источник тока.

В статье [1] было обращено внимание на то, что не всегда общепринятые термины отражают сущность обозначаемого ими понятия. Продолжим рассмотрение этой проблемы на примере терминов «сила тока» и «электродвижущая сила». Оба эти термина возникли в связи с возникновением понятия «электрический ток» и изобретением устройств, называемых источниками тока. Разные источники информации термину «источник тока» дают различные определения.

• 1.Большая российская энциклопедия (электронный вариант): «Источники тока, уст­рой­ст­ва, пре­об­ра­зую­щие различные ви­ды энер­гии в элек­три­че­скую энер­гию» [2].
• 2.Учебник Пурышевой: «Для того, чтобы в цепи существовал электрический ток, электрическая цепь должна… содержать устройство, создающее разность потенциалов. Такое устройство называют источником тока» [3].
• 3.УМСКУЛ онлайн-школа: «Источник тока – элемент электрической цепи, в котором на заряды действует сторонняя сила, задающая направление движения зарядов (тока)».
• 4.Учебник Мякишева [4]: для того, чтобы ток был постоянным, … необходимо устройство (источник тока), которое перемещало бы заряды … в направлении, противоположном направлению сил, действующих на эти заряды со стороны электрического поля».
• 5.Перевод с английского из источника: «Источник тока можно определить как любое устройство в цепи, которое либо поставляет, либо поглощает ток в цепи». В оригинале: A current source can be defined as any device in a circuit which either delivers or absorbs the current in the circuit.
• Комментарии к формулировкам.
• 1.Электрическая энергия – не обязательно энергия, связанная с электрическим током.
• 2.Разность потенциалов – физическая величина. Создать можно объект (в данном случае электрическое поле), а не физическую величину.
• 3.Если источник тока не замкнут на внешнюю цепь, тока нет, а ЭДС есть. Кроме того, сторонняя сила задает направление движения зарядов только внутри источника, а во внешней цепи направление движения зарядов задает электростатическое поле.
• 4.В разомкнутом источнике тока до начала действия сторонних сил электрического (электростатического) поля нет, так что нет и сил, «действующих на заряды со стороны электрического поля».
• 5.Формулировка, удобная для обиходного понимая – ток выходит из источника и входит (возвращается) в него.

Как видно, определений термина «источник тока» много, причем иногда они различаются существенно, т. е. в их основу могут быть положены различные принципы. Основа первого определения – превращение видов энергии, во втором это создание разности потенциалов, т. е. электрического поля, в третьем и четвертом – направление движения электронов. Формулировка 3 определяет источник тока как вид рода «элемент электрической цепи», в остальных формулировках родом является термин «устройство».

Можно придумать и иные формулировки, например, родственную в некотором смысле с пятой: «источник тока – уст­рой­ст­во, способное создавать электрический ток в замкнутой цепи».

Чтобы дать более или менее четкое определение термину «источник тока», необходимо рассмотреть явление «электрический ток». Обычно электрическим током называют направленное движение большого количества электрически заряженных частиц. При этом обычно добавляют «в проводнике». Проводник – это вещество, содержащие электрически заряженные частицы (электроны или ионы), которые могут относительно легко перемещаться на расстояния, намного превышающие средние межатомные расстояния*.

*На расстояния, сопоставимые с межатомными, смещаются заряды при поляризации диэлектриков.

Для практического применения электрический ток должен быть достаточно длительным, что, в соответствии с законом сохранения электрического заряда, возможно только в замкнутом электрическом контуре. Наибольшая по длине часть контура – проводники тока. Как правило, это металлические провода (проволоки), носителями заряда в которых служат электроны. Электрическое (вернее электростатическое) поле, действуя на отрицательно заряженные электроны, заставляет их двигаться только в одном направлении: от точки с меньшим потенциалом к точке с большим потенциалом. Эти точки не могут быть совмещены в пространстве, следовательно, в промежуток между ними должно быть помещено нечто, движущее электроны в направлении, противоположном направлению действия электростатического поля, т. е. от большего потенциала к меньшему. Это нечто назвали источником тока, а действующие в нем силы неэлектростатической природы назвали сторонними силами.

В источнике тока также обязательно присутствуют подвижные заряженные частицы (электроны в промышленных генераторах или ионы в гальванических элементах), т. е. вещество источника тока – проводник. Сторонние силы заставляют заряженные частицы одного знака двигаться в одну сторону, а частицы другого знака в противоположную. Пока источник тока не замкнут внешним проводником, на противоположных сторонах (полюсах) источника собираются заряды разного знака, создающие электрическое (электростатическое) поле. Движение зарядов прекращается при достижении равенства модулей сторонней и электростатической сил. Разность потенциалов электростатического поля между полюсами источника в равновесном состоянии (незамкнутого) и называется электродвижущей силой. Таким образом, устройство, называемое источником тока, на самом деле создает не ток, а электрическое поле, которое, действуя на заряженные частицы, создают электрический ток.

В технике определение (название) устройства дается исходя из его назначения. Например, амперметр – прибор, предназначенный для измерения силы тока. Определение технического устройства в физике желательно базировать на использованном в нём физическом явлении. Отсюда: источник тока – устройство, в котором происходит пространственное разделение электрически заряженных частиц по знаку их заряда неэлектростатическими (сторонними) силами. Длинновато! Что можно изменить в этой фразе? Фрагмент «электрически заряженных частиц» заменить словом «заряды», если ранее была оговорена правомерность такой замены. Слова «неэлектростатическими» и «сторонними» – фактически синонимы, значит, одно из них можно удалить. Фрагмент «в котором происходит» можно заменить на «для». Получаем предельно короткое, но содержащее все необходимые слова, выражение: источник тока – устройство, способное разделять пространственно электрически заряженные частицы по знаку их заряда неэлектростатическими силами.

Электродвижущая сила

«Электродвижущая сила источника тока равна отношению работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру к величине этого заряда». [4]

«Электродвижущей силой называют физическую величину, равную отношению работы сторонних сил по перемещению положительного электрического заряда внутри источника тока от его отрицательного полюса к положительному к этому заряду. [3]

Оба определения сформулированы по общему правилу – делением одной величины на другую, но различаются указанием на объект применения – замкнутый контур и источник тока соответственно. Источник перемещает заряды (следовательно, совершает работу) внутри самого себя, на внешнем по отношению к нему участке цепи заряды перемещает (т. е. совершает работу) электростатическое поле. Таким образом получаем отвечающее всем правилам определение: электродвижущая сила – физическая величина, равная отношению работы сторонних сил по перемещению электрического заряда между полюсами источника тока к величине этого заряда. Исходя из данного выше определения термина «источник тока» можно дать следующее определение: Электродвижущая сила источника тока – физическая величина, равна разности потенциалов между полюсами разомкнутого источника тока. Эти два определения равнозначны, так как разность потенциалов – физическая величина, равная отношению работы электрического поля по перемещению электрического заряда между двумя точками поля к величине этого заряда. Выбор предпочтительного варианта определения зависит от порядка изучения тем «Электрическое поле» и «Электрический ток».

Существенно: входящие в обычные определения ЭДС величины – работа и электрический заряд – не измеряются непосредственно*, тогда как для измерения разности потенциалов, в принципе, можно использовать прибор – электрометр.

*Счетчик электрической энергии – прибор комбинированный: амперметр, вольтметр и часы.

Сила тока.

Основная количественная характеристика электрического тока – сила тока – тоже имеет весьма опосредованное отношение к физической величине «сила». Термин «сила тока» не является видом рода сила».

В определении термина «сила тока» принципиальных расхождений практически нет. Сила тока характеризует явление (электрический ток) и определяется математически (делением) через две другие физические величины, определенные ранее: сила тока – физическая величина, равная отношению количества электрического заряда ко времени его протекания через какое-либо поперечное сечение проводника.

Физическая величина «сила» характеризует универсальную форму существования материи – взаимодействие (действие одного объекта на другое), это мера взаимодействия. Сила относится к числу величин, определяемых инструментально, а не выражается через другие физические величины. Следовательно, термины «сила» и «сила тока», будучи видами одного рода «физическая величина», отличаются принципиально.

Почему характеристику электрического тока назвали силой?

Человек живет среди объектов и явлений природы, ощущает их действие на себя и на другие объекты, оценивает степень этого действия, используя понятие (величину) «сила», сначала как обиходное, а затем как научное. Электрический ток в проводнике создает магнитное поле, которое может действовать на другой проводник с током, и это действие характеризуется силой, зависящей от некоторой характеристики тока, создающего поле. По аналогии с механическим действием и назвали ее силой. Физики вместо того, чтобы дать этой величине название каким-либо одним специальным словом, просто прибавили к существительному «сила» определение «тока».

Интересно!

Замкнутый контур – это кольцо. А у кольца, как поется: «начала нет, и нет конца». Формулировка понятия «источник тока» из переводного источника (№5) позволяет определить «начало» и «конец» для электрического тока, по крайней мере, для химического источника тока (гальванического элемента). У отрицательного полюса разомкнутого источника тока накапливаются электроны, у положительного полюса их, соответственно, не хватает. При замыкании источника во внешнюю цепь начинают переходить электроны – это начало тока, начало кольца. У положительного полюса электроны переходят из внешней цепи в источник тока, и в гальваническом элементе теряют свою самостоятельность, входя в состав иона. Это – конец движению электронов в проводниках потребителя тока – своеобразный конец кольца! Конечно, ток начинается практически одновременно во всех участках цепи, но почти – скорость распространения электромагнитного поля ограничена.

Дополнение.

В электротехнике кроме термина «источник тока» используется и термин «источник напряжения». Физический принцип в обоих источниках одинаков, различие, главным образом в их задачах: В цепи источника тока должна быть получена постоянная сила тока вне зависимости от сопротивления внешней цепи, а на выходе источника напряжения должно быть получено постоянное напряжение. Достигается это за счет различного соотношения внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагрузки. Идеальный источник тока имеет бесконечно большое сопротивление, а идеальный источник напряжения не должен иметь сопротивления. Как и любая идеальная система в природе, идеальные источники и тока, и напряжения создать невозможно.

Источники.

• 1.ПЕДАГОГ13.РУ/16613-fizika-himija-matematika-informatika-i-russkii-jazyk.html
• 2.Большая российская энциклопедия (электронный вариант) / https://old.bigenc.ru/technology_and_technique/text/2025995

3.Пурышева Н.С. Физика. 10 кл. Базовый и профильный уровни: учебник / Н.С.Пурышева, Н.Е.Важеевская, Д.И.Исаев; под ред.Н.С.Пурышевой. –М.: Просвещение, 2020-23. -271 с.

• 4.Физика. 10 класс: учеб. для общеобразоват. организаций: базовый и углубл. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. Н. А. Парфентьевой.