Упорядоченное движение электрических зарядов

Постоянный электрический ток. Электрический ток – это упорядоченное движение электрических зарядов

Электрический ток – это упорядоченное движение электрических зарядов.

Для того чтобы свободные заряды двигались в среде упорядоченно, необходимо либо наличие электрического поля, либо какое-либо поле неэлектростатических сил.

Если свободные заряды движутся упорядоченно в электри-ческом поле, то причиной, вызывающей электрический ток, являются кулоновские силы.

Если же свободные заряды движутся упорядоченно без электрического поля, то причиной, вызывающей электрический ток, являются силы, называемые сторонними (например, магнитные силы в генераторе электрического тока). Причём, если электрическое поле характеризуют напряжённостью Е, то поле сторонних сил – так называемой напряженностью поля сторонних сил Е*.

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока I. Это величина, равная отношению заряда dq, переносимого через поверхность за время dt, ко времени dt

.

Сила тока, как это видно из определения, – скалярная величина.

В системе СИ единицей измерения силы тока является ампер = Кл/с = А.

Электрический ток может быть обусловлен направленным движением как положительных, так и отрицательных зарядов. Причём, если ток создаётся одновременным движением положи-тельных зарядов dq+ (они движутся по полю) и отрицательных зарядов dq- (они движутся против электрического поля), то

.

Электрический ток имеет направление. Это – условная характеристика.

Направлением тока принято считать направление движения положительных зарядов (если ток создают отрицательные заряды, то направление тока противо-положно направлению их движения).

В общем случае величина отношения dq/dt может меняться со временем; если же dq/dt =constто ток называют постоянным и тогда можно считать I = q /t.

Величина отношения dq / dt может зависеть не только от времени, но и от координаты: в разных точках сечения провод-ника оно может быть разным. Поэтому для характеристики электрического тока используют дифференциальную характе-ристику, именуемую плотность тока j:


,

где n – единичный вектор, параллельный скорости направленного движения положительных зарядов; dS^ – площадь элементарной поверхности, перпендикулярной скорости направленного движе-ния зарядов.

Размерность плотности тока = A/м2.

Сила тока и плотность тока связаны между собой:

.

Последнее выражение можно прочесть и так: сила тока через поверхность S равна потоку вектора плотности тока j через эту поверхность.

Протекание электрического тока не вызывает накопления заряда в проводнике. Это означает, что если в некоторый объём проводника вошёл заряд dq, то такой же заряд должен выйти из этого объёма.

В математической форме послед-нее утверждение имеет следующий вид:

.

Найдём связь плотности тока со средней скоростью упорядоченного движения зарядов в проводнике. Для этого выберем единичную поверхность, перпендикулярную скорости упорядоченного движения зарядов. За единицу времени через неё пройдёт n+×v положительных зарядов и n × v отри-цательных зарядов (здесь n+, n- – концентрации положительных и отрицательных зарядов соответственно, v+, v — – скорости направленного движения зарядов). Тогда плотность тока

j = e+ × n+ × v+ × e- × n- × v — .

В отсутствие электрического поля свободные носители заряда движутся хаотически. Это движение не даёт вклада в j, так как средняя скорость хаотического движения равна нулю.

Электродвижущая сила

Если в проводнике создать электрическое поле, свободные заряды начнут двигаться упорядоченно, т. е. возникнет электрический ток.

Однако этот ток очень быстро прекратится, так как свободные заряды перераспределятся так, что поле внутри проводника станет равно нулю и причина, вызвавшая направленное движение зарядов, исчезнет (см. разд. 1.19).

Для того чтобы ток не прекращался, необ-ходимо переносить из-быточные заряды с одного конца провод-ника на противополо-жный. Тогда электри-ческое поле внутри проводника будет су-ществовать непрерывно и направленное движение зарядов не будет прекращаться.

Другими словами – для того чтобы в цепи непрерывно существовал электрический ток, в части электрической цепи свободные носители должны двигаться по электрическому полю, а в другой части – против.

Естественно, электрическое поле не может заставить поло-жительные заряды двигаться против кулоновских сил. Следо-вательно, в части цепи должны действовать силы, заставляющие положительные заряды двигаться от “минуса” к “плюсу”. Такие силы неэлектростатического происхождения принято называть сторонними.

Участок цепи, на котором действуют сторонние силы, называют источником ЭДС (электродвижущей силы).

На практике используются различные виды источников ЭДС. Это электрические генераторы, гальванические элементы (батарейки), аккумуляторы и т. д.

Источник электродвижущей силы характеризуется величиной эдс:

,

где Аст – работа сторонних сил по перемещению заряда q; q – заряд, перемещённый сторонними силами.

Размерность ЭДС = Дж/Кл = В (вольт).

Работу сторонних сил по перемещению заряда q внутри источника эдс можно вычислить следующим образом:

Отсюда величина эдс

Если электрическая цепь замк-нута, то эдс равна

Работа по перемещению заряда на участке цепи, содержащем источник ЭДС, может быть найдена как

Учитывая связь напряжённости и потенциала, а также опреде-ление ЭДС, получаем

Величина, равная работе электростатических и сторонних сил по перемещению единичного заряда в электрической цепи, называется напряжением:

Обратите внимание: напряжение на участке цепи и разность потенциалов на его концах различны по величине.

Напряжение и разность потенциалов не одно и то же!

Следует отметить, что участок цепи, содержащий источник ЭДС, называют неоднородным. Участок, не содержащий источ-ника ЭДС, называют однородным.

Поскольку однородный участок не содержит ЭДС, постольку , т. е. напряжение на однородном участке цепи равно разности потенциалов на его концах.

Закон Ома

Георг Ом, экспериментируя с цепями постоянного тока, обнаружил, что сила тока в участке электрической цепи определяется следующим соотношением:

,

где I – сила тока в цепи, U – напряжение на концах цепи, R – сопротивление цепи.

Это выражение принято называть законом Ома для участка цепи.

Сопротивление цепи есть коэффициент, связывающий на-пряжение в цепи и силу тока, возникающего в цепи за счёт напряжения U.

Величина сопротивления цепи при постоянной температуре зависит от размеров и формы проводников цепи, от материала, из которого проводники изготовлены. Увеличение температуры у большинства проводников вызывает возрастание сопротивления.

Для однородного по составу проводника постоянной длины и сечения сопротивление , где r – удельное сопротивление

проводника*; l – длина проводника, S – площадь поперечного сечения проводника.

Закон Ома для участка цепи может быть записан в диф-ференциальной форме

,

где j– плотность тока в проводнике; r – удельное сопротивление проводника; s – удельная электрическая проводимость провод-ника; Е – напряжённость электрического поля в проводнике.

Если участок цепи неоднороден, то кроме электростатических сил на свободные заряды действуют и сторонние, тогда

J = sE + sE*.

Это выражение представляет собой закон Ома в диф-ференциальной форме для неоднородного участка цепи.

В интегральной форме это выглядит так:

и

где j1 – j2 – разность потенциалов на концах участка цепи.

Последнее выражение представляет собой закон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной форме.

Если неоднородная цепь замкнута, то j1 = j2 (так как концы участка цепи соединены между собой) и закон Ома принимает следующий вид:

,

где R – суммарное сопротивление однородного участка цепи и внутреннего сопротивления источника ЭДС.

Это выражение представляет собой закон Ома для замкнутой цепи.

Электрическим током называют всякое упорядоченное движение электрических зарядов. Электрический ток может проходить через различные вещества при определенных условиях. Одним из условий возникновения электрического тока является наличие свободных зарядов, способных двигаться под действием электрического поля.

Поэтому в этом разделе мы попытаемся установить, какие частицы, переносят электрический заряд в различных средах.

Электрический ток в металлах.

Металлы состоят из положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и совокупности свободных электронов. Вне электрического поля свободные электроны движутся хаотически, подобно молекулам идеального газа, а потому рассматриваются в классической электронной теории как электронный газ.

Под действием внешнего электрического поля меняется характер движения свободных электронов внутри металла. Электроны, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля.

Следовательно, электрический ток в металлах — это упорядоченное движение электронов.

Сила тока в металлическом проводнике определяется по формуле:

где I — сила тока в проводнике, e — модуль заряда электрона, n0 — концентрация электронов проводимости, — средняя скорость упорядоченного движения электронов, S — площадь поперечного сечения проводника.

Плотность тока проводимости численно равна заряду, проходящему за 1с через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению тока.

где j — плотность тока.

У большинства металлов практически каждый атом ионизирован. А так как концентрация электронов проводимости одновалентного металла равна

где Na — постоянная Авогадро, A — атомная масса металла, ρ — плотность металла,

то получаем что концентрация определяется в пределах 1028 — 1029 м-3.

Закон Ома для однородного участка цепи:

где U — напряжение на участке, R — сопротивление участка.

Для однородного участка цепи:

где ρУ — удельное сопротивление проводника, l — длина проводника, S — площадь поперечного сечения проводника.

Удельное сопротивление проводника зависит от температуры и эта зависимость выражается соотношением:

ρу = ρоу ( 1 + α ∆Т )

где ρоу — удельное сопротивление металлического проводника при температуре Т =273К, α -термический коэффициент сопротивления, ∆Т = Т — То — изменение температуры.

Вольт-амперная характеристика металлов.

Сила тока в проводниках по закону Ома прямо пропорциональна напряжению. Такая зависимость имеет место для проводников со строго заданным сопротивлением (для резисторов).

Тангенс угла наклона графика равен проводимости проводника. Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению

где G — проводимость.

Но так как сопротивление металлов зависит от температуры, то вольт-амперная характеристика металлов не является линейной.

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов.

Явление распада молекул солей, щелочей и кислот в воде на ионы противоположных знаков называют электролитической диссоциацией. Полученные в следствие распада ионы служат носителями заряда в жидкости, а сама жидкость становятся проводником.

Вне электрического поля ионы движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля ионы, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля: катионы к катоду, анионы — к аноду.

Следовательно, электрический ток в растворах (расплавах) электролитов — это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

Прохождение электрического тока через раствор электролита всегда сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в его состав. Это явление называют электролизом.

При движении внутри электролитов ионы взаимодействуют с молекулами воды и другими ионами, т.е. электролиты оказывают некоторое противодействие движению, а, следовательно, обладают сопротивлением. Электрическое сопротивление электролитов зависит от концентрации ионов, величины заряда иона, от скорости движения ионов обоих знаков.

Сопротивление электролитов так же определяется по формуле:

где ρУ — удельное сопротивление электролита, l — длина жидкого проводника, S — площадь поперечного сечения жидкого проводника.

При увеличении температуры электролита уменьшается его вязкость, что ведет к увеличению скорости движения ионов. Т.е. при повышении температуры сопротивление электролита уменьшается.

Законы Фарадея.

1. Масса вещества, выделяемого на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит.

где m — масса вещества, выделяющегося на электроде, k — электрохимический эквивалент, q — заряд, прошедший через электролит.

2. Электрохимический эквивалент вещества прямо пропорционален его химическому эквиваленту.

где М- молярная масса вещества, F- постоянная Фарадея, z — валентность иона.

постоянная Фарадея численно равна заряду, который должен пройти через электролит, чтобы выделить из него массу вещества, численно равную химическому эквиваленту.

Объединенный закон Фарадея.

Электрический ток в газах.

При нормальных условиях газы состоят из нейтральных молекул, а поэтому являются диэлектриками. Так как для получения электрического тока необходимо наличие заряженных частиц, то молекулы газа следует ионизировать (оторвать электроны от молекул). Для ионизации молекул необходимо затратить энергию — энергию ионизации, количество которой зависит от рода вещества. Так, энергия ионизации минимальна для атомов щелочных металлов, максимальна — для инертных газов.

Ионизировать молекулы можно при нагревании газа, при облучении его различного рода лучами. Благодаря дополнительной энергии возрастает скорость движения молекул, нарастает интенсивность их теплового движения и при соударении отдельные молекулы теряют электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.

Электроны, оторвавшись от молекулы могут присоединятся к нейтральным молекулам, образуя при этом отрицательно заряженные ионы.

Следовательно, при ионизации появляются три типа носителей зарядов: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны.

Под действием внешнего электрического поля ионы обоих знаков и электроны движутся в направлении действия сил электрического поля: положительные ионы к катоду, отрицательные ионы и электроны — к аноду. Т.е. электрический ток в газах — это упорядоченное движение ионов и электронов под действием электрического поля.

Вольт- амперная характеристика газов.

Зависимость силы тока от напряжения выражена кривой ОАВС.

На участке графика ОА сила тока подчиняется закону Ома. При малом напряжении сила тока мала, т.к. ионы двигаясь с малыми скоростями рекомбинируют, не достигая электродов. При увеличении напряжения между электродами скорость направленного движения электронов и ионов возрастает, поэтому большая часть заряженных частиц достигает электродов, а, следовательно возрастает сила тока.

При определенном значении напряжения U1 все ионы имеют достаточные скорости и, не рекомбинируя, достигают электродов. Ток становится максимально возможным и не зависит от дальнейшего увеличения напряжения до значения U2. Такой ток называют током насыщения, и ему соответствует участок графика АВ.

При напряжении U2 в несколько тысяч вольт скорость электронов, возникающих при ионизации молекул, а следовательно, их кинетическая энергия значительно увеличиваются. И когда кинетическая энергия достигает значения энергии ионизации, электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизируют их. Дополнительная ионизация приводит к лавинообразному увеличению количества заряженных частиц, а следовательно и к значительному увеличению силы тока без воздействия внешнего ионизатора. Прохождение электрического тока без воздействия внешнего ионизатора называют самостоятельным разрядом. Такая зависимость выражена участком графика АС.

Электрический ток в вакууме.

В вакууме отсутствуют заряженные частиц, а следовательно, он является диэлектриком. Т.е. необходимо создать определенные условия, которые помогут получить заряженные частицы.

Свободные электроны есть в металлах. При комнатной температуре они не могут покинуть металл, т. к. удерживаются в нем силами кулоновского притяжения со стороны положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону необходимо затратить определенную энергию, которая называется работой выхода. Энергию, большую или равную работе выхода, электроны могут получить при разогреве металла до высоких температур.

При нагревании металла количество электронов с кинетической энергией, большей работы выхода, увеличивается, поэтому из металла вылетает большее количество электронов. Испускание электронов из металлов при его нагревании называют термоэлектронной эмиссией. Для осуществления термоэлектронной эмиссии в качестве оного из электродов используют тонкую проволочную нить из тугоплавкого металла (нить накала). Подключенная к источнику тока нить раскаляется и с ее поверхности вылетают электроны. Вылетевшие электроны попадают в электрическое поле между двумя электродами и начинают двигаться направленно, создавая электрический ток.

Явление термоэлектронной эмиссии лежит в основе принципа действия электронных ламп: вакуумного диода, вакуумного триода.

Вакуумный диод Вакуумный триод

Вольт-амперная характеристика вакуумного диода.

Зависимость силы тока от напряжения выражена кривой ОАВСD.

При испускании электронов катод приобретает положительный заряд и поэтому удерживает возле себя электроны. При отсутствии электрического поля между катодом и анодом, вылетевшие электроны образуют у катода электронное облако.

По мере увеличения напряжения между анодом и катодом большее количество электронов устремляется к аноду, а следовательно сила тока увеличивается. Эта зависимость выражена участком графика ОАВ. Участок АВ является характеризует прямую зависимость силы тока от напряжения, т.е. в интервале напряжений U1 — U2 выполняется закон Ома.

Нелинейная зависимость на участке ВСD объясняется тем, что число электронов, устремляющихся к аноду, стает больше числа электронов, вылетающих с катода.

При достаточно большом значении напряжения U3 все электроны, вылетающие с катода, достигают анода, и электрический ток достигает насыщения.

Так же в качестве источника заряженных частиц можно использовать радиоактивный препарат, испускающий α-частицы.Под действием сил электрического поля α-частицы будут двигаться, т.е. возникнет электрический ток.

Таким образом, электрический ток в вакууме может быть создан упорядоченным движением любых заряженных частиц (электронов, ионов).

Электрический ток в полупроводниках.

Полупроводники — вещества, удельное сопротивление которых убывает с увеличением температуры и зависит от наличия примесей и изменения освещенности. Удельное сопротивление проводников при комнатной температуре находится в интервале от 10-3 до 107 Ом •м. Типичными представителями полупроводников являются кристаллы германия и кремния.

В этих кристаллах атомы соединены между собой ковалентной связью. При нагревании ковалентная связь нарушается, атомы ионизируются. Это обуславливает возникновение свободных электронов и «дырок»- вакантных положительных мест с недостающим электроном.

При этом электроны соседних атомов могут занимать вакантные места, образуя «дырку» в соседнем атоме. Таким образом не только электроны, но и «дырки» могут перемещаться по кристаллу. При помещении такого кристалла в электрическое поле электроны и дырки придут в упорядоченное движение — возникнет электрический ток.

Собственная проводимость.

В чистом кристалле электрический ток создается равным количеством электронов и «дырок». Проводимость, обусловленную движением свободных электронов и равного им количества «дырок» в полупроводниковом кристалле без примесей, называют собственной проводимостью полупроводника.

При повышении температуры собственная проводимость полупроводника увеличивается, т.к. увеличивается число свободных электронов и «дырок».

Примесная проводимость.

Проводимость проводников зависит от наличия примесей. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь — примесь с большей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния донорной примесью является пятивалентный мышьяк. Четыре валентных электрона атома мышьяка участвуют в создании ковалентной связи, а пятый станет электроном проводимости.

При нагревании нарушается ковалентная связь, возникают дополнительные электроны проводимости и «дырки». Поэтому в кристалле количество свободных электронов преобладает над количеством «дырок». Проводимость такого проводника является электронной, полупроводник является полупроводником n-типа. Электроны являются основными носителями заряда, «дырки» — неосновными.

Акцепторная примесь — примесь с меньшей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния акцепторной примесью является трехвалентный индий. Три валентных электрона атома индия участвуют в создании ковалентной связи с тремя атомами кремния, а на месте четвертой незавершенной ковалентной связи образуется «дырка».

При нагревании нарушается ковалентная связь, возникают дополнительные электроны проводимости и «дырки». Поэтому в кристалле количество «дырок» преобладает над количеством свободных электронов. Проводимость такого проводника является дырочной, полупроводник является полупроводником p-типа. «Дырки» являются основными носителями заряда, электроны — неосновными.

p-n переход.

При контакте полупроводников p-типа и n-типа через границу происходит диффузия электронов из n-области в p-область и «дырок» из p-области в n-область. Это приводит к возникновению запирающего слоя, препятствующего дальнейшей диффузии. p-n переход обладает односторонней проводимостью.

При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p-область была соединена с положительным полюсом , а n-область — с отрицательным полюсом, появляется движение основных носителей зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в прямом направлении.

При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p-область была соединена с отрицательным полюсом , а n-область — с положительным полюсом, толщина запирающего слоя увеличивается, и движение основных носителей зарядов через контактный слой прекращается, но может иметь место движение неосновных зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в обратном направлении.

Принцип действия полупроводникового диода основан на свойстве односторонней проводимости p-nперехода. Основное применение полупроводникового диода — выпрямитель тока.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость силы тока от напряжения выражена кривой АОВ.

Электрический ток. Источники электрического тока (Гребенюк Ю.В.)

Введение

На предыдущих уроках мы поговорили об электрических зарядах, электрическом поле и взаимодействии заряженных частиц. Однако прежде мы не говорили о движении заряженных частиц. Наш сегодняшний урок восполнит этот пробел. Наверное, многие из вас на вопрос «Что бы вы взяли с собой на необитаемый остров?» сразу ответили бы: «Мобильный телефон, планшет, ноутбук…», однако, подумав, спохватились бы: «Ой, там же нет электричества!..» Трудно себе представить, что всего сто с небольшим лет назад большая часть нашей страны представляла собой такой вот остров, ведь электричеством могли пользоваться лишь немногие. Сегодня каждый из вас назовёт не менее десятка электрических приборов, без которых трудно представить свою жизнь: телевизор, компьютер, стиральная машина, микроволновка, электрический чайник, холодильник… Эти устройства называются электрическими, так как для их работы необходим электрический ток.

С этим понятием мы сталкиваемся практически каждый день. Наверное, каждый из вас слышал фразы «удар током», «линия под током» и т.п. Это слово настолько прочно вошло в нашу жизнь, что мы используем его, практически не задумываясь. Действительно, мы точно знаем, что если вставить вилку в розетку, то прибор начнёт работать. Но что происходит внутри розетки? Почему штепсель имеет именно такой вид? Чем опасно засовывание пальцев в розетку? Сейчас мы уже обладаем достаточными знаниями для того, чтобы разобраться в этих вещах.

Электрический ток

Проведём простой опыт. Поставим на столе два электрометра (А и Б) и зарядим один из них, например, электрометр А (см. рис. 1). Стрелка электрометра А отклонится. Соединим кондукторы электрометров металлическим стержнем, закрепленным на пластмассовой ручке. По отклонению стрелок видно, что заряд электрометра Ауменьшился, а незаряженный электрометр Бполучил заряд (см. рис. 2). Это значит, что в результате перемещения частиц, имеющих электрический заряд, часть электрического заряда перешла по стержню от одного прибора к другому. В этом случае говорят, что по стержню прошел электрический ток.

Рис.1. Зарядим электрометр А

Рис. 2. Соединение кондукторов металлическим стержнем

Электрический ток – это направленное упорядоченное движение заряженных частиц. Исходя из определения электрического тока, можно сформулировать одно из двух необходимых условий его возникновения и существования в любой среде. Очевидно, что всреде должны иметься свободные заряженные частицы, то есть такие частицы, которые могут перемещаться по всей среде (их еще называют носителями тока). Однако этого условия недостаточно, чтобы в среде возник и в течение длительного промежутка времени существовал электрический ток. Для создания и поддержания направленного движения свободных заряженных частиц также необходимо наличие электрического поля.Под действием этого поля движение свободных заряженных частиц приобретает упорядоченный (направленный) характер, что и означает появление в данной среде электрического тока.

Проводники

Зная условия возникновения и существования электрического тока, нетрудно догадаться, что способность проводить электрический ток (или, как говорят физики, электрическая проводимость) у различных веществ неодинакова. В зависимости от этой способности все вещества и материалы принято делить на проводники, диэлектрики и полупроводники. Проводники – это вещества и материалы, которые хорошо проводят электрический ток. Проводниками являются металлы, водные растворы солей (например, поваренной соли), кислот и щелочей. Хорошая электрическая проводимость проводников объясняется наличием в них большого количества свободных заряженных частиц. Так, в металлическом проводнике часть электронов, покинув атомы, свободно перемещается по всему его объему (см. рис .3), и количество таких электронов достигает в см3. Влажная земля, тела людей и животных хорошо проводят электрический ток, так как содержат вещества, являющиеся проводниками.

Рис. 3. Покинувшие атом электроны

Диэлектрики

Диэлектрики – это вещества, которые плохо проводят электрический ток. Диэлектриками являются некоторые твердые вещества (эбонит, фарфор, резина, стекло и др.), некоторые жидкости (дистиллированная вода, керосин и др.) и некоторые газы (водород, азот и др.). В диэлектриках почти отсутствуют свободные заряженные частицы, поэтому диэлектрики практически не проводят электрический ток. Проводники и диэлектрики широко используют в промышленности, быту, технике. Так, провода, по которым подводят электрический ток от электростанций к потребителям, изготавливают из металлов – хороших проводников. При этом на опорах провода располагают на изоляторах – это предупреждает стекание электрического заряда в землю. Для этого же слоями диэлектрика покрывают провода, прокладываемые в земле.

Полупроводники

Существует также множество веществ, которые называют полупроводниками. В обычных условиях они плохо проводят электрический ток, и их можно отнести к диэлектрикам. Однако, если, например, повысить температуру или увеличить освещенность полупроводников, в них появляется достаточное количество свободных заряженных частиц – и полупроводники становятся проводниками. К полупроводникам относятся такие вещества, как германий, кремний, мышьяк и др.; их широко используют для изготовления радиоэлектронной аппаратуры, солнечных батарей и т.д.

Многим знакома ситуация: необходимо срочно позвонить, вы берете мобильный телефон и с огорчением обнаруживаете, что батарея аккумуляторов разрядилась, а телефон из чуда технической мысли превратился в кусок пластика. То же самое может произойти и с аккумуляторами фотоаппарата, плейера, фонарика, часов. Как же работает этот загадочный аккумулятор? Чем-то он напоминает наш организм, не правда ли? Ведь мы способны выполнять большой объём работы после еды, однако со временем начинаем ощущать усталость, слабость, наша энергия начинает иссякать. И нам необходимо отдохнуть, подкрепиться, чтобы с новыми силами приступить к работе. Естественно, что любое исправное электротехническое устройство будет работать только в том случае, если выполнены условия возникновения и существования электрического тока: наличие свободных заряженных частиц и наличие электрического поля. За создание электрического поля отвечают источники тока. В источниках тока электрическое поле создается и поддерживается благодаря разделению разноименных электрических зарядов. В результате на одном полюсе источника накапливаются частицы, имеющие положительный заряд, а на втором – частицы, имеющие отрицательный заряд. Между полюсами возникает электрическое поле. Под действием этого поля в проводнике, соединяющем полюса источника, свободные заряженные частицы начинают направленное движение, то есть возникает электрический ток. Однако разделить разноименные заряды не так просто, ведь между ними существуют силы притяжения. Для разделения разноименных зарядов, а следовательно, для создания электрического поля, необходимо выполнить работу. И выполнить ее можно за счет механической, химической, тепловой и других видов энергии.

Источники электрического тока

Источники электрического тока – устройства, которые превращают различные виды энергии в электрическую энергию. Все источники электрического тока можно условно разделить на физические и химические. К физическим источникам электрического токапринято относить устройства, в которых разделение зарядов происходит за счет механической, световой или тепловой энергии. Примерами таких источников тока могут быть электрофорная машина, турбогенераторы электростанций, фото- и термоэлементы и др. Несмотря на все разнообразие физических источников электрического тока, в повседневной жизни мы чаще имеем дело с химическими источниками электрического тока – гальваническими элементами и аккумуляторами. Химическими источниками электрического тока называют устройства, в которых разделение зарядов происходит за счет энергии, выделяющейся в процессе химических реакций. Возьмём медную и цинковую пластины и очистим их поверхности. Между пластинами поместим ткань, смоченную в слабом растворе сульфатной кислоты (см. рис. 4).

Рис. 4. Простейший химический источник

Полученное устройство и есть простейший химический источник электрического тока – гальванический элемент. Если соединить пластины через гальванометр(чувствительный электроизмерительный прибор, часто используемый в качестве индикатора слабого электрического тока), то прибор зафиксирует наличие тока (см. рис. 5).

Рис. 5. Наличие тока в цепи

Гальванический элемент впервые создал итальянский ученый А.Вольта; он назвал его в честь своего соотечественника Л. Гальвани. Любой гальванический элемент состоит из двух электродов и электролита.Часто используют один металлический электрод, а второй – угольный или содержащий оксиды металлов. Электролитом служит твердое или жидкое вещество, которое проводит электрический ток благодаря наличию в нем большого количества свободных заряженных частиц – ионов. В описанном нами гальваническом элементе, электродами выступают цинковая и медная пластины, а электролитом – раствор сульфатной кислоты. Между электродами и электролитом происходят химические реакции, в результате которых один из электродов (анод)приобретает положительный заряд, а второй (катод)– отрицательный (см. рис. 6).

Рис. 6. Гальванический элемент

Когда запас веществ, принимающих участие в реакциях, истощается, гальванический элемент прекращает работать. Для обеспечения электропитания фотоаппаратов, плейеров, настенных часов, карманных фонариков и т.п. широко используется марганцево-цинковый элемент – один из видов гальванических элементов. Со временем гальванические элементы становятся непригодными к работе, и их нельзя использовать повторно. А вот другой вид химических источников электрического тока – электрические аккумуляторы– можно использовать многократно.

Аккумуляторы, как и гальванические элементы, состоят из двух электродов, помещенных в электролит. Однако их можно снова зарядить. При зарядке аккумулятора химические реакции идут в обратном направлении и концентрация сульфатной кислоты восстанавливается. Следует отметить, что и аккумуляторы, и гальванические элементы обычно объединяют и получают, соответственно, аккумуляторнуюбатарею и батарею гальванических элементов.По принципу действия современные химические источники тока почти не отличаются от созданных более двух столетий назад. При этом сейчас существует множество разнообразных видов гальванических элементов и аккумуляторов и продолжается активная разработка новых. Друг от друга они отличаются размерами, массой, энергоемкостью, сроком службы, надежностью, безопасностью, стоимостью и т.д. Выбор того или иного химического источника тока продиктован сферой его применения. Так, в автомобилях целесообразно использовать относительно дешевые кислотные аккумуляторные батареи, и то, что они довольно тяжелые, не является существенным. А вот источники тока для мобильных телефонов должны быть легкими и безопасными, поэтому в данном случае целесообразно использовать так называемые литий-ионные батареи, хотя они сравнительно недешевы.

Электрический ток в природе

Если вас попросят привести пример электричества в природе, то почти наверняка речь пойдёт о молнии. Действительно, молния является, наверное, одной из самых грандиозных демонстраций мощи электричества. Однако использует ли природа электричество так же повсеместно, как и человек? Оказывается, да. Практически все живые существа функционируют благодаря электричеству. Например, нервный импульс человека – это электрический сигнал. Любая клетка обладает электрическим полем. И таких примеров можно привести массу. Мы же поговорим о существах, которые используют электричество в наиболее неожиданных и полезных для себя вариантах – о рыбах. Рыбы используют разряды:

– для освещения себе пути,

– для защиты, нападения и оглушения жертвы,

– для передачи сигнала друг другу и заблаговременного обнаружения препятствий.

Самыми известными электрическими рыбами являются электрический угорь, электрический скат и электрический сом. У этих рыб имеются специальные органы для накопления электрической энергии. Небольшие напряжения, возникающие в обычных мышечных волокнах, суммируются здесь благодаря последовательному включению множества отдельных элементов, которые нервами, как проводниками, соединены в длинные батареи (см. рис. 7).

Рис. 7. Органы электрических рыб

Среди других электрических рыб особенно выделяется скат торпедо (см. рис. 8), который встречается в Атлантическом, Индийском и Тихом океанах.

Рис. 8. Скат торпедо

Размеры торпедо достигают двух метров. Каждый орган состоит из множества колодцев, вертикальных по отношению к поверхности тела и сгруппированных подобно пчелиным сотам. В каждом колодце, заполненном студенистым веществом, помещается столбик из 350–400 лежащих друг на друге дисков. Диски играют роль электродов в электрической батарее. Вся система приводится в действие особой электрической долей мозга (см. рис. 9).

Рис. 9. Орган торпедо

Напряжения тока, вырабатываемого угрем, достаточно, чтобы убить в воде рыбу или лягушку. Он может произвести удар более чем в 500 вольт (для сравнения в обычной сети квартиры 220 вольт)! Угорь создает особенно сильное напряжение тока, когда изогнется дугой так, что жертва находится между его хвостом и головой: получается замкнутое электрическое кольцо.

Характерная особенность рыб, имеющих электрические органы, их малая восприимчивость к действию электрического тока. Так, например, электрический угорь без вреда для себя переносит напряжение 220 В. Племена, живущие по отдаленным притокам южноамериканских рек Амазонки, Ориноко и др., в местах брода у каждого берега держат на привязи лошадей. Когда кто-то хочет переправиться на противоположный берег, то он вначале гонит перед собой лошадь (но не едет на ней!), а сам идет следом за лошадью. Обратный путь он проделывает таким же образом. Чем объясняется этот весьма своеобразный способ переправы? В реках северо-восточной части Южной Америки обитает самая мощная из всех известных электрических рыб – электрический угорь. По этой причине племена, живущие по притокам этих рек, в местах брода, там, где водится много электрических угрей, устраивают переправу с помощью лошадей. Электрические угри разряжают свои батареи о ноги лошадей и не успевают, так сказать, перезарядить это оружие, так что люди переходят реку невредимыми

Решение задач

Рассмотрим примеры решения нескольких важных задач, связанных с понятием электрического тока.

Задача1. Можно ли утверждать, что в источниках тока возникают положительные и отрицательные заряды?

Решение

Для ответа на поставленный вопрос необходимо вспомнить, что происходит в источнике тока? В источнике тока происходит разделение разноимённых электрических зарядов под действием неэлектрических сил, что приводит к тому, что на разных полюсах источника тока накапливаются частицы с зарядами разных знаков (см. рис. 10). Вследствие этого и возникает электрическое поле между полюсами источника. Таким образом, в источнике происходит только разделение зарядов, а не их возникновение.

Рис. 10. Разделение разноименных зарядов

Задача 2. Каким требованиям должен соответствовать материал для изготовления корпусов розеток и выключателей?

Решение

Как мы знаем из повседневного опыта, корпуса розетки и выключателя служат посредниками между человеком и электрической сетью. При этом человек сам является неплохим проводником электрического тока, поэтому, если бы не было защитных корпусов, случайное прикосновение человека к контактам могло бы привести к замыканию им электрической цепи и прохождению тока через тело человека. Именно поэтому корпуса розеток и выключателей делают обычно из пластмассы (и аналогичных материалов), то есть из веществ, которые не проводят электрический ток (диэлектриков).

Задача 3. Железный гвоздь и отрезок медного провода воткнули в лимон. Потечёт ли ток через провод, которым соединяют гвоздь и провод (см. рис. 11)?

Рис. 11. Иллюстрация к задаче

Решение

Фактически перед нами находится гальванический элемент. Кислота, содержащаяся в лимоне, будет играть роль электролита. Так как материалы, из которых изготовлены гвоздь и провод, разные, то и взаимодействовать с кислотой они будут по-разному, а значит, будет происходить разделение зарядов и данное устройство будет выполнять функции источника тока. В этом можно наглядно убедиться (см. рис. 12).

Рис. 12. Источник тока

Давайте посмотрим, как отреагирует гальванометр, если мы соединим его с медным проводом (см. рис. 13).

Рис. 13. Гальванометр соединили с медным проводом

Видим, что стрелка гальванометра отклоняется. Если мы соединим несколько лимонов, т.е. сделаем батарею из лимонов, то сможем получить достаточно существенный ток – такая батарея называется багдадской

Что такое батарейка?

Мы часто употребляем в обиходе слово «батарейка». Однако теперь, когда мы познакомились с источниками тока, можно определиться с тем, к какому же виду источников относится батарейка. Оказывается, что батарейки относятся к химическим источникам тока и могут быть как гальваническими элементами, так и аккумуляторами.

Батарейка – обиходное название источника электричества для автономного питания разнообразных устройств. Может представлять собой одиночный гальванический элемент, аккумулятор или их соединение в батарею. Часто мы слышим и такие понятия, как пальчиковая батарейка, «крона»… Что же они означают? Оказывается, батарейки принято классифицировать по различным критериям (размеры, характеристики, форма).

Основные виды батареек – минипальчиковая (или мизинчиковая – ААА), пальчиковая (АА), средняя (С), большая (D) и крона (см. рис. 14).

Рис. 14. Классификация батареек

Также батарейки классифицируют по типу электролита, который в них используется, поэтому батарейки бывают: сухие (твёрдый электролит), щелочные, серебряные, воздушно-цинковые, литиевые (см. рис. 15).

Рис. 15. Иная классификация батареек

На этом уроке мы узнали, что такое электрический ток, обсудили условия его возникновения и существования, а также поговорили об источниках электрического тока.

На следующем уроке мы поговорим об электрической цепи и её составных частях. На этом наш урок окончен. Спасибо за внимание.

Список рекомендованной литературы:

Домашнее задание

  1. Дайте определение проводникам, полупроводникам и диэлектрикам.
  2. Что такое батарейка? Каков принцип ее работы?
  3. Дайте определение электрического тока.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *