На прошлых уроках мы с вами говорили о том, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение свободных носителей зарядов.
Как вы знаете, увидеть эти заряды невозможно, так как они очень малы. Но существуют явления, которые убеждают нас в их реальности. Всё дело в том, что прохождение электрических зарядов в среде сопровождается несколькими очень важными физическими явлениями, которые с большой пользой применяются в практической жизни. Такие явления принято называть действиями электрического тока. К числу самых очевидных принадлежат: тепловое, химическое и магнитное действия тока.
Рассмотрим каждое из них более подробно. И начнём с теплового действия тока. Оно проявляется в том, что среда, в которой протекает ток, нагревается. Именно это действие человек давно и успешно использует в электрических утюгах, электрочайниках и кофеварках, в обычных электролампах с металлической спиралью.
Поднесите руку к горящей электрической лампе, и вы сразу почувствуете около неё тепло, то есть нагретая электрическим током лампа излучает энергию.
А почему вообще светится электрическая лампа?
Дело в том, что тонкая вольфрамовая проволочка внутри лампы, которую хорошо видно через прозрачное стекло, нагревается при прохождении по ней электрического тока, раскаляется и начинает светиться.
Можно проделать простой опыт, демонстрирующий подобное тепловое действие тока. Присоединим к полюсам источника тока тонкую проволоку, лучше железную или никелиновую. Замкнув ключ, будем наблюдать, как эта проволока сначала немного провиснет (она нагрелась и удлинилась), а затем начнёт накаливаться и краснеть.
Тепловое действие тока проявляется не только, когда он течёт в твёрдых проводниках, но и в газах (вспомните молнию), и в жидкостях, в чём можно убедиться на простом опыте. Опустим в стакан с обычной питьевой водой две металлические или угольные пластины — электроды — и пропустим ток от источника, дающего небольшое напряжение.
|
|
Уже через 10 — 15 секунд термометр начнёт показывать повышение температуры жидкости.
Причину теплового действия тока можно объяснить, используя простые рассуждения. Электрическое поле, передвигая заряженную частицу, разгоняет её и совершает положительную работу, то есть увеличивает её кинетическую энергию. Но разгоняемая частица неизбежно и многократно сталкивается с частицами среды, (атомами, молекулами и ионами). Сталкиваясь, она передаёт им часть своей энергии, что приводит к увеличению их энергии, а значит, к росту внутренней энергии проводящей среды. Скорость заряженной частицы и её энергия при этом уменьшаются.
Кроме теплового действия, ток может производить в среде и химическое действие. Если внимательно понаблюдать за электродами в только что проводимом опыте, то можно увидеть образование на них мелких пузырьков газа.
Это не кипение воды при соприкосновении её с горячим телом. Электроды едва тёплые, в чём можно убедиться, потрогав их рукой. Это результат химических изменений в воде при пропускании через неё тока.
Поскольку исследование выделяемых газов в условиях школьного кабинета физики затруднительно, то мы видоизменим опыт, используя вместо обычной воды голубой раствор медного купороса CuSO4.
|
|
Опустив в сосуд чистые угольные электроды, через 1 — 2 минуты после включения тока мы увидим хорошо заметный красный налёт на одном из электродов, соединённом с отрицательным полюсом источника тока. Это — медь, которая выделяется из сложного соединения. Причём она очень чистая.
Таким образом, химическое действие электрического тока проявляется в том, что при его прохождении через растворы солей, кислот или щелочей на электродах выделяется вещество.
В твёрдых телах, где образующие среду частицы (атомы, молекулы, ионы) весьма жёстко связаны друг с другом и ограничены в своих движениях, химические изменения обычно не происходят.
Химическое действие тока используется на практике. Так английский химик и один из основателей электрометаллургии сэр Г. Дэви разработал методику получения металлов с наименьшим количеством примесей благодаря химическому действию тока.
Действуя по методике, использованной нами в опыте с медным купоросом, можно нанести на поверхности деталей и предметов тонкие слои никеля, хрома, серебра, золота, придающие покрываемым изделиям красивый вид и защищающие их от ржавления. Открытие и техническая разработка данного процесса, который называют гальванотехникой, принадлежит русскому учёному Б. С. Якоби.
Химическое действие ток может производить и в газах. Так, например, нидерландский физик М. Марум по характерному запаху и окислительным свойствам, которые приобретает воздух после пропускания через него электрических искр, открыл озон.
(Озон — это особая форма кислорода, молекулы которого состоят из трёх атомов).
|
|
Третье действие тока — магнитное — очень долго ускользало от внимания учёных и было обнаружено опытным путём лишь в 1820 г. датским физиком Х. К. Эрстедом. На одной из лекций он демонстрировал студентам нагрев проволоки электричеством от вольтова столба. На демонстрационном столе в этот момент находился морской компас, поверх стеклянной крышки которого, проходил один из проводов цепи.
Когда Эрстед замкнул цепь, кто-то из студентов случайно заметил, что магнитная стрелка компаса отклонилась в сторону, тем самым фиксируя наличие магнитного поля.
Мы же с вами для наблюдения магнитного действия тока проведём следующий эксперимент. Обмотаем медной изолированной проволокой железный стержень и пропустим по такой катушке ток.
Поднося к ней коробку с мелкими железными предметами (гвозди, шурупы, гайки), мы увидим, что катушка с током превращается в достаточно сильный магнит, причём свойство это связано именно с текущим током. Действительно, выключив ток, мы увидим потерю катушкой магнетизма.
Магнитное действие тока, наблюдаемое в этом опыте, является самым универсальным действием. Оно проявляется при протекании тока как в твёрдых телах, так и в жидкостях, газах. Также если заставить направленно перемещаться заряды в сильно разреженном пространстве, то и здесь ток будет производить магнитное действие (в технике такое явление называют током в вакууме).
Посмотрите внимательно на рисунок, на котором изображён электрический звонок. В основе его работы также лежит магнитное действие электрического тока.
Ток в цепь звонка поступает через клеммы А и В. В точке С проводник с током соединяется с подвижной металлической пластиной, благодаря которой молоточек звонка ударяет по звонковой чаше.
Теперь рассмотрим взаимодействие проводника с током и магнита.
Поместим между полюсами подковообразного магнита металлическую рамку, соединённую с источником тока. Рамка находится в покое, пока цепь не замкнута, то есть пока в ней нет электрического тока. При замыкании цепи рамка повернётся.
Наблюдаемое нами явление взаимодействия рамки с током и магнита лежит в основе работы гальванометра — прибора, с помощью которого можно судить о наличии тока в проводнике и его направлении.
Стрелка этого прибора связана с подвижной катушкой, и когда в катушке появляется ток, она откланяется, увлекая за собой стрелку прибора.
Во второй половине ХХ в. были созданы принципиально новые источники света. Излучение света происходит в них не за счёт высокой температуры проводящей ток среды, а в силу более сложных процессов. Это светодиодные лампы, которые всё чаще применяются в повседневной жизни.
Здесь используется ещё одно действие тока — световое. Таким образом, световое действие тока обнаруживается в появлении светового излучения при прохождении электрического тока.