Выражение «электрический ток» довольно часто используется в повседневной жизни. Например, когда зажигается лампочка, то говорят, что по её спирали проходит электрический ток…
При нагревании воды в электрическом чайнике или нагревании электроплиты говорят, что по их нагревательным элементам также проходит электрический ток.
Так что же такое электрический ток? И что необходимо для его возникновения и существования?
На эти и другие вопросы мы и попытаемся с вами ответить.
Прежде всего, разберёмся, что такое ток. Слово «ток» означает течение или движение чего-либо. Всем нам понятно, когда говорят о течении в определённом направлении воды или другой жидкости в трубах, о потоке воды в русле реки и так далее. Но что же может перемещаться в электрических проводах?
Вспомните, что слово «электричество» связано с понятием «электрический заряд». Следовательно, электрический ток связан с движением (течением) электрических зарядов.
Таким образом, электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц.
Обратите внимание на очень важное слово в этом определении: «упорядоченное». Иначе говоря, не всякое движение заряженных частиц есть электрический ток. Так, например, в металлах при нормальных условиях свободные электроны движутся хаотически, то есть во всевозможных направлениях. А вот для того чтобы в этом кусочке металла возник электрический ток, электроны должны начать движение в каком-то одном определённом направлении.
Как же можно создать такие условия, при которых все заряженные частицы начали бы двигаться в одном направлении?
С самым простым случаем возникновения электрического тока в проводнике мы уже встречались. Вспомните опыт с заряженным и незаряженным электроскопами. Достаточно соединить их проводником, и заряды начнут перетекать с заряженного тела на незаряженное, то есть начнётся упорядоченное движение заряженных частиц. А как только заряды на обоих шарах станут равными, ток прекратится.
|
|
В общем случае, чтобы в проводнике возник электрический ток, в нём необходимо создать электрическое поле. Тогда заряженные частицы под действием поля придут в движение в направлении действия на них электрических сил, и, следовательно, в проводнике возникнет электрический ток. При этом он будет существовать так долго, как долго будет действовать электрическое поле на заряженные частицы.
Таким образом, для того чтобы в теле существовал электрический ток, необходимо, во-первых, наличие свободных носителей зарядов, и во-вторых, наличие электрического поля, под действием которого заряды приходят в упорядоченное движение.
Так, например, электрический ток в металлах представляет собой направленное движение электронов, а в растворах солей и кислот — это направленное движение ионов.
Рассмотрим механизм протекания электрического тока в жидкостях. Вы уже знаете, что не все они являются проводниками электрического тока. Так, например, дистиллированная вода не содержит свободных зарядов, поэтому в ней электрический ток возникнуть не может.
Чтобы убедиться в этом, проделаем следующий опыт. В сосуд с дистиллированной водой опустим два электрода (две пластинки) и подсоединим их к цепи, состоящей из источника тока, лампочки и ключа.
|
|
При замкнутом ключе между электродами возникнет электрическое поле, но лампочка гореть не будет. Значит, тока в цепи нет.
Теперь добавим в воду обыкновенную поваренную соль. Размешаем раствор — и лампочка загорится.
Очевидно, что в соляном растворе появились свободные заряды. Причина их образования — явление электролитической диссоциации, вследствие которой молекулы поваренной соли, взаимодействуя с молекулами воды, распадаются на ионы: положительный ион натрия и отрицательный ион хлора.
Так же мы с вами говорили о том, что газы в обычных условиях являются хорошими изоляторами. В них, как и в дистиллированной воде, нет свободных электрических зарядов. Но вы знаете, что при определённых условиях газы могут стать проводниками тока.
Поскольку молекулы газа электрически нейтральны, то для того, чтобы газ стал проводником электрического тока, необходимо каким-либо способом получить некоторое число свободных электрических зарядов: электронов и положительных ионов.
Создать свободные электрические заряды в газе можно разными способами. Достаточно, например, в промежуток между металлическими дисками внести пламя спиртовки, как стрелка гальванометра, которая до этого стояла на нулевом делении, отклонится, что свидетельствует о прохождении электрического тока по цепи.
Чтобы электрический ток не прекращался, нужно поддерживать электрическое поле, для чего служат источники тока, или генераторы. Они могут быть различны, но во всех них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Эти разделённые частицы накапливаются на полюсах источника тока. Соответственно, один полюс заряжается положительно, а другой — отрицательно.
|
|
Между полюсами источника образуется электрическое поле, и если соединить их проводником, то поле возникнет и в проводнике. Под действием этого поля свободные электроны, находящиеся в проводнике, начнут направленно двигаться под действием этого поля, и в проводнике возникнет электрический ток.
Таким образом, в любом источнике тока в процессе работы по разделению зарядов совершается работа. При этом различные виды энергии (а это может быть, например, механическая, химическая или внутренняя энергия) превращаются в электрическую.
Например, превращение механической энергии в электрическую происходит в электрофорной машине. При вращении рукоятки машины приходят в движение её пластмассовые диски, находящиеся на небольшом расстоянии друг от друга. Вращаясь в противоположные стороны, диски электризуют друг друга. Пластинки из фольги, нанесённые на диски, соприкасаются с металлическими щётками электрофорной машины, которые и передают заряд на шары. Происходит непрерывное разделение зарядов, в результате которого один из шаров электрофорной машины заряжается положительно, другой — отрицательно.
Чтобы в этом убедиться, достаточно сблизить шары и между ними проскочит искра, то есть потечёт электрический ток.
Превращение внутренней энергии в электрическую можно наблюдать на следующем опыте. Если нагреть место соединения двух проволок, изготовленных из различных металлов, то прибор зафиксирует электрический ток.
Такой источник тока называют термоэлементом или термопарой.
В гальваническом элементе (в батарейке) заряды разделяются при химических реакциях. Выделяющаяся при этих реакциях внутренняя энергия превращается в электрическую.
Рассмотрим более подробно устройство гальванического элемента и аккумулятора, которые явились одними из первых источников тока и используются в настоящее время.
Своё название эти источники тока получили в честь итальянского медика, профессора анатомии Луиджи Гальвани.
История физики знает немало открытий, возникших по воле случая. Ярким образцом подобного открытия является опыт ГальвАни. Учёный исследовал нервную систему лягушки при работающей рядом электрофорной машине. Совершенно случайно коснувшись остриём скальпеля нервов препарированной лягушки, он обнаружил сокращение мышц её лапки тогда, когда в электрофорной машине проскакивала искра.
Явление было столь необычным и неожиданным, а причины — столь непонятными, что, как писал Гальвани, он «зажёгся невероятным усердием и страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нём скрытого».
Учёный провёл огромное число различных экспериментов, выдвигал самые разнообразные гипотезы. В частности, Гальвани установил, что для наблюдения этого необычного явления нужны металлы, и показал, что разные металлы дают разную степень эффекта.
Однако, будучи физиологом, а не физиком, Гальвани решил, что в теле лягушки существует особое «животное электричество».
Итальянский физик А. Вольта, изучая опыты Гальвани, пришёл к другому выводу. Он показал, что причиной сокращения мышц является не «животное электричество», а электрический ток, возникающий вследствие прикосновения металла к влажному телу лягушки, лежащей на металлической поверхности. Именно контакт двух разнородных металлов стал своеобразным источником тока.
Один из простейших гальванических элементов — элемент Вольта — состоит из соединённых между собой колец цинка, меди и сукна, пропитанного кислотой.
В результате взаимодействия металлов с кислотой медная пластина становится положительно заряженной, а цинковая — отрицательно заряженной. Между этими заряженными пластинами, которые называют электродами, возникает электрическое поле. Если соединить электроды проводником, то в нём возникнет электрический ток.
Вольтов столб
Отличительной особенностью всех гальванических элементов является то, что при их работе расходуются электроды и раствор. Поэтому через некоторое время они приходят в негодность и их необходимо заменять новыми. С этой особенностью электрических батареек вы наверняка сталкивались в своей практике.
Аккумуляторы — другой тип источника тока. Одним из достоинств аккумулятора является то, что в них не расходуются электроды, благодаря обратимости внутренних химических процессов.
Для того чтобы аккумулятор стал источником тока, его сначала заряжают, пропуская через него ток от какого-нибудь другого источника тока. После того как аккумулятор зарядится, его используют уже в качестве самостоятельного источника.
Также в настоящее время в качестве источников тока всё чаще используют солнечные батареи, в которых энергия излучения Солнца преобразуется в электрическую энергию.
В основе этого процесса лежит явление фотоэффекта. Его суть заключается в том, что при освещении некоторых веществ светом, в них наблюдается потеря отрицательного электрического заряда.
Иными словами, под действием света в веществе возникает электрический ток, который затем и аккумулируется в солнечных батареях.