Электрический ток
Откуда и при каких условиях возникает электрический ток
Электрическая энергия с каждым днем все больше и больше проникает во все сферы нашей жизни, потихоньку вытесняя другие виды энергии. Электрический ток можно передавать на любые расстояния и в любых объемах. Электрический ток может применяться во многих областях нашей жизни, и перечислить их все просто не возможно.
А вот что же такое есть, этот электрический ток? Если натирать шелком янтарь, смолу, каучук и другие вещества, то в них начинает образовываться электрический заряд, причем в некоторых веществах электрический заряд положительный, а в других веществах электрический заряд может быть отрицательным. Вокруг электрического заряда образуется электрическое поле, и из-за этого электрического поля заряженные тела взаимодействуют между собой. Тела, имеющие заряд одного и того же знака отталкиваются (плюс всегда отталкивается от плюса, а минус всегда отталкивается от минуса). А если заряд тел имеет разные знаки, то эти тела притягиваются (плюс и минус притягиваются друг к другу).
В металлическом проводнике переносят электрический заряд электроны, которые оторвались от своих атомов. Эти электроны перемещаются между атомами свободно, и их так и называют — свободные электроны .
А что будет, если проводник поместить в электрическое поле?
Тогда движение электронов из хаотического состояния превратится в направленное. Такое направленное движение заряженных частиц и называют электрическим током . В процессе перемещения зарядов по проводнику электрическое поле исчезает. Для того, чтобы электрическое поле не исчезало, необходим источник тока. Он будет поддерживать это электрическое поле в проводнике. Источником тока может быть динамо-машина и генератор, гальванические элементы в батарейках и аккумуляторах.
Источники тока
Все источники электрического тока не имеют в себе заряда электрического тока, однако все они преобразуют в электрический ток другие виды энергии. В народном хозяйстве для производства электрического тока в основном применяются генераторы, они преобразуют в электрический ток механическую энергию.
Батарейки
Кроме механической энергии для производства электрического тока очень часто используется химическая энергия. Например, если в серную кислоту опустить медный и цинковый электроды, то из-за химической реакции начинает образовываться электрический ток. Если мы к концам этих электродов подключим лампочку или электромоторчик, то мы увидим, что лампочка загорелась, а электромоточик начал крутиться. Из-за того, что цинк начинает взаимодействовать с серной кислотой, происходит разделение заряженных частиц, и цинковая пластинка начинает заряжаться отрицательными зарядами, а медная пластинка начинает заряжаться положительными зарядами. Во время растворения цинка в кислоте образуется электрический ток, и по внешней цепи через лампочку или электромоторчик свободные электроны движутся от цинковой пластинки к медной пластинке.
Вместо медной пластинки можно использовать угольный элемент. В качестве электролита берется нашатырь, который замешивают на клейстере, а отрицательным электродом служит цинковая оболочка, и если к такой конструкции подключить приемник электрического тока (лампочку или электромотрчик), то химическая энергия начнет превращаться в электрическую.
В процессе работы таких гальванических элементов электроды разрушаются, а химический состав раствора изменяет свои свойства и характеристики. И тогда использованную батарейку надо поменять на новую батарейку. Эти разрушающие и изменяющие процессы необратимы.
Аккумуляторы
Источники электрического тока с обратимыми химическими процессами — это щелочные, кислотные и литиевые аккумуляторы.
Простой кислотный аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин, погруженных в серную кислоту, но этого пока еще недостаточно для того, чтобы аккумулятор был источником тока. Для того, чтобы аккумулятор зарядился, его надо подключить к другому источнику электрического тока. После зарядки аккумулятор уже сам является источником электрического тока, и к нему можно подключить какую-нибудь нагрузку (лампочку или электрический моторчик). И пока лампочка горит (пока электромоторчик крутится) аккумулятор разряжается и постепенно возвращается в свое первоначальное состояние, после чего аккумулятору снова требуется подзарядка.
Термоэлектрический ток
Проведем такой эксперимент: спаяем два металлических стержня, один из висмута, второй из меди. Место спайки нагреем на открытом огне. При этом в цепи будет образовываться электрический ток за счет преобразования тепловой энергии в электрическую. Такую спайку называют термоэлементом , а возникающий в ней электрический ток называют термоэлектрическим .
Такими термоэлементами комплектуются термоэлектрические батареи для экспедиций и зимовок.
Световая энергия
Электрический ток можно преобразовывать из световой энергии. Для этого применяется устройство, которое называется фотоэлемент. В состав фотоэлемента входит селен, цезий, сурьма, кремний и другие химические элементы. При помощи фотоэлементов в старых кинолентах воспроизводили звук, записанный на кинопленку. При помощи фотоэлементов измеряют уровень освещенности рабочих мест на производстве, для фото и киносъемки, в автоматике, на космических кораблях и станциях.
Электрический ток в металлах и электролитах
В металлических материалах электрический заряд переносят свободные электроны. При отсутствии тока в цепи свободные электроны хаотически движутся между положительно заряженными ионами кристаллической решетки. Сумма отрицательных зарядов всех свободных электронов равна сумме положительных зарядов ионной кристаллической решетки. А значит, металл электрически нейтрален, и в цепи отсутствует электрический ток. Но если же в проводнике будет создано электрическое поле, то все свободные электроны начинают двигаться в определенном направлении, и в цепи появляется электрический ток.
В электролитах, щелочах и кислотах ток возникает несколько по-иному. В дистилированной воде отсутствуют электрические частицы, которые переносят электрические заряды, а значит, дистилированная вода — изолятор. Но если добавить в эту воду кислоту, щелочь или соль (к примеру, раствор медного купороса), то в цепи сразу появляется носитель электрических зарядов, то есть возникает электрический ток.
Итак, что же такое носители электрических зарядов?
Молекулы солей, щелочей, кислот являются электрически нейтральными. В воде эти молекулы распадаются на ионы с противоположными и равными по величине зарядами:
- положительные заряды, которые теряют свой электрон
- отрицательные заряды, у которых есть лишний электрон.
Электролит — это проводник. Под действием электрического поля ионы начинают направленное движение. Положительные ионы двигаются к катоду. Здесь они получают свободные электроны и становятся нейтральными атомами. Отрицательные ионы двигаются по направлению к аноду. Отдав свой электрон, отрицательный электрон становится нейтральным атомом и оседает на электроде. Электрический ток в электролите — это направленное движение ионов.
Электрический ток может быть как слабым, так и сильным. При слабом токе по цепи за определенное количество времени протекает малое количество электронов. При сильном токе по цепи за единицу времени протекает большее количество электронов. Величину электрического заряда также называют количеством электричества . А сила тока — это количество электричества, которое проходит через поперечное сечение проводника в течение одной секунды. В любой электрической цепи, если она замкнута, электрический ток совершает какую-либо работу. Ток нагревает проводники, лампочка светится, заряжается аккумулятор, вращается электродвигатель (электромоточик).
Действие количества работы электрического тока можно понять на следующем примере: две лампочки подключены к разным источникам тока — одна лампочка подключена к батарейке, а другая к городской сети. Амперметр показывает, что ток в обеих цепях протекает примерно одинаковый, а вот работа производится разная. Лампа, включенная в цепь от городской сети выделяет гораздо больше тепла, чем лампочка от карманного фонарика.
Величина работы электрического тока зависит от двух составляющих:
- сила тока (можно измерить амперметром)
- напряжение (можно измерить вольтметром).
Сопротивление проводников
Некоторые материалы плохо передают электрические заряды, например, стекло, фарфор, канифоль, асбест, резина, пластмасса, дистилированная вода, сухая бумага и многие другие. Эти вещества — изоляторы . А есть материалы, хорошо передающие электрические заряды, такие как: сталь, бронза, медь, алюминий, благородные металлы, растворы солей, щелочей, кислот. Эти материалы — проводники электрического тока.
Закон Ома
Сила тока в проводнике зависит от напряжения на концах этого проводника и от свойств самого проводника. Если в цепь с источником тока включить поочередно различные проводники, то при одном и том же напряжении сила тока на концах этих проводников окажется неодинаковой. А если мы к одному и тому же источнику будем прикладывать различное напряжение, то и сила тока будет изменяться на концах этого проводника прямо пропорционально напряжению.
График зависимости силы тока от напряжения
U — напряжение, J — сила тока
Говоря другими словами, чем больше напряжение (вольт), тем больше сила тока (Ампер). Напряжение и сила тока увеличивается в одинаковое количество раз. Отношение напряжения к силе тока для одного и того же проводника — это величина постоянная, эта величина характеризует свойства проводника, и она называется сопротивлением.
Свободные электроны при перемещении по кристаллической решетке взаимодействуют с ионами, которые являются препятствием на их пути, и для преодоления этого препятствия электроны тратят некоторую часть своей энергии, что приводит к уменьшению силы тока в проводнике. Эти три величины (сила тока, напряжение, сопротивление) характеризуют любую электрическую цепь. Они всегда связаны между собой, и эта связь называется законом Ома.
Закон Ома читается так: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.
Закон Ома является одним из основных законов электрического тока.
Открытие электрического тока Фарадеем в 19 веке перевернуло жизнь всего человечества. Появилась электрическая тяга, электрическая плавка металлов, электрификация сельского хозяйства, использование электричества в медицинских целях, для бытовых нужд, и все это приводит в действие и заставляет работать электрическая энергия. Энергетика питает заводы и фабрики, города и села, целые страны и целые континенты.
Есть вопросы? Спрашивайте, ответим!
Консультация и срочная доставка
тёплых полов Теплолюкс
Национальный Комфорт
Теплолюкс-Profi
Выезд на ремонт тёплого пола
(495) 229–39–84
2293984@mail.ru
Электрический ток в металлах
Экспериментальное доказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов, было дано в опытах Мандельштама и Папалекси (1913), Стюарта и Толмена (1916). Из этих опытов следует, что электрический ток создаётся движением отрицательно заряженных частиц, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона:
�� �� = 1,75882 ⋅ 10 11 К л / к г .
Под действием электрического поля свободные электроны в металлах приобретают направленное движение, при этом хаотичность сохраняется.
Сила тока в проводнике �� пропорциональна дрейфовой скорости частиц. Поэтому сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника �� ~ �� . В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.
В проводнике с площадью поперечного сечения �� связь силы тока �� и дрейфовой скорости частиц �� определяется формулой:
Электроны в металлах движутся под действием электрического поля, напряженность которого равна Е.
При этом оно действует на электроны с силой F=qE. Почему же электроны не движутся равноускоренно?
Лучший ответ
При направленном движении (дрейфе) свободных электронов в проводнике они сталкиваются на своем пути с положительными ионами (атомами и молекулами) металла, из которого выполнен проводник, и передают им часть своей энергии — вплоть до противоположного движения: едва начав разгоняться полем Е, электрон испытывает столкновение, изменяет вектор скорости, но тут же вновь ускоряется — до следующего столкновения …
Статистически это эквивалентно тому, что электрическое поле Е за счёт этого дрейфа создаёт что-то вроде динамической силы «трения», которая для каждой величины поля Е определяет скорость этого дрейфа.
Остальные ответы
Похожие вопросы
Физика. 10 класс
§ 34. Электрический ток в металлах. Сверхпроводимость
Типичными представителями класса проводников являются металлы. Какова природа электрического тока в металлах?
Природа электрического тока в металлах. В металлических проводниках носители электрического заряда — свободные электроны. Под действием внешнего электрического поля свободные электроны упорядоченно движутся, создавая электрический ток ( рис. 194 ).
Электронная проводимость металлов была впервые экспериментально подтверждена немецким физиком К. Рикке ( 1845–1915 ) в 1901 г. Суть опыта Рикке заключалась в следующем: по проводнику, состоявшему из трёх отполированных и плотно прижатых друг к другу цилиндров — двух медных и одного алюминиевого ( рис. 195 ), в течение года проходил ток одного и того же направления. За этот промежуток времени через проводник прошёл заряд более 3,5 МКл. После завершения опыта взвешивание показало, что массы цилиндров остались неизменными. Это явилось экспериментальным доказательством того, что перенос заряда при прохождении тока в металлах не сопровождается химическими процессами и переносом вещества, а осуществляется частицами, которые являются одинаковыми для всех металлов, т. е. электронами.
В 1916 г. американский физик Р. Толмен ( 1881—1948 ) и шотландский физик Т. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением свободных электронов.
В этих опытах катушку с большим числом витков тонкой проволоки подключали к гальванометру и приводили в быстрое вращение вокруг своей оси ( рис. 195.1 ). При резком торможении катушки в цепи возникал кратковременный ток, обусловленный инерцией носителей заряда. По направлению отклонения стрелки гальванометра было установлено, что электрический ток создают отрицательно заряженные частицы. При этом экспериментально полученное отношение заряда каждой из этих частиц к её массе (удельный заряд) близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было экспериментально доказано, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.
Вещества, обладающие электронной проводимостью, называют проводниками первого рода.
В соответствии с классической электронной теорией проводимости металлов, созданной немецким физиком П. Друде ( 1863–1906 ) в 1900 г., металлический проводник можно рассматривать как физическую систему, состоящую из свободных электронов и положительно заряженных ионов, колеблющихся около положений равновесия ( рис. 196 ).
Появление свободных электронов при образовании металлического кристалла из нейтральных атомов можно упрощённо объяснить следующим образом. Электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов, слабо связаны со своими ядрами. При образовании кристалла атомы сближаются на расстояние r 0,1 нм , и электроны начинают взаимодействовать не только со своими ядрами, но и с ядрами соседних атомов. В результате этого их взаимодействие с собственными ядрами значительно ослабевает, вследствие чего они теряют с ними связь и могут двигаться по всему кристаллу в любом направлении как свободные частицы. Атомы превращаются при этом в положительно заряженные ионы. В пространстве между ионами беспорядочно движутся подобно частицам идеального газа свободные электроны. Поэтому для описания движения электронов используют модель «электронный газ» — совокупность свободных электронов в кристаллической решётке металла. На рисунке 196.1 пунктирной линией изображена траектория движения одного из электронов.
В этой модели электроны, упорядоченное движение которых является током проводимости, рассматривают как материальные точки, модуль потенциальной энергии взаимодействия которых пренебрежимо мал по сравнению с их кинетической энергией. Считают, что движение электронов под действием электрического поля подчиняется законам классической механики, а их столкновения с ионами кристаллической решётки металла являются неупругими, т. е. при столкновениях электроны полностью передают ионам кинетическую энергию своего упорядоченного движения. В промежутках между столкновениями свободные электроны совершают беспорядочное тепловое движение и в то же время движутся упорядоченно и равноускоренно под воздействием электрического поля.
Интересно знать
Модель электронного газа позволяет теоретически объяснить природу сопротивления и обосновать закон Ома для участка цепи, не содержащего источника тока, на основе классической электронной теории проводимости металлов. Проанализируем упорядоченное движение электронов проводимости.
Пусть электрон движется с ускорением в направлении, противоположном направлению напряжённости электрического поля ( рис. 196.2 ): где m0 — масса электрона, e — элементарный электрический заряд (модуль заряда электрона).
Тогда модуль средней скорости его направленного движения: , где — усреднённый промежуток времени между двумя последовательными столкновениями электрона с ионами кристаллической решётки.
Поскольку электрическое поле внутри однородного прямолинейного проводника с током однородное, то модуль напряжённости этого поля где l — длина проводника, U — напряжение между его концами. Тогда модуль средней скорости направленного движения электронов пропорционален напряжению между концами проводника .
Сила тока в проводнике пропорциональна модулю средней скорости направленного движения электронов:
где q — модуль заряда электронов проводимости, находящихся в проводнике, — усреднённое время прохождения этих электронов по проводнику, N — количество электронов проводимости в проводнике, n — концентрация этих электронов, V = Sl — объём проводника. Следовательно, сила тока пропорциональна напряжению между концами проводника I U.