Электрический ток

Откуда и при каких условиях возникает электрический ток

Изучение электрического тока

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

Аккумулятор

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:

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:

  1. сила тока (можно измерить амперметром)
  2. 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

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.

* * *

Электрический транспорт (трамвай)

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...

Добавить сайт в закладки

Еще по теме: