Введение
Мы рассмотрели понятие заряда, поговорили о носителях положительных и отрицательных зарядов, а также об их взаимодействии. Эти знания помогают объяснить некоторые электрические явления, например притяжение кусочков бумаги к наэлектризованной стеклянной палочке или отталкивание струи воды от наэлектризованной расчески.
Если воздействовать на заряженные частицы электрическим полем и заставить их двигаться, то можно использовать энергию этого движения. Лампа накаливания, электрочайник, аккумулятор и все другие устройства и приборы, работа которых связана с электричеством, используют энергию движения заряженных частиц или, говоря, по-другому, энергию электрического тока.
Действие тока
Заряд – это свойство частиц. То есть сам по себе он не может существовать, обязательно есть носители заряда, которые называют заряженными частицами или заряженными телами. Движение – это изменение положения тел в пространстве. Так вот, направленное движение заряженных частиц называют электрическим током. А сами движущиеся частицы называют носителями тока.
Почему движение «направленное»?
Ток – это направленное движение заряженных частиц. Почему мы говорим именно о направленном движении и почему это важно? Движение – это изменение положения тела, тело движется из одной точки в другую, оно не может быть не направленным. Здесь мы говорим о направленном движении в том смысле, что оно не должно быть хаотичным. Посмотрим на один электрон – он движется, причем в каждый момент времени в определенном направлении, пусть даже оно постоянно меняется. И вместе с ним переносится заряд. Но если рядом движется еще один электрон навстречу первому, он переносит заряд в противоположную сторону.
В зависимости от задачи, которую мы решаем, можно рассматривать на микроуровне токи, создаваемые каждым из электронов. Но, если говорить о переносе зарядов в системе из двух электронов, то его нет. Поэтому говорить о токе при хаотичном движении мы не будем – переноса заряда не происходит.
Молекулы воздуха тоже все время движутся, но это движение не обязательно означает наличие ветра. Ветер – это поток воздуха, то есть направленное движение его молекул.
Лампа накаливания светит потому, что нагревается ее нить, здесь нагревание должно быть. Но часто нагревание проводника с током – это лишние потери энергии, которые приходится учитывать. Часто такое нагревание происходит из-за вихревого движения электронов внутри проводника, тогда нужно рассматривать не только движение потока электронов, но и движение отдельных электронов.
Термин «электрический ток»
На самом деле, фразы «электрический ток» и «движение заряженных частиц» имеют один и тот же смысл, просто сформулированный разными словами.
«Электрический» – это прилагательное, описывающее все, что связано с одним из видов взаимодействия частиц: электрическое взаимодействие, электрический заряд, электрические явления. Слово «ток» означает течение, то есть движение чего-либо. То есть по смыслу электрический ток – это электрическое движение, движение электрических зарядов.
Мы привыкли к тому, что может двигаться масса. Сейчас говорим о движении зарядов, а заряд – это свойство частиц. И неясно, как может двигаться свойство. Конечно, движутся носители положительных и отрицательных зарядов (электроны и протоны), и это сопровождается переносом заряда и изменением свойства системы – именно это нас и будет интересовать.
Пример движения заряженных частиц мы можем увидеть в природе – это молния. Молния возникает, когда на облаках накапливается электрический заряд из-за трения слоев воздуха. Тогда избыточный заряд может перейти на Землю или на другое облако, заряженное противоположно. Это движение зарядов происходит очень быстро, а мы называем его молнией. Молния яркая, она излучает свет, а если она попадет в дерево, которое является плохим проводником, то оно загорится. Источником света и тепловой энергии здесь является энергия движения заряженных частиц. Эту энергию мы научились использовать, например в электрических приборах.
Какую еще выгоду мы можем извлечь из электрического тока, кроме теплового и светового действия? Еще есть химическое действие тока. Некоторые вещества при растворении в воде распадаются на атомы или группы атомов, в которых электронов больше или меньше, чем протонов, то есть такие частицы не будут электронейтральными. Их назвали ионами, а процесс разложения на ионы – электрической диссоциацией. Например, поваренная соль (NaCl) делится на два типа ионов: положительно заряженный Na и отрицательно заряженный Cl. Эти заряженные атомы и группы атомов в растворе – это свободные носители заряда, и их движение будет электрическим током.
При этом переносится вещество, и можно получать чистые вещества из растворов их соединений. В случае с раствором поваренной соли ионы натрия движутся к одному электроду, а ионы хлора – ко второму. Там ионы теряют заряд и образуются чистые вещества – натрий и хлор (см. рис. 1).
Рис. 1. Электрическая диссоциация
Чтобы выделить железные предметы или детали из кучи других, можно использовать магнит. Но обычный магнит не подходит – хорошо бы, чтобы его можно было «выключать» и не «отрывать» железо силой. На заводах используют специальные магниты – они работают только тогда, когда по ним течет электрический ток.
До сих пор мы говорили только об электрическом взаимодействии неподвижных зарядов. Кстати, синоним к слову «неподвижный» – «статичный», поэтому раздел физики, изучающий неподвижные заряды, называют еще электростатикой. Электрическое поле – это, на самом деле, проявление электромагнитного поля. Заряд создает вокруг себя электромагнитное поле, и у него есть две составляющие, два проявления. В системах отсчета, в которых заряд не движется, проявляется электрическая составляющая поля. В системах отсчета, в которых заряд движется, добавляется еще одна составляющая, которую назвали магнитной (см. рис. 2).
Рис. 2. Электрическая и магнитная составляющие заряда
Возьмем цилиндр и посмотрим на него сверху – увидим круг. Посмотрим сбоку – увидим прямоугольник. В разных проекциях получатся разные фигуры. И это не мешает нам изучать их отдельно. Так же и с электромагнитным полем. То, что есть электромагнитное поле, не отменяет всего, что мы выучили об электрических явлениях и что выучим о магнитных на следующих уроках. Магнитная составляющая электромагнитного поля проявляется в системах отсчета, в которых заряд движется. А как раз электрический ток – это движение заряда. Так что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, посредством которого он взаимодействует с другими такими проводниками, с постоянными магнитами и тоже притягивает железо. На этом основан принцип действия электромагнитов на заводах, о которых мы сказали раньше.
Условия возникновения электрического тока
1. Наличие свободных носителей заряда. Чтобы заряженные частицы двигались по веществу, они должны вообще там быть. В любом атоме есть протоны и электроны, но не все они могут свободно перемещаться, а для возникновения тока нужны именно свободные носители заряда. В металлах – это свободные электроны, которые в достаточном количестве покидают атомы, в то время как протоны прочно сцеплены с атомным ядром (см. рис. 3).
Рис. 3. Свободные заряды – электроны в металлах
Поэтому, когда речь идет о металлах, под электрическим током мы будем понимать именно движение электронов. Материалы, из которых сделаны провода во всех электрических приборах и линиях электропередач, – это металлы. Электрический ток в металлах получил широкое применение, и именно его мы и будем больше всего изучать.
Но свободные заряды есть не только в металлах: например, ионы в растворах некоторых веществ. Такие вещества, содержащие большое количество свободных зарядов, называют проводниками – они проводят ток.
Заряженные частицы в других средах
Итак, в металлах носителями тока являются свободные электроны. Есть вещества, в которых свободные электроны есть, но их не так много, как в металлах. Такие вещества называют полупроводниками. У таких веществ есть важные свойства, которые научились применять в технике: почти вся современная вычислительная техника состоит из полупроводников.
Есть вещества, которые называют электролитами. Если растворить их в воде или расплавить, то молекулы, из которых они состоят, распадаются на две заряженные части – ионы. Это такие атомы или группы атомов, в которых количество электронов больше или меньше количества протонов. Соответственно, они имеют отрицательный или положительный заряд. И, поскольку это жидкость, ионы могут свободно передвигаться по ее объему.
В газах также могут быть свободные заряженные частицы. Поскольку это газ, то все частицы будут «свободными», осталось только сделать их заряженными. Это возможно, если под каким-то внешним воздействием электроны покинут свои атомы или молекулы. Образуются свободные электроны и положительные ионы. Также свободный электрон может присоединиться к нейтральной молекуле, образуется отрицательный ион. Именно ионы являются свободными носителями для протекания тока в газах.
Кроме того, свободные заряженные частицы можно поместить в вакуум. Например, если поместить металлический провод в вакуум и нагреть его, то некоторые электроны покинут металл и будут находиться в вакууме.
О количестве свободных носителей заряда
Понятно, что чем больше количество свободных носителей заряда в веществе, тем лучше оно проводит ток. Теоретически, если знать для каждого вещества количество свободных носителей на кубический сантиметр, то можно сравнивать проводящие свойства веществ.
Для металлов таких таблиц обычно не делают, потому что в них свободных электронов в любом случае больше, чем может проникнуть сквозь вещество проводника, там ведь тоже не свободное пространство. А вот для растворов электролитов или для ионизированного газа количество свободных носителей заряда важно, оно больше влияет на протекание тока.
Обычная вода – хороший проводник, потому что в ней растворены различные соли (дистиллированная вода плохо проводит ток). Человеческое тело на 80% состоит из воды, а также других растворов, поэтому сравнительно хорошо проводит электрический ток, из-за чего прямой контакт тела с включенным в сеть проводником опасен. Поэтому все вилки и шнуры электроприборов (а также, например, рукоятки отверток) выполнены из пластика или резины – веществ, которые практически не проводят ток, так как у них практически отсутствуют свободные носители заряда. Такие вещества, как мы уже знаем, называются диэлектриками.
Просто поднести вилку к розетке недостаточно, чтобы прибор заработал – нужен прямой контакт. Воздух – плохой проводник, в нем практически нет свободных носителей заряда. Но при определенных условиях (например, высокой влажности) может стать проводником. Тогда мы наблюдаем искрение или молнии.
Мы постоянно используем фразы: «практически не проводят ток» и «почти нет носителей заряда». Сколько это «почти»? Зависит от задачи, которую мы решаем. И в диэлектриках может быть какое-то количество свободных носителей. Но если наш прибор не способен регистрировать ток, создаваемый даже миллионом электронов в секунду, то нам все равно, будет их там 100 или 200 – для нас их «почти нет». Принято считать диэлектриками вещества, в которых свободных носителей зарядов не более 100 млн на 
.
2. Необходимо заставить свободные носители заряда направленно двигаться. Для этого нужно подействовать на них другими зарядами, или можно сказать по-другому: «подействовать на них электрическим полем», потому что заряды взаимодействуют посредством электрического поля. Это можно сделать, разместив с одной стороны проводника множество положительных зарядов, с другой – множество отрицательных.
Другие примеры того, как разделение создает движение
Если на одном конце проводника будет избыток положительного заряда, а на втором – отрицательного, то по проводнику потечет ток. Заряды будут двигаться так, чтобы уравняться. Когда мы говорим про избыток положительного заряда, то подразумеваем недостаток электронов. Итак, с одной стороны проводника возникает недостаток электронов, с другой – избыток. Под воздействием электрического поля движение электронов будет направлено так, чтобы выровнять этот дисбаланс.
Это общая идея: если возникает неравномерность системы по какому-либо из параметров, то, в отсутствии внешнего воздействия, система стремится к «выравниванию» этого параметра.
Например, если теплое тело соединить с холодным, то через некоторое время их температуры уравняются. Мы уже знаем, почему так произойдет: температура определяется кинетической энергией частиц. У более нагретого тела эта энергия выше, а, значит, частицы в среднем обладают более высокой скоростью движения. Они более активно двигаются, соударяются с менее подвижными частицами холодного тела и передают им часть своей энергии. В результате средняя скорость молекул обоих тел будет выравниваться, пока не достигнет некоторого равновесного значения.
Проверим, будет ли достаточно выполнения этих двух условий. Да, мы получим электрический ток. Но пользы от него будет немного, поскольку он практически сразу прекратится: электроны распределятся по проводнику (см. рис. 4).
Рис. 4. Распределение зарядов в проводнике под действием электрического поля
В итоге общий заряд как с одной, так и с другой стороны проводника станет равным нулю, электрическое поле исчезнет. Соответственно, прекратится электрический ток. Поэтому для длительного протекания электрического тока необходимо создать и поддерживать электрическое поле, для этого нужно постоянно разделять заряды. Выделяют третье условие существования электрического тока: замкнутая цепь.
Устройства, которые обеспечивают разделение зарядов, называются источниками электрического тока. Источники тока постоянно разделяют электрические заряды, поэтому электрическое поле не исчезает. Разделенные заряды накапливаются на полюсах источника: отрицательном и положительном. В зависимости от того, за счет какой энергии происходит разделение зарядов, выделяют разные виды источников тока:
- К механическим источникам тока относится электрофорная машина (см. рис. 5).
Рис. 5. Электрофорная машина
Используется принцип электризации влиянием, когда присутствие электрического заряда рядом с проводником разделяет заряд в этом проводнике. При вращении подвижной части этот наведенный заряд переходит на накопитель, и далее процесс повторяется. Эта машина сейчас используется в основном для демонстрации физических явлений.
- К тепловым источникам тока относится термоэлемент. Принцип их работы основан на том, что разность температур в разных областях проводника заставляет электроны двигаться так, что заряды распределяются. Чаще всего термоэлементы применяются в различных датчиках температуры.
- К световым источникам относятся фотоэлементы. В них заряды разделяются при поглощении фотоэлементом энергии светового излучения. Из множества фотоэлементов состоят солнечные батареи. Также фотоэлементы используются в датчиках освещения.
- К химическим источникам относятся гальванические элементы и аккумуляторы. В них накопление и перенос заряда сопровождается переносом вещества и химическими реакциями. Несколько гальванических элементов, составленных вместе, называются батареей гальванических элементов, или попросту батарейкой. Батарейки и аккумуляторы имеют широкое применение: от бытовых приборов до аппаратуры на спутниках.
Основной источник электроэнергии – это электростанции, к которым вы подключаетесь через сеть электропередач, когда пользуетесь розеткой. Конечно, электростанция – это не огромная батарейка. Там разделение зарядов происходит немного по-другому, используется взаимосвязь электрического и магнитного полей, но более подробно мы будем говорить об этом в старших классах.
Итак, можно выделить три основных условия существования тока: внешнее электрическое поле, наличие свободных зарядов и, естественно, замкнутый контур, по которому будут двигаться заряды.
Эти условия обеспечиваются наличием проводника и источника тока. Чаще всего электрический ток мы будем рассматривать в цепи из металлических проводников и гальванических элементов, но вы должны понимать, что на их месте может быть любой источник тока и любой вид проводника.
Действия электрического тока проявляются в различных электрических приборах, например в лампе или нагревателе. Чтобы они работали, их необходимо подключить с помощью проводников к источнику тока. Соединение источника тока с электрическими приборами (потребителями) называется электрической цепью (см. рис. 6).
Рис. 6. Электрическая цепь
Поскольку источник тока может быть любым, да и потребители могут различаться, то удобнее изображать электрическую цепь схематически. Это будет называться схемой электрической цепи, или просто электрической схемой (см. рис. 7).
Рис. 7. Схема электрической цепи
Для каждого элемента цепи есть свои обозначения (см. рис. 8).
Рис. 8. Условные обозначения некоторых элементов цепи
Мы говорили о замкнутой цепи как об условии существования тока, то есть если цепь разомкнуть, ток течь не будет. Процесс замыкания/размыкания цепи осуществляется с помощью ключа (см. рис. 9).
Рис. 9. Условное обозначение ключа
Сила тока
Необходимо как-то оценивать ток количественно: есть молния, от удара которой загораются деревья и разрушаются здания, а есть батарейка, ток от которой мы даже не ощущаем. Понятно, что это разные вещи и ток молнии больше, сильнее, чем от батарейки. Как это «больше, сильнее» выразить?
Чтобы описать напор воды в шланге (трубе), удобно использовать следующую характеристику: какой объем (масса) воды протекает через сечение шланга за единицу времени. А электрический ток – это «поток» заряда. Удобно считать, какой заряд q проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени t. Эту величину назвали силой тока и договорились обозначать буквой I.
I= q/ t, [I] = А
В СИ сила тока измеряется в амперах.
Измеряют силу тока с помощью прибора, который называется амперметр. Принцип его действия основан на магнитном действии тока. Мы говорили, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле – составляющая электромагнитного поля. Так проводник может вступать в магнитное взаимодействие, причем чем больше ток через проводник внутри амперметра, тем сильнее будет магнитное взаимодействие. Именно по силе взаимодействия и определяют величину тока (см. рис. 10).
Рис. 10. Амперметр и его обозначение в схеме электрической цепи
Мы считаем ток скалярной величиной, бессмысленно говорить о направлении тока, он может течь, только повторяя форму проводника. Единственное, где могут быть варианты, – это одно из двух направлений. Когда что-то перемещается, передается и есть только два возможных направления, удобно использовать инструмент отрицательных чисел. Мы так делали, когда обозначали количество теплоты Q. Мы приняли его положительным, когда тело получает теплоту, и отрицательным – когда теряет. Для силы тока приняли направление от плюса к минусу источника, то есть направление движения положительно заряженных частиц.
А что делать, если в проводнике нет свободных положительно заряженных частиц? Например, в металле носителями тока являются электроны – отрицательно заряженные частицы. В этом случае направление тока противоположно направлению движения отрицательных частиц. Отрицательно заряженные электроны движутся от минуса к плюсу, это все равно, что такой же положительный заряд движется от плюса к минусу, и в математическом выражении это одно и то же. И если нам не важно, какие именно частицы движутся, а важна величина силы тока, то можем использовать эту модель: ток течет от плюса к минусу.
Движение положительных и отрицательных зарядов
Рассмотрим подробнее утверждение, что перемещение отрицательного заряда в одном направлении эквивалентно перемещению положительного заряда в противоположном.
Пусть в точке А был заряд 10 Кл, в точке Б был заряд 20 Кл. Из точки А переместился заряд 5 Кл в точку Б (см. рис. 11).
Рис. 11. Перемещение заряда от А к В
Итого, в точке А заряд уменьшился на 5 Кл, стал 10 – 5 = 5 Кл; в точке Б заряд увеличился на 5 Кл, стал 20 + 5 = 25 Кл.
Рассмотрим другую ситуацию. Пусть заряд –5 Кл переместился из точки Б в точку А (см. рис. 12).
Рис. 12. Перемещение заряда от В к А
Тогда в точке Б заряд уменьшился на –5 Кл, то есть стал: 20 – (–5) = 25 Кл. А в точке А заряд увеличился на –5 Кл и стал: 10 + (–5) = 5 Кл.
Видим, что итог одинаковый: что в первом, что во втором случае. То есть перенос положительного заряда из точки А в точку Б эквивалентен переносу отрицательного заряда из точки Б в точку А.
Список литературы
- Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. – М.: Мнемозина.
- Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Интернет-портад «class-fizika.narod.ru» (Источник)
- Интернет-портад «class-fizika.narod.ru» (Источник)
- Интернет-портад «class-fizika.narod.ru» (Источник)
- Интернет-портад «class-fizika.narod.ru» (Источник)
- Интернет-портад «class-fizika.narod.ru» (Источник)
Домашнее задание
- На каком действии электрического тока основано получение химически чистых металлов?
- Нарисуйте схему, в которой будет: источник тока, лампочка, амперметр, звонок и выключатель.
- В коробке перемешаны медные винты и железные шурупы. Каким образом можно быстро рассортировать их, имея аккумулятор, достаточно длинный медный изолированный провод и железный стержень?
