Как движутся свободные заряды в металлическом проводнике
В предыдущих параграфах мы показали, что электрический ток — это упорядоченное движение свободных электрических зарядов под действием электрического поля источника. Но мы пока не выяснили два вопроса: какие это заряды? Как они движутся? Сейчас, пожалуй, настало время получить ответ и на эти вопросы. Но предварительно необходимо вспомнить внутреннее строение металлических проводников.
Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение. Частицы в кристаллах расположены в определённом порядке, образуя пространственную (кристаллическую) решётку. Как вам уже известно, в любом металле часть валентных электронов покидает свои места в атоме, в результате чего атом превращается в положительный ион. В узлах кристал-лической решётки металла расположены положительные ионы, а в пространстве между ни-ми движутся свободные электроны (электронный газ), т.е. не связанные с ядрами своих атомов.
Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален.
Какие же электрические заряды движутся под действием электрического поля в металлических проводниках? Мы можем предположить, что под действием электрического поля движутся свободные электроны. Но это наше предположение нуждается в доказательстве.
В 1899 г. К. Рикке на трамвайной подстанции в Штуттгарте включил в главный провод, питающий трамвайные линии, последовательно друг другу торцами три тесно прижатых цилиндра; два крайних были медными, а средний — алюминиевым. Через эти цилиндры более года проходил электрический ток. Произведя тщательный анализ того места, где цилиндры контактировали, К. Рикке не обнаружил в меди атомов алюминия, а в алюминии — атомов меди, т. е. диффузия не произошла. Таким образом, он экспериментально доказал, что при прохождении по проводнику электрического тока ионы не перемещаются. Следователь-но, перемещаются одни лишь свободные электроны, а они у всех веществ одинаковые.
Существование электронов проводимости в металлах было доказано учёными и в другом опыте. Если привести в быстрое вращение проволочную катушку, а затем её резко остановить, то в такой цепи электроизмерительный прибор покажет наличие кратковременного тока, хотя в цепи нет источника тока. Это продолжали двигаться электроны проводимости.
Итак, электрический ток в металлических проводниках представляет собой упорядоченное движение свободных электронов, под действием электрического поля
Если в проводнике нет электрического поля, то электроны движутся хаотично, аналогично тому, как движутся молекулы газов или жидкостей. В каждый момент времени скорости различных электронов отличаются по модулям и по направлениям. Если же в проводнике создано электрическое поле, то электроны, сохраняя свое хаотичное движение, начинают смещаться в сторону положительного полюса источника. Вместе с беспорядочным движением электронов возникает и упорядоченный их перенос — дрейф.
Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике под действием электрического поля невелика — несколько миллиметров в секунду, а иногда и ещё меньше. Но как только в проводнике возникает электрическое поле, оно с огромной скоростью, близкой к скорости света в вакууме (300 000 км /с ), распространяется по всей длине проводника.
Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. Так, например, при замыкании цепи электрической лампы в упорядоченное движение приходят и электроны, имеющиеся в спирали лампы.
Понять это поможет сравнение электрического тока с течением воды в водопроводе, а распространения электрического поля — с распространением давления воды. При подъёме воды в водонапорную башню очень быстро по всей водопроводной системе распространяется давление (напор) воды. Когда мы открываем кран, то вода уже находится под давлением и начинает течь. Но из крана течёт та вода, которая была в нём, а вода из башни дойдёт до крана много позднее, т.к. движение воды происходит с меньшей скоростью, чем распростра-нение давления.
Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.
Электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s=8000 км), приходит туда примерно через 0,03 с.
Как движутся свободные заряды в металлическом проводнике
Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.
Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты (1913 г.) принадлежат русским физикам Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси. В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.
Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рис. 1.12.1. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру Г . Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.
Схема опыта Толмена и Стюарта
При торможении вращающейся катушки на каждый носитель заряда действует тормозящая сила которая играет роль сторонней силы, то есть силы неэлектрического происхождения. Сторонняя сила, отнесенная к единице заряда, по определению является напряженностью поля сторонних сил:
Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая сила , равная
где – длина проволоки катушки. За время торможения катушки по цепи протечет заряд , равный
Здесь – мгновенное значение силы тока в катушке, – полное сопротивление цепи, υ0 – начальная линейная скорость проволоки.
Отсюда удельный заряд свободных носителей тока в металлах равен:
Все величины, входящие в правую часть этого соотношения, можно измерить. На основании результатов опытов Толмена и Стюарта было установлено, что носители свободного заряда в металлах имеют отрицательный знак, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было установлено, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.
По современным данным модуль заряда электрона ( элементарный заряд ) равен
а его удельный заряд есть
Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема.
Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории . Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла (рис. 1.12.2).
Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов
Из-за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так называемый потенциальный барьер . Высота этого барьера называется работой выхода . При обычных (комнатных) температурах у электронов не хватает энергии для преодоления потенциального барьера.
Из-за взаимодействия с кристаллической решеткой потенциальная энергия выхода электрона внутри проводника оказывается меньше, чем при удалении электрона из проводника. Электроны в проводнике находятся в своеобразной «потенциальной яме», глубина которой и называется потенциальным барьером.
Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в тепловом движении. Ионы совершают тепловые колебания вблизи положений равновесия – узлов кристаллической решетки. Свободные электроны движутся хаотично и при своем движении сталкиваются с ионами решетки. В результате таких столкновений устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это позволяет оценить среднюю скорость теплового движения электронов по формулам молекулярно-кинетической теории. При комнатной температуре она оказывается примерно равной 10 5 м/с.
При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток. Среднюю скорость дрейфа можно оценить из следующих соображений. За интервал времени Δ через поперечное сечение проводника пройдут все электроны, находившиеся в объеме
Число таких электронов равно где – средняя концентрация свободных электронов, примерно равная числу атомов в единице объема металлического проводника. Через сечение проводника за время Δ пройдет заряд Отсюда следует:
Концентрация атомов в металлах находится в пределах 10 28 –10 29 м –3 .
Оценка по этой формуле для металлического проводника сечением 1 мм 2 , по которому течет ток 10 А, дает для средней скорости упорядоченного движения электронов значение в пределах 0,6–6 мм/c. Таким образом, средняя скорость упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше средней скорости их теплового движения Рис. 1.12.3 дает представление о характере движения свободного электрона в кристаллической решетке.
Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а движение электрона в кристаллической решетке металла; b движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа сильно преувеличены
Малая скорость дрейфа на противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического поля со скоростью . Через время порядка ( – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля и в ней начинается упорядоченное движение электронов.
В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом поле энергию и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.
Несмотря на то, что все эти допущения являются весьма приближенными, классическая электронная теория качественно объясняет законы электрического тока в металлических проводниках.
Закон Ома . В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равная по модулю , в результате чего он приобретает ускорение Поэтому к концу свободного пробега дрейфовая скорость электрона равна
где τ – время свободного пробега, которое для упрощения расчетов предполагается одинаковым для всех электронов. Среднее значение скорости дрейфа равно половине максимального значения:
Рассмотрим проводник длины и сечением с концентрацией электронов . Ток в проводнике может быть записан в виде:
где = – напряжение на концах проводника. Полученная формула выражает закон Ома для металлического проводника. Электрическое сопротивление проводника равно:
а удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются соотношениями:
Закон Джоуля–Ленца. К концу свободного пробега электроны под действием поля приобретают кинетическую энергию
Согласно сделанным предположениям вся эта энергия при соударениях передается решетке и переходит в тепло.
За время Δ каждый электрон испытывает Δ соударений. В проводнике сечением и длины имеется электронов. Отсюда следует, что выделяемое в проводнике за время Δ тепло равно:
Это соотношение выражает закон Джоуля–Ленца.
Таким образом, классическая электронная теория объясняет существование электрического сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля–Ленца. Однако в ряде вопросов классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом.
Эта теория не может, например, объяснить, почему молярная теплоемкость металлов, также как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3, где – универсальная газовая постоянная (закон Дюлонга и Пти, см. ч. I, § 3.10). Наличие свободных электронов на сказывается на величине теплоемкости металлов.
Классическая электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов. Теория дает соотношение в то время как из эксперимента получается зависимость ρ ~ . Однако наиболее ярким примером расхождения теории и опытов является сверхпроводимость .
Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. При более низких температурах порядка нескольких кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. Однако наибольший интерес представляет удивительное явление сверхпроводимости , открытое датским физиком Х. Каммерлинг-Оннесом в 1911 году. При некоторой определенной температуре кр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис. 1.12.4). Критическая температура у ртути равна 4,1 К, у аллюминия 1,2 К, у олова 3,7 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у элементов, но и у многих химических соединений и сплавов. Например, соединение ниобия с оловом (Ni3Sn) имеет критическую температуру 18 К. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах. В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.
Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры при низких температурах: a металл; b
Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают исключительными свойствами. Практически наиболее важным их них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи.
Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений.
Научный интерес к сверхпроводимости возрастал по мере открытия новых материалов с более высокими критическими температурами. Значительный шаг в этом направлении был сделан в 1986 году, когда было обнаружено, что у одного сложного керамического соединения кр = 35 K. Уже в следующем 1987 году физики сумели создать новую керамику с критической температурой 98 К, превышающей температуру жидкого азота (77 К). Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота, было названо высокотемпературной сверхпроводимостью . В 1988 году было создано керамическое соединение на основе элементов с критической температурой 125 К.
В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями кр. Ученые надеятся получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если это произойдет, это будет настоящей революцией в науке, технике и вообще в жизни людей.
Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.
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.
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