Электрический ток - определение и понятия с примерами

Содержание:

Электрический ток:

Для работы электроприборов необходим электрический ток. Фонарики, электронные часы, аудиоплейеры, радиоприёмники и телефоны используют электроэнергию батареек или аккумуляторов. Лампы, холодильники, телевизоры, пылесосы работают от электросети, то есть получают электроэнергию по проводам с электростанции.

Что же такое электрический ток и что нужно, чтобы он возник и существовал необходимое время?

Слово «ток» означает движение или течение чего-либо. А что может перемещаться в проводниках, соединяющих батарейку с лампой, холодильник — с электростанцией?

Явление электризации тел обусловлено наличием в них электрически заряженных частиц — электронов, а также положительных и отрицательных ионов, всегда находящихся в состоянии беспорядочного теплового движения (рис. 28). Есть много веществ, в которых при определённых условиях заряженные частицы могут свободно перемещаться на значительные расстояния по всему объёму тела. Например, в технике давно применяют металлические проводники, в которых носителями электричества являются свободные электроны. Если на все свободные заряженные частицы действовать какой-либо силой в одном направлении, то их беспорядочное перемещение дополнится движением в направлении приложенной силы. Говорят, что в теле возникает электрический ток.

Электрический ток - это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Если в объёме проводника создать электрическое поле, то под его действием свободные заряженные частицы будут перемещаться в направлении приложенных к ним электрических сил, то есть в проводнике возникает электрический ток (рис. 29). Например, в проводнике, соединяющем шарик заряженного электрометра с Землёй, возникает электрическое поле, а вместе с ним и электрический ток, который прекращается, как только весь заряд шарика, образующий электрическое поле, переходит в землю.

Рис. 28	Рис. 29

Чтобы электрический ток в проводнике протекал как можно дольше, в нём необходимо постоянно поддерживать электрическое поле, то есть обеспечивать на одном конце проводника избыток зарядов определённого знака, а на другом — их недостаток (дефицит). Такое постоянное распределение зарядов на концах проводника создаётся и поддерживается источниками электрического тока.

Источниками электрического тока называют устройства, в которых происходит преобразование энергии определённого вида в электрическую энергию.

В каждом источнике тока выполняется работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника. Соответственно эти полюса условно обозначают знаками «+» и «-».

На практике используют разнообразные источники электрического тока. По видам преобразуемой энергии их разделяют на: химические (гальванические элементы, аккумуляторы), световые (фотоэлементы, солнечные батареи), тепловые (термоэлементы), механические (электрофорная машина, генераторы электрического тока разного рода).

Если к гальваническому элементу с помощью проводников присоединить электрическую лампу (рис. 30), то под действием электрического поля заряженные частицы в проводнике приходят в движение, возникает электрический ток, лампа загорается.

Рис. 30

Первый химический источник тока создал в 1799 г. итальянский физик Алессандро Вольта и назвал его гальваническим элементом в честь основателя учения об электричестве Луиджи Гальвани. Этот элемент давал напряжение около 1 вольта (1 В). Для получения более высокого напряжения А. Вольта собрал батарею (так называемый вольтов столб) из 20 цинковых, 20 медных и 20 суконных кружков, сложенных один на другой (рис. 31).

Рис. 31

В гальванических элементах происходят химические реакции, благодаря которым выполняется работа по разделению разных зарядов, то есть химическая энергия преобразуется в электрическую.

Опыт. Опустим в раствор серной кислоты две пластины — цинковую и медную. Получим простейший гальванический элемент (рис. 32). В нём происходит перераспределение положительно и отрицательно заряженных частиц вещества. В результате обе пластины электризуются, и между ними возникает электрическое поле. Эти пластины называются электродами (полюсами) источника тока.

Рис. 32

Гальванический элемент состоит из цинкового стакана 1, заполненного желеобразной смесью (рис. 33). В смесь вставлен угольный стержень 2. Сверху стакан залит слоем смолы 3.

Рис. 33

В результате химических реакций цинковый стакан становится отрицательно заряженным (отрицательный электрод), а угольный стержень — положительно заряженным (положительный электрод). Между электродами возникает электрическое поле. Если положительный и отрицательный электроды соединить проводником, то в нём возникнет электрический ток.

Несколько гальванических элементов можно соединить в батарею. Если необходимо получить большее напряжение, то используют последовательное соединение элементов: отдельные элементы соединяют между собой разноимёнными полюсами. На рисунке 34 изображена батарея из трёх элементов, в которой стержень первого элемента соединён с цинковым стаканом второго, а угольный стержень второго — со стаканом третьего элемента. Цинковые стаканы изолированы один от другого. От цинкового стакана первого элемента и угольного стержня третьего отведены две жестяные полоски: первая — отрицательный полюс батареи, вторая — положительный.

Рис. 34

Для получения большего тока используют параллельное соединение элементов: отдельные элементы соединяют в батарею одноимёнными полюсами, то есть корпус — с корпусом, а стержень — со стержнем. Аккумулятор (от латинского аккумуле — накапливаю) — это химический источник, в котором электрическая энергия накапливается при пропускании электрического тока в кислотном или щелочном растворе.

Аккумуляторы бывают кислотные и щелочные. Кислотный аккумулятор состоит из однородных электродов (рис. 35), например свинцовых пластин, помещённых в раствор серной кислоты. В щелочных аккумуляторах электроды изготовлены из разных металлов, например железа и никеля, и опущены в раствор едкой щёлочи. Для того чтобы аккумулятор стал источником тока, его необходимо «зарядить». Для этого через него пропускают ток от какого-либо другого источника. В процессе зарядки и в результате химических реакций один электрод заряжается положительно, а другой — отрицательно. После зарядки аккумулятора его можно использовать как самостоятельный источник тока. Полюса аккумуляторов обозначены знаками «+» и «-». При зарядке аккумулятора его положительный полюс соединяют с положительным полюсом источника тока, а отрицательный — с отрицательным.
Аккумуляторы используют для запуска автомобильных двигателей (рис. 36), освещения автомобилей и железнодорожных вагонов. Они питают электроэнергией подводные лодки. Аппаратура на искусственных спутниках, космических кораблях и станциях также питается от установленных на них аккумуляторов, которые заряжаются от солнечных батарей.

Под действием света, падающего на поверхность пластин из селена или кремния, в них происходит перераспределение положительных и отрицательных электрических зарядов (рис. 37). На этом основаны конструкция и действие солнечных батарей (рис. 38), в которых происходит прямое преобразование энергии солнечного излучения в электрическую энергию.

Рис. 35

Рис. 35

Рис. 36

Рис. 37

Рис. 38

В Институте полупроводников HAH Украины разработаны солнечные батареи с КПД 18 %, то есть близкие к максимально возможному. А учёные Национального технического университета «КПИ» использовали солнечные батареи для создания фотоэлектрической станции мощностью 5 кВт.

Если спаять две проволоки, изготовленные из разных металлов, а место спая нагреть, то в проводах возникнет электрический ток (рис. 39). Такой источник тока называют термоэлементом, или термопарой. В нём внутренняя энергия нагревателя преобразуется в электрическую энергию.

Рис. 39

В элекгрофорной машине два диска из органического стекла (с размещёнными по кругу металлическими полосками) вращаются в противоположных направлениях. В результате трения проволочных щёток о полоски на кондукторах (полюсах) машины накапливаются заряды противоположных знаков (рис. 7 на с. 10). Механическая энергия вращения дисков преобразуется в электрическую энергию.
На тепловых, атомных, ветровых и гидроэлектростанциях электрический ток вырабатывают с помощью генераторов электрического тока (от латинского слова генератор — производитель, создатель). Об устройстве и действии генераторов вы узнаете позднее. 

Электрическая цепь и её составляющие

Электрическая энергия, сосредоточенная в источниках электрического тока, - очень выгодный и удобный вид энергии, поэтому широко применяется в промышленности, технике, быту. Электродвигатели, электрические лампы, нагреватели, плиты, телевизоры и компьютеры называют приёмниками, или потребителями электрической энергии.

Чтобы доставить электрическую энергию от источника к потребителю, их соединяют между собой проводниками электрического тока. Для этого используют преимущественно медные или алюминиевые провода.

Простейшая электрическая цепь состоит из источника тока (рис. 40), потребителя электроэнергии (лампа, электродвигатель), соединительных проводов и устройства для замыкания и размыкания цепи — выключателя (ключа).

Рис. 40

Для того чтобы в цепи проходил ток, она должна быть замкнутой, то есть состоять только из проводников электрического тока. Если в каком-либо месте отсоединить провод или случится его обрыв, то в цепи тока не будет. На этом основано действие выключателей.

Чертёж, на котором изображают различные способы соединения элементов электрической цепи, называют схемой электрической цепи.

Приборы и соединения на схемах изображают с помощью условных обозначений. Некоторые из них приведены на странице I форзаца.

На рисунке 41 изображена схема простейшей электрической цепи.

Рис. 41

Электрический ток в металлах

Электрический ток - это упорядоченное движение свободных электрических зарядов под действием электрического поля источника тока. Какие это заряды? Как они перемещаются ?

Рассмотрим внутреннее строение металлических проводников. В каждом металле часть электронов покидает своё место в атоме, при этом атом превращается в положительный ион. Положительные ионы в металлах размещаются в строгом порядке, образуя кристаллические решётки (рис. 42). Между ионами хаотически движутся свободные электроны в виде электронного газа.

Рис. 42

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов кристаллических решёток. Поэтому в обычных условиях металлический проводник электронейтрален.

Итак, какие электрические заряды перемещаются под действием электрического поля в металлических проводниках?

В 1899 г. К. Рикке включал в основной провод питания трамвайных линий в Штутгарте последовательно три металлических цилиндра, тесно прижатых один к другому торцами: два крайних — медные, а средний — алюминиевый. Через эти цилиндры более года проходил электрический ток. В результате точного взвешивания оказалась, что диффузии в металлах не происходило: в медных цилиндрах не было атомов алюминия и наоборот.

Таким образом, К. Рикке доказал, что при прохождении по проводнику электрического тока в металлах ионы не перемещаются. Следовательно, электрический ток в металлических проводниках образуется благодаря упорядоченному движению электронов.

Теперь остаётся выяснить: как движутся свободные электроны?

При отсутствии в проводнике электрического поля движение электронов хаотическое, как движение молекул газов или жидкостей. В любой момент скорости движения разных электронов отличаются значением и направлением.

При наличии в проводнике электрического поля электроны, сохраняя своё хаотическое движение, начинают смещаться к положительному полюсу источника. Одновременно с беспорядочным движением электронов возникает их упорядоченное движение. На рисунке 43 схематично показана траектория движения одного электрона из точки 1 в точку 2 под действием электрического поля.

Рис. 43

Отсюда следует: электрический ток в металлах (металлических проводниках) — это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля, которое создаётся источником электрического тока.

Исследованием электронной проводимости металлов занимался украинский учёный А. Э. Малиновский (1884-1937). Он представил свою интерпретацию взаимодействия свободных электронов и положительных ионов в металлах. Сделал уточнения к теории экспериментов, которые в 1916 г. проводили американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт. Они раскручивали до большой скорости катушку из тонкого медного провода вокруг её оси. Потом катушку резко тормозили и регистрировали в цепи кратковременный электрический ток, обусловленный инерцией носителей заряда, которыми оказались именно электроны.

Действия и направление электрического тока

Движение электрически заряженных частиц в веществе проводников глаз человека не воспринимает. При этом направленное движение заряженных частиц связано с целым рядом явлений, по которым можно определить наличие электрического тока в цепи.

Рис. 44

Опыт 1. Присоединим к полюсам источника тока никелиновый или нихромовый провод (рис. 44). Видим, что он нагревается, накаляется до красного свечения и провисает. Наблюдаем тепловое действие тока. Под действием электрического тока в электрических лампах вольфрамовая нить накаляется до яркого свечения, нагреваются спирали электроутюгов и электроплит.

Тепловое действие тока широко используется при контактной сварке металлов (рис. 45). Через детали в процессе сварки пропускают сильный ток. В результате в местах контактов детали сильно нагреваются и свариваются.

Рис. 45

Опыт 2. На железный гвоздь или стержень намотаем несколько десятков витков изолированного медного провода. Освободив его концы от изоляции, присоединим их к источнику тока. Видим, что гвоздь приобретает свойство притягивать к себе мелкие железные предметы: опилки, гвозди, скрепки и т. п. (рис. 46), то есть он стал магнитом. В этом опыте проявляется магнитное действие электрического тока.

Рис. 46

Рис. 47

Опыт 3. По рисунку 47 собираем электрическую цепь. Если в банке чистая (дистиллированная) вода, то электрическая лампа не горит. Если в воду добавить кристаллы медного купороса, то лампа засветится.

Следовательно, в растворе медного купороса проходит электрический ток. Если через определённое время вынуть из банки отрицательный электрод, то увидим, что на нём выделилась чистая медь, то есть прохождение электрического тока сопровождается химическим превращением веществ.
Химическое действие тока используют для получения чистых металлов.

Световое действие тока вы можете наблюдать при свечении ламп дневного света (рис. 48). Под действием электрического поля газы, находящиеся в лампе, начинают светиться. В природе световое действие электрического тока наблюдается во время электрического разряда — молнии (рис. 49).
А какое направление имеет электрический ток?

Рис. 46

Рис. 47

Ещё раз вспомним, что электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Движение каких именно заряженных частиц в электрическом поле принимают за направление тока?

На практике чаще всего имеют дело с электрическим током в металлических проводниках, поэтому за направление тока в цепи целесообразно принять направление движения электронов в электрическом поле, то есть от отрицательного полюса источника к положительному.

Но вопрос о направлении тока возник в науке, когда об электронах и ионах ничего не было известно. Полагали, что во всех проводниках могут перемещаться как положительные, так и отрицательные заряды.

За направление электрического тока условно принимают то направление, в котором перемещаются (или могли бы перемещаться) в проводнике положительные заряды, то есть направление от положительного полюса источника тока к отрицательному.

Убедимся, что от направления тока зависит его механическое действие.

Опыт 3. Присоединим к батарее гальванических элементов электродвигатель со стрелкой на его шкиве. Вал двигателя будет вращаться в определённом направлении (рис. 50, а). А если поменять полюса батареи, то вал двигателя вращается в противоположном направлении (рис. 50, б). Работа электродвигателя - это пример механического действия электрического тока, которое состоит в том, что рамка из провода, помещённая в магнитное папе, вращается в определённом направлении, если через неё проходит ток. Направление поворота при этом зависит от направления тока, что мы и наблюдаем в ходе опыта. Действие магнитного поля на проводник с током будем изучать позднее.
Направление тока учитывают во всех правилах и законах электрического тока.

Рис. 50

Пример №1

Если между параллельными металлическими пластинами, присоединенными к кондукторам работающей электрофорной машины, разместить лёгкие пёрышки, то они будут интенсивно перемещаться от одной пластины к другой. Какое физическое явление моделирует данный опыт?
Ответ: электрический ток. Пёрышки совершают упорядоченное движение частиц в электрическом поле.

Пример №2

Будет ли действовать элемент Вольта, если оба его электрода — цинковые или медные?
Ответ: нет, поскольку не будет различия в зарядах электродов.

Пример №3

Начертите схему электрической цепи, состоящей из батареи аккумуляторов, двух параллельно соединённых ламп амперметра, выключателя, соединительных проводников.
Ответ: схема электрической цепи показана на рисунке 51.

Рис. 51

Сила тока

Опыты показывают, чем больше электрических за{)ядов проходит через проводник за определённое время, тем больше проявляется действие электрического тока — тепловое, химическое, магнитное, механическое и световое. Чем больше заряженных частиц перемещается от одного полюса источника тока к другому, тем больший общий заряд переносится частицами.

Электрический заряд, который проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени, определяет силу тока в цепи.

Сила тока — это физическая величина, которая характеризует электрический ток и определяется отношением электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения.

Силу тока обозначают латинской буквой I. Формула для определения силы тока имеет вид:

где q — электрический заряд, проходящий через проводник за время t.

За единицу силы тока принят один ампер (1 А). Эта единица названа в честь французского физика Андре-Мари Ампера. На Международной конференции мер и весов в 1948 г. принято решение в основу определения единицы силы тока положить явление взаимодействия двух проводников с током.
Возьмём два гибких прямых проводника, разместим их параллельно и присоединим к источнику тока. При замыкании цепи в проводниках проходит электрический ток, в результате они взаимодействуют между собой: притягиваются, если направление тока в них одинаковое (рис. 56, а), либо отталкиваются, если направление противоположное (рис. 56, б).

Рис. 56

Этот опыт впервые выполнил А.-М. Ампер. Он измерял силу взаимодействия проводников с током. Оказалось, что эта сила зависит от длины проводников, расстояния между ними, среды, в которой они размещены, и от силы тока в проводниках. Учёный определил, что два очень тонких и длинных параллельных проводника длиной Imb безвоздушном пространстве (вакууме), расстояние между которыми равно 1 м, а сила тока в каждом из них одинакова, взаимодействуют с силой 0,0000002 Н.

Один ампер (1 А) — это сила тока, который, протекая в двух параллельных прямолинейных бесконечной длины тонких проводниках, размещённых в вакууме на расстоянии 1 м, вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия 2 ∙ 10^-7 Н.

Применяют также дольные и кратные единицы силы тока: миллиампер (мА), микроампер (мкА), килоампер (кА):
1 мА = 1 ∙ 10^-3 A; 1 мкА = 1 ∙ 10^-6A; 1 кА = 1 ∙ 1O^-3А.

Через единицу силы тока 1А определяют единицу электрического заряда.

Поскольку, то q = It. Поскольку I = 1 A, t = 1 с, то единица электрического заряда — один кулон (1 Кл).
1 кулон = 1 ампер ∙ 1 секунда, или 1 Кл = 1A∙1c = 1A∙с.

Из определения силы тока следует, что при силе тока IA через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит электрический заряд 1 Кл, то есть 1. Зная заряд электрона, можно определить, что при силе тока 1 А через поперечное сечение проводника проходят 6,25 ∙ 10¹⁸ электронов в секунду.

Диапазон (границы) значений силы тока, с которыми приходится иметь дело в физике, небольшой по сравнению с другими величинами и составляет от 10^-6(0,000001) до 10⁶ (100 000) А.

В электрических лампах, нагревательных приборах сила тока достигает нескольких ампер. При электросварке, когда нужно разогреть металлы до высокой температуры, сила тока достигает значений в несколько тысяч ампер. Ещё большая сила тока (в сотни тысяч ампер) возникает во время молнии. При этом воздух нагревается до температуры 20 000 ⁰С; за очень короткое время (до 10^-4 с) его давление повышается до 300 атм (3,03 ∙ 10⁷ Па), что соответствует интенсивному акустическому удару, — мы слышим гром.

Химическое действие тока используется при зарядке аккумуляторов, хромировании и никелировании деталей и изделий, при электрохимическом получении металлов. Сила тока во время этих процессов составляет от нескольких ампер (зарядка аккумуляторов) до сотен и даже тысяч ампер (получение чистых металлов).

Магнитное действие тока используют в электромагнитах, двигателях и др. При работе мощных двигателей сила тока может достигать сотен ампер.

В таблице 1 приведены значения силы тока в некоторых технических устройствах и приборах.

Таблица 1 Сила тока в различных технических устройствах и приборах

Устройство, прибор	Сила тока, А
Электронный микроскоп	0,00001
Кинескоп телевизора	0,00012
Рентгеновская установка	0,02-0,10
Электробритва	0,08
Электрический фонарик	0,3
Велосипедный генератор (при )	0,3
Электрическая лампа	0,3-0,4
Пылесос	1,9-4,2
Электроплитка	3-4
Генератор автомобиля	17
Двигатель троллейбуса	160-220
Двигатель электровоза	350
Аппарат для контактной сварки	10 000

Для измерения силы тока в цепи используют прибор — амперметр (рис. 57). Шкала амперметра на рисунке 57, а проградуирована в амперах (А), а на рисунке 57, б — в микроамперах (сокращённое обозначение — мкА, международное — μA). IIa шкалах соответственно написаны буквы А и μA. На схемах амперметр изображают буквой А в кружке (рис. 58).

Любой измерительный прибор при включении в цепь не должен влиять на значение измеряемой величины. Поэтому конструкция амперметра такова, чтобы при включении в цепь сила тока в ней почти не изменялась. При этом электрическое сопротивление должно быть как можно меньшим (об электрическом сопротивлении узнаете позднее).
 

Рис. 57

Рис. 58

Для измерения силы тока в цепи амперметр включают в цепь последовательно с тем прибором, в котором измеряют силу тока. Для этого надо «разорвать» цепь, то есть отсоединить от прибора один из проводников, и в образовавшийся промежуток включить амперметр с помощью двух клемм или зажимов на его корпусе. Возле одной из клемм амперметра стоит знак «плюс» («+»), возле другой — «минус» (иногда «-» не указывают). Клемму со знаком «+» надо обязательно соединить с проводом, который отходит от положительного полюса источника тока.

Поскольку по закону сохранения электрического заряда количество зарядов, поступающих в цепь от одного из полюсов источника тока, равно количеству зарядов, которые возвращаются на второй полюс источника, то сила тока одинакова на разных участках цепи с последовательно соединёнными приборами. Поэтому для измерения силы тока в такой цепи амперметр можно включать в любом месте, его показания всегда будут одинаковы.

Опыт 2. Собираем электрическую цепь (рис. 59) и измеряем силу тока в спирали лампочки карманного фонарика. Сила тока равна 1 А.

В технике применяют разнообразные амперметры. По их шкалам либо другим обозначениям видно, на какую наибольшую силу тока они рассчитаны. Превышать эту силу тока нельзя, так как прибор может выйти из строя. На практике также используют амперметры с цифровыми индикаторами. Например, на рисунке 60 показано, что измеренная таким амперметром сила тока в цепи равна 0,0625 А.
Современными амперметрами можно измерять силу тока до 10⁵ А.

Рис. 59

Рис. 60

Электрическое напряжение

Под действием электрического поля, которое создаёт источник тока, заряженные частицы перемещаются по проводнику. При этом выполняется работа: накаляется спираль электролампы, приходит в движение электрический двигатель и т. д. Это говорит о том, что главную роль в прохождении электрического тока в проводниках играет электрическое поле. Для характеристики электрического поля вводят физическую величину, которая называется электрическим напряжением, или напряжением.

Напряжение — это физическая величина, которая определяется отношением работы электрического поля на данном участке цепи к электрическому заряду, прошедшему по этому участку. Оно характеризует электрическое поле, которое образует ток.

Напряжение обозначается большой латинской буквой U. Формула для определения напряжения:
,

где А — работа, выполненная электрическим полем при прохождении тока;
q — значение электрического заряда, перенесённого током.

Единица напряжения в СИ — один вольт (1 В). Названа так в честь Алессандро Вольта, создавшего первый гальванический элемент.

Один вольт (1 В) — это напряжение на концах проводника, при котором работа по перемещению электрического заряда в один кулон (1 Кл) поэтому проводнику равна одному джоулю (1 Дж).

Отсюда .

Кроме вольта применяют дольные и кратные ему единицы: милливольт (мВ) и киловольт (кВ).
1 мВ = 0,001 В; 1 кВ = 1000 В.

Электрические приборы работают при разном напряжении. Например, при контактной сварке напряжение составляет 0,1 В, бытовые приборы работают при напряжении 220 В, мощные двигатели — 380 В, а двигатели электровоза — 1500 В.

Разные источники тока характеризуются рабочим напряжением. В гальваническом элементе и аккумуляторе (химических источниках тока) значение напряжения небольшое. Если в гальваническом элементе медный и железный электроды, то напряжение 0,78 В, медный и цинковый — 1,1 В, серебряный и цинковый — 1,56 В. Среднее напряжение свинцового кислотного аккумулятора составляет 2 В, а железоникелевого щелочного — 1,25 В.

Термоэлементы (термопары) и фотоэлементы (солнечная батарея) создают ещё меньшие напряжения. Например, термоэлемент из графита и карбида титана при нагревании спая до 1 000°C создаёт напряжение 52 мВ (0,052 В).

Солнечная кремниевая батарея площадью 160 см² при освещении солнечными лучами даёт 2 В. Чтобы получить большие напряжения, гальванические элементы, аккумуляторы, термо- и фотоэлементы соединяют в батареи.

В таблице 2 приведены значения напряжения в некоторых технических устройствах и приборах.

Таблица 2 Напряжение в различных технических устройствах и приборах

Устройство, прибор	Напряжение, В
Электронный микроскоп	130 000
Кинескоп телевизора	16 000
Рентгеновская установка	70 000-200 000
Электробритва	220
Электрический фонарик	4,5
Велосипедный генератор (при )	7,2
Электрическая лампа	220
Электроплитка	220
Генератор автомобиля	12
Двигатель троллейбуса	550
Двигатель электровоза	1 500
Аппарат для контактной сварки	0,1

Для измерения напряжения в электрических цепях используют вольтметр (рис. 62, а) — для школьных опытов, б — для лабораторных работ).

Чтобы отличить вольтметры от амперметров или других электрических измерительных приборов, на их шкалах ставят букву V. На схемах вольтметр изображают так, как это показано на рисунке 62, в. Как и у амперметра, возле одного зажима вольтметра ставят знак «+». Этот зажим обязательно надо соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока. Иначе стрелка прибора будет отклоняться в обратную сторону, и он может выйти из строя, то есть важно учитывать направление электрического тока.
Вольтметр включают иначе, чем амперметр.

Рис. 62

Опыт. 2 Измеряем напряжение, которое даёт батарея гальванических элементов (рис. 63). Напряжение на полюсах батареи составляет 4,6 В. (Примечание: нельзя таким образом включать амперметр, так как он выйдет из строя!) Подсоединим теперь вольтметр к одному из зажимов выключателя и лампы. Вольтметр ничего не показывает (рис. 64, а). А если подсоединить вольтметр к обоим зажимам лампы, то он покажет, какое напряжение поступает на лампу (рис. 64, б). Это напряжение равно 4 В.

Рис. 63

Рис. 64

Вольтметр подсоединяем параллельно к участку цепи, на котором нужно измерить напряжение, то есть зажимы вольтметра надо подсоединить к тем точкам цепи, между которыми необходимо измерить напряжение. При этом через вольтметр проходит определённый ток из цепи, что приводит к изменению значения напряжения в точках соединения. Чтобы это изменение было как можно меньшим, электрическое сопротивление вольтметра должно быть большим (об электрическом сопротивлении узнаете позднее).

На практике также используют вольтметры с цифровыми индикаторами. Измеряем напряжение в электросети, оно равно 217 В (рис. 65).

Современными вольтметрами можно измерять напряжение до 10⁶ В.

Рис. 65

Кстати:
У некоторых рыб есть органы, вырабатывающие электрический ток. Например, электрический сом даёт разряды напряжением до 360 В, электрический скат — до 220 В, электрический угорь — до 650 В и силой тока 2 А.

Электрическое сопротивление проводников

Вы уже знаете, что электрический ток в цепи — это упорядоченное движение заряженных частиц в электрическом поле. Чем сильнее действие электрического поля на заряженные частицы, которые в нём перемещаются, тем больше сила тока в цепи.

При этом действие электрического поля характеризуется напряжением. Итак, возникает вопрос: зависит ли сила тока в проводнике от напряжения на его концах?

Опыт 1. Собираем электрическую цепь, используя гальванический элемент, ключ, амперметр, никелиновую спираль от магазина сопротивлений, к которой параллельно присоединяем вольтметр (рис. 67).

Замкнём цепь и зафиксируем показания приборов (рис. 67, а). К гальваническому элементу последовательно присоединим такой же и снова замкнём цепь. Мы видим, что напряжение на спирали при этом увеличилось в два раза, а амперметр показывает вдвое большую силу тока (рис. 67, б).

Если соединить последовательно три элемента, то напряжение на спирали увеличится в три раза, во столько же раз увеличится и сила тока в электрической цепи.

Рис. 67

Графически это можно изобразить следующим образом (рис. 68). На горизонтальной оси в выбранном масштабе откладываем значения напряжения, а на вертикальной — соответствующие им значения силы тока. Наносим точки на плоскость и получаем график линейной зависимости: чем большее напряжение приложено к участку цепи, тем больший ток в цепи.

Следовательно, сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника.

Рис. 68

Опыт 2. Собираем электрическую цепь (рис. 69). При её замыкании амперметр показывает определённое значение силы тока. Разомкнув цепь, присоединим к лампе никелиновый провод длиной 1— 2 м. Снова замкнём цепь и видим, что сила тока в цепи уменьшилась. Если вместо никелинового провода включить в цепь такого же размера нихромовый провод, то амперметр покажет ещё меньшую силу тока. При включении медного провода такого же размера сила тока в цепи возрастает.

Рис. 69
Если при замыкании цепи каждый раз присоединять к концам этих проводников вольтметр, то он будет показывать одинаковое напряжение. Следовательно, сила тока в цепи зависит не только от напряжения, но и от свойств проводников, включённых в цепь.

Зависимость силы тока от свойств проводника объясняется тем, что направленному движению свободных электронов в металлическом проводнике противодействуют их хаотические столкновения с ионами кристаллической решётки, находящимися в состоянии теплового движения (колебаний). Это противодействие приводит к уменьшению скорости направленного движения заряженных частиц, то есть к уменьшению силы тока в цепи.

Величина, характеризующая свойство проводника противодействовать направленному перемещению свободных зарядов внутри него, называется электрическим сопротивлением проводника.

Проводники, имеющие одинаковые геометрические размеры (длину и площадь поперечного сечения), но изготовленные из разных металлов, имеют разные значения электрического сопротивления, что объясняется различиями в строении их кристаллических решёток.

Электрическое сопротивление обозначают большой латинской буквой R. Единица электрического сопротивления в СИ — один ом (1 Ом); названа в честь немецкого физика Георга Ома.

Значение электрического сопротивления один ом (1 Ом) имеет такой проводник, в котором проходит ток силой один ампер (1 А) при напряжении один вольт (1 В) на его концах.

На практике используют следующие единицы сопротивления: миллиом (мОм), килоом (кОм), мегаом (МОм).
1 мОм =1∙10^-3Ом; 1 кОм = 1 ∙ 1O³ Ом; 1 МОм = 1 • 10⁶ Ом.

Схемы электрических и электронных приборов состоят из совокупности электрических цепей, сила тока и напряжение которых зависят от значений электрического сопротивления специальных деталей — резисторов разных конструкций. Значение сопротивления резисторов составляет от десятых долей ома до десяти тысяч мегаомов.
 

Закон Омa для однородного участка электрической цепи

Явления, происходящие в электрических цепях, характеризуются взаимосвязанными физическими величинами: силой тока, напряжением и сопротивлением. Вы, например, знаете, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах.

Впервые явления в электрических цепях подробно изучил Георг Ом. В 1826 г. ему удалось экспериментально установить зависимость между силой тока, напряжением и сопротивлением в электрических цепях. Эта зависимость оказалась очень важной и получила название закона Ома. Чтобы понять его физический смысл, выполним опыты.

Опыт 1. Используя источник тока, амперметр, спираль из никелинового провода (резистор), вольтметр, ключ и соединительные проводники, собираем электрическую цепь (рис. 70, а). На рисунке 70, б приведена схема этой цепи. Амперметр, включённый в цепь последовательно, будет показывать силу тока, протекающего в спирали. Вольтметр, присоединённый к спирали параллельно, покажет напряжение на её концах. Сопротивление спирали не изменяется.

Рис. 70

Замкнём ключ и снимем показания вольтметра и амперметра: U = 4 В; J = 1A. Если увеличить напряжение в два раза, то есть U = 8 В, то амперметр покажет силу тока в два раза большую, то есть I = 2 А. Отсюда следует: при постоянном сопротивлении проводника сила тока, протекающего в нём, прямо пропорциональна напряжению на его концах (рис. 68 на с. 56).

ОПЫТ 2. Собираем такую же электрическую цепь, как в предыдущем опыте, но вместо одного нихромового включаем поочерёдно провода, сопротивление которых равно соответственно 1 Ом, 2 Ом, 4 Ом (рис. 71, а).

Напряжение на концах каждого проводника в ходе опыта было постоянным, контролируем его значение по показаниям вольтметра. Силу тока в цепи измеряем амперметром.

Результаты опытов следующие: напряжение на концах проводников составляет 2 В; при включении проводника с сопротивлением 1 Ом сила тока в цепи равна 2 A, 2 Ом — 1 А, 4 Ом — 0,5 А. Отложив эти значения на осях координат, построим график (рис. 71, б). Видим, что это гипербола, то есть чем больше сопротивление проводника, тем меньший ток в нём протекает.

Рис. 71

Следовательно, при постоянном напряжении сила тока в проводнике обратно пропорциональна его сопротивлению.

По результатам обоих опытов получаем формулу зависимости силы тока в проводнике I от напряжения на концах проводника U и его сопротивления R:

Эта формула выражает закон Ома.

Сила тока на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению на данном участке и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.

На законе Ома основан экспериментальный способ определения сопротивления проводника. Из закона Ома следует, что

Итак, для определения сопротивления проводника необходимо измерить напряжение на нём и силу тока, затем значение напряжения разделить на значение силы тока. Из формулы также следует, что единица электрического сопротивления равна отношению единицы напряжения к единице силы тока, то есть   .

Если известны сопротивление и сила тока на участке цепи, то по закону Ома можно вычислить напряжение на его концах:

Чтобы определить напряжение на концах участка цепи, силу тока на этом участке необходимо умножить на его сопротивление.

Кстати:

Г. Ом после выхода книги «Теоретические исследования электрических цепей», в которой он изложил открытый им закон, писал, что «рекомендует её добрым людям с тёплым чувством отца, не ослеплённого обезьяньей любовью к детям, но удовлетворённого указанием на открытый взгляд, с которым его ребёнок смотрит на недобрый мир». Мир действительно оказался для него недобрым. Спустя год после выхода его работы в одном из журналов была опубликована статья, в которой исследования Г. Ома подвергались сокрушительной критике. «Тот, кто набожными глазами смотрит на Вселенную, — говорилось в статье, — должен отвернуться от этой книги, поскольку она является плодом безусловных заблуждений, преследующих единственную цель — преуменьшить величие природы».

Злобные и необоснованные нападки на Г. Ома не прошли бесследно. Теорию Ома не приняли. И вместо научных исследований он был вынужден время и энергию тратить на полемику с оппонентами. В одном из своих писем учёный писал: «Появление на свет “Электрических цепей” принесло мне огромные страдания, и я готов проклинать время их зарождения».

Но это были временные трудности. Постепенно теория Ома получила повсеместное признание. Закон Ома внёс такую ясность в правила расчёта токов и напряжений в электрических цепях, что американский учёный Дж. Генри, узнав об открытии Ома, не удержался от восклицания: «Когда я впервые прочитал теорию Ома, то она мне показалась молнией, внезапно озарившей комнату, погружённую во тьму».

Пример №4

Сила тока в цепи электрической лампы равна 0,3 А. Сколько электронов проходит через поперечное сечение спирали за 5 мин?

Дано: I = 0,3 А t = 5 мин = 300 с e = -l,6∙ 10-19Кл π = 3,14	Решение Заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время протекания тока, вычисляем по формуле: q = It. Разделив это значение на элементарный заряд, определим количество электронов, прошедших через поперечное сечение проводника: Подставив значения известных величин, получим: электронов.
N — ?

Ответ: через поперечное сечение спирали проходит 5,6 ∙ 10²⁰ электронов. 

Пример №5

Какое сопротивление имеет вольтметр, рассчитанный на 150 В, если сила тока в нём не должна превышать 0,01 А?

Дано: U = 150 В I = 0,01 А	Решение Сопротивление вольтметра определим по закону Ома:  Подставив значения, получим: R = 150 В: 0,01 A = 15 000 Ом = 15 кОм.
R — ?

Ответ: сопротивление вольтметра равно R = 15 кОм.

Пример №6

Что изменилось на участке цепи, если включённый с ней последовательно амперметр показывает увеличение силы тока?
Ответ: увеличилось напряжение или уменьшилось сопротивление.

Расчет сопротивления проводника

Причиной электрического сопротивления проводника является взаимодействие свободных электронов с ионами кристаллической решётки металла. Рассмотрим, от чего зависит сопротивление проводника.

Опыт 1. В электрическую цепь (рис. 78) поочерёдно включаем проводники из одного материала, одинакового диаметра, но разной длины. Силу тока измеряем амперметром, а напряжение — вольтметром.

По результатам опытов делаем вывод: чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление. Поскольку чем длиннее проводник, тем большее противодействие испытают на своём пути частицы, перемещающиеся направленно.

Опыт 2. Включаем в электрическую цепь поочередно проводники, изготовленные из одного материала и одинаковой длины, но с разным поперечным сечением. Измерив силу тока в проводниках и напряжение на их концах, убеждаемся: чем толще проводник, тем меньше его электрическое сопротивление. Увеличение толщины проводника равнозначно "расширению русла", по которому перемещаются заряды, поэтому сопротивление проводника уменьшается.

Опыт 3. Включаем в электрическую цепь поочерёдно проводники, изготовленные из разных веществ, но одинаковой длины и поперечного сечения. Оказывается, что электрическое сопротивление проводника зависит от того, из какого вещества он изготовлен. Это объясняется тем, что разные металлы имеют разные кристаллические структуры, следовательно, тормозящее действие столкновений ионов и свободных электронов оказывается разным.

Зависимость сопротивления проводника от его размеров и вещества, из которого он изготовлен, впервые установил опытным путём Г. Ом: сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, обратно пропорционально площади поперечного сечения и зависит от вещества, из которого он изготовлен.

Рис. 78

Зависимость сопротивления проводника от вещества, из которого он изготовлен, характеризуют удельным сопротивлением вещества.

Удельное сопротивление вещества — это физическая величина, численно равная сопротивлению изготовленного изданного вещества проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м².

Если длину проводника обозначить буквой I, площадь его поперечного сечения — S, удельное сопротивление — р, то сопротивление проводника определим по формуле:

Из этой формулы можно определить удельное сопротивление вещества:

Поскольку единица сопротивления — 1 Ом, единица площади — 1 м², единица длины — 1 м, то единица удельного сопротивления равна:

.

На практике площадь поперечного сечения проводников обычно выражают в квадратных миллиметрах, поэтому единицей удельного сопротивления вещества в этом случае является

В таблице 3 приведены экспериментально полученные значения удельного сопротивления веществ, широко применяемых на практике.

Таблица 3 Удельные сопротивления некоторых веществ (при t = 20 °C)

Вещество		Вещество		Вещество
Серебро	0,016	Свинец	0,21	Нихром (сплав)	1,1
Медь	0,017	Никелин(сплав)	0,40	Фехраль(сплав)	1.3
Золото	0,024	Манганин(сплав)	0,43	Графит	13
Алюминий	0,028	Константан (сплав)	0,50	Фарфор	1019
Вольфрам	0,050	Ртуть	0,96	Эбонит	1020
Железо	0,100

Лучшими проводниками электричества являются серебро, медь, золото. Но для практических целей (например, создание электросетей) проводники изготовляют из алюминия, меди и железа. В нагревательных элементах используют нихромовые и фехралевые проводники. Фарфор и эбонит являются очень хорошими изоляторами.

Итак, для разных веществ значения удельного сопротивления изменяются в очень широких пределах, что объясняется их разным внутренним строением.

Зависимость сопротивления проводника от температуры

На практике часто приходится изменять силу тока в цепи, то увеличивая её, то уменьшая. Например, изменяя силу тока в электроплитке, мы регулируем температуру её нагревания.

Для регулирования силы тока в электрической цепи применяют специальные приборы — реостаты. На рисунке 79 показан внешний вид реостатов (их условное обозначение см. в таблице на с. I форзаца). Такие реостаты называют ползунковыми. В них на керамический цилиндр намотан провод, покрытый тонким слоем окалины, поэтому витки провода изолированы один от другого. Над обмоткой размещён металлический стержень, вдоль которого перемещается ползунок. От трения ползунка об витки слой окалины под контактами ползунка стирается, и электрический ток в цепи проходит от витков провода к ползунку, а через него — в стержень с зажимом на конце. Реостат включают в цепь с помощью этого зажима и зажима, соединённого с одним из концов обмотки и размещённого на корпусе реостата.


Рис. 79
Перемещая ползунок, можно увеличивать либо уменьшать сопротивление включённого в цепь реостата.
На рисунке 80 изображён реостат (а) и магазины сопротивлений (б), позволяющие изменять сопротивление в цепи не плавно, а скачкообразно.

Рис. 80 

Каждый реостат рассчитан на определённое сопротивление и допустимую силу тока, превышать которую не следует, поскольку обмотка реостата может накалиться и перегореть. Сопротивление реостата и наибольшее допустимое значение силы тока указаны на корпусе реостата. А зависит ли сопротивление проводника от его состояния, в частности температуры?

ОПЫТ 1. Собираем электрическую цепь из источника тока, стальной спирали, амперметра и ключа (рис. 81). Нагреваем спираль в пламени горелки. Амперметр, включённый в цепь, покажет уменьшение силы тока с повышением температуры.

Рис. 81

Следовательно, с изменением температуры сопротивление металлических проводников изменяется: при повышении температуры — увеличивается, при её понижении — уменьшается.
Согласно научным исследованиям в ограниченном диапазоне температур сопротивление металлических проводников возрастает прямо пропорционально температуре (рис. 82), что определяют по формуле:

Где R — сопротивление проводника при определённой температуре; R₀ — сопротивление проводника при 0 ^oC; t — температура проводника по шкале Цельсия; а — температурный коэффициент сопротивления.

Рис. 82

Температурный коэффициент сопротивления , характеризует зависимость сопротивления вещества от температуры и определяется относительным изменением сопротивления проводника при нагревании на 1°C:

У чистых металлов (с минимальными примесями):

Например, сопротивление вольфрамовой нити лампы накаливания возрастает при прохождении по ней тока в 10 раз и более.

Сплав константан (медь с никелем) имеет очень малый температурный коэффициент сопротивления, приблизительно 10 5 ^oC. Удельное сопротивление константана большое — р = 10^-6 Ом • м. Такие сплавы используют для изготовления эталонных сопротивлений и дополнительных сопротивлений в измерительных приборах, если необходимо, чтобы сопротивление значительно не изменялось при колебаниях температуры.

Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры используют в термометрах сопротивления, рабочим элементом которых является платиновый провод. Изменения температуры окружающей среды определяют по изменению сопротивления провода. Такими термометрами можно измерять очень низкие и очень высокие температуры среды, когда жидкостные термометры непригодны.

Для измерения сопротивления проводников используют приборы омметры разных конструкций. На рисунке 83 для измерения сопротивления резистора к нему присоединили омметр. Цифровой индикатор омметра показывает, что сопротивление проводника равно 39,1 Ом.

Пример №7

Сопротивление одной катушки медного провода равно 1,5 Ом, а другой такой же катушки — 6 Ом. Во сколько раз длина провода в первой катушке меньше, чем во второй?
Ответ: Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине. Чем короче медный провод, тем меньше его сопротивление. Отсюда, длина медного провода в первой катушке в 4 раза меньше, чем во второй.

Пример №8

Реостат изготовлен из никелинового провода длиной 40 м и площадью поперечного сечения 0,5 мм². Напряжение на зажимах реостата 80 В. Чему равна сила тока, который проходит в реостате?

Дано: I = 40 м S = 0,05 мм2 U = 80 В р = 0,40	Решение Силу тока определим по закону Ома: . Неизвестное сопротивление никелинового провода определим по формуле .
I — ?

Удельное сопротивление р находим по таблице 3 (с. 66). Тогда силу тока можно вычислить по формуле:. Подставив значения, получим:

Ответ: сила тока в реостате равна 2,5 А.

Последовательное соединение проводников

Электрические цепи на практике состоят из нескольких потребителей, которые могут быть соединены последовательно, параллельно или последовательно и параллельно (смешанное соединение).
При последовательном соединении потребителей * (проводников) их соединяют поочерёдно один за другим без разветвлений проводов между ними.

Oпыт  К источнику тока присоединим последовательно две лампы (рис. 84, а), начертим схему этой электрической цепи (рис. 84, б). Если выключить одну лампу, то цепь разомкнётся, и вторая лампа погаснет (рис. 84, в). После выполнения лабораторных работ вам уже известно следующее.

1.    При последовательном соединении проводников сила тока в любой части электрической цепи одинакова, то есть

I=I₁=I₂

Рис. 84

2.    Полное напряжение U в цепи при последовательном соединении, или напряжение на полюсах источника тока, равно сумме напряжений на всех отдельных участках цепи, то есть (в случае двух участков)
U = U₁ + U₂.

Тогда, по закону Ома, общее сопротивление цепи R при последовательном соединении равно сумме всех сопротивлений отдельных проводников либо отдельных участков цепи, то есть (в случае двух проводников)
R = R₁ + R₂.

Параллельное соединение проводников

Последовательно соединённые приборы отключаются все одновременно при размыкании цепи, что не всегда удобно. Например, при освещения дома или комнаты нет необходимости одновременно включать все лампы. При последовательном соединении, выключая одну из ламп, мы выключаем и остальные. Если же необходимо, чтобы приборы работали в цепи независимо, используют параллельное соединение.

При параллельном соединении потребителей (проводников) выводы каждого из них присоединяют к общей для всех паре зажимов (точек или узлов цепи).

На рисунке 85, а показано параллельное соединение двух электрических ламп, а на рисунке 85, б — схему этого соединения (в точках А и В — узлы цепи). Если одну лампу выключить, то другая продолжает светить.

Выполнив опыты, убеждаемся, что напряжение на участке цепи AB и на концах всех параллельно соединённых проводников одинаково, то есть

U = U₁ = U₂.

В быту и технике удобно применять параллельное соединение потребителей, поскольку они рассчитаны на одинаковое напряжение.

Рис. 85

При параллельном соединении ток I в точке А (рис. 85, б) разветвляется на два тока — I₁ и I₂ которые сходятся снова в точке В. Так поток воды в реке разделяется на два рукава, потом снова соединяясь (рис. 85, в). Отсюда очевидна связь между значениями силы тока в ветвях параллельной цепи: сила тока в неразветвлённом участке цепи равна сумме токов в отдельных параллельно соединённых проводниках, то есть

Z = Z₁+Z₂.

При параллельном соединении как бы увеличивается толщина проводника, поэтому общее сопротивление цепи R становится меньше наименьшего из сопротивлений проводников, включённых в цепь. Из закона Ома можно вывести соотношение для определения общего сопротивления цепи при параллельном соединении:

Если цепь состоит из двух параллельно соединённых одинаковых ламп с сопротивлением каждая, то общее сопротивление цепи будет в два раза меньше сопротивления одной лампы:

В электрических цепях часто встречается смешанное (или сложное) соединение. Это комбинация последовательного и параллельного соединений. В случае трёх резисторов возможны два варианта смешанного соединения. В первом случае (рис. 86, а) есть два последовательно соединённых участка, один из них является параллельным соединением. Общее сопротивление цепи в данном случае равно:

Во втором случае (рис. 86, б) вся цепь рассматривается как параллельное соединение, в котором одна ветка сама является последовательным соединением. Общее сопротивление цепи в данном случае равно:

При большем количестве резисторов собирают разные, более сложные схемы смешанного соединения.

Рис. 86

Пример №9

Два проводника с сопротивлениями R₁ = 2 Ом и R₂ = 3 Ом соединены последовательно. Сила тока в цепи равна 1 А. Определите сопротивление цепи и общее напряжение на проводниках.

Дано: R1 = 2 Ом R2 = 3 Ом I = 1 А	Решение Сила тока во всех последовательно соединённых проводниках одинакова; I1 = I2 = I = 1 А. Общее сопротивление цепи составляет: R = R1 + R2; R = 2 Ом + 3 Ом = 5 Ом.
R-? U-?

По закону Ома: U = IR, U = 1 А ∙ 5 Ом = 5 В.
Ответ: общее сопротивление цепи R = 5 Ом, напряжение U = 5 В.

Пример №10

В осветительную сеть комнаты включены две одинаковые электрические лампы. Сопротивление каждой лампы равно 440 Ом, напряжение в сети — 220 В. Определите общее сопротивление цепи и силу тока в проводах подводки.

Дано: R1= = 440 Ом R2 = = 440 Ом U= 220 В	Решение Если сопротивления ламп одинаковы, то при параллельном соединении проводников оно равно  R = 440 Ом : 2 = 220 Ом. По закону Ома: I = 220 В : 220 Ом = 1 А.
R-? I -?

Ответ: общее сопротивление цепи R = 220 Ом, сила тока I — 1 А.

Работа электрического тока

Все известные вам электрические приборы действуют за счёт электрической энергии, которую поставляет источник электрического тока. В результате получаем свет, тепло, звук, механическое движение и т. д., то есть разнообразные виды энергии.

Работа электрического тока —это физическая величина, характеризующая преобразование электрической энергии в другие виды энергии.

Вы уже знаете, что напряжение — это физическая величина, характеризующая электрическое поле, которое перемещает свободные заряды, создавая ток. Напряжение на концах определённого участка цепи определяется отношением работы А электрического тока на этом участке к электрическому заряду д, прошедшему по ней, то есть:

Из приведённого соотношения получаем формулу для определения работы электрического тока на участке цепи:

Чтобы определить работу электрического тока на участке цепи, необходимо напряжение на концах этого участка умножить на электрический заряд, прошедший по ней.

За время t ток силой I переносит в цепи электрический заряд q = It. Тогда формула для работы А электрического тока имеет такой вид:

где U — напряжение на концах участка; I — сила тока в цепи; t — время выполнения работы.

Чтобы определить работу электрического тока на участке цепи, напряжение на концах этого участка умножаем на силу тока в ней и время, в течение которого выполнялась работа.

Единицей работы электрического тока, как и механической работы, является 1 Дж. Из формулы для работы электрического тока следует: 1 Дж = 1B-1A-1c = 1B-A-с.

Чтобы измерить работу электрического тока в цепи, необходимо иметь вольтметр, амперметр и часы.

Опыт. Собираем электрическую цепь (рис. 87). C помощью вольтметра определяем напряжение, прилагаемое к электрической лампе, а с помощью амперметра — силу тока в спирали лампы. Итак, вольтметр показывает напряжение 2,3 В, амперметр — силу тока 1,2 A.

Для определения работы тока в течение 10 мин, или 600 с, используем формулу A = UIt. Подставим значения:

А = 2,3 В ^. 1,2 А^.600 с =1656 B^.A^.c= 1656 Дж = 1,656 кДж.

Рис. 87

Следовательно, работа силы тока равна 132 кДж. На практике работу электрического тока также измеряют специальным прибором — электрическим счётчиком, внешний вид которого вы видите на рисунке 88. Счётчик электрической энергии есть в каждом доме или квартире. Его конструкция объединяет свойства всех ранее перечисленных приборов.

Мощность электрического тока

На баллоне или цоколе электрической лампы, корпусе многих бытовых электроприборов, в инструкциях к ним обязательно имеются надписи: «220 В; 60 Вт», «мощность электрического утюга 2,2 кВт» и т. д. Вы уже знаете из механики, что в ваттах измеряют мощность, следовательно, здесь речь идёт о мощности электрического тока.

Мощность электрического ток а — физическая величина, , характеризующая способность электрического тока выполнять определённую работу за единицу времени.

Мощность электрического тока обозначают большой латинской буквой Р. Если работа электрического тока А выполнена за время t, то мощность электрического тока P определяется по формуле:

Используя известное вам соотношение А = UIt, формулу мощности электрического тока представим в следующем виде:

Мощность электрического тока определяется произведением напряжения на концах участка цепи и силы тока на этом участке.

Единицей мощности электрического тока является один ватт (1 Вт). Из формулы мощности следует, что 1 Вт =1B-1A=1B -А.

Используют также кратные единицы мощности: гектоватт (гВт), киловатт (кВт), мегаватт (МВт), гигаватт (ГВт).
1 гВт = 100 Вт:
1 кВт = 1 000 Вт;
1 МВт = 1 000 000 Вт;
1 ГВт = 1 000 000 000 Вт.

Для измерения мощности электрического тока в цепи применяют вольтметр и амперметр. Есть специальный прибор — ваттметр, которым мощность электрического тока можно измерять непосредственно в цепи.

На рисунке 89 вы видите шкалу такого прибора.

Рис. 89

В таблице 4 приведены значения мощности некоторых потребителей электрического тока.

Таблица 4 Мощность некоторых электрических приборов

Устройство, прибор	Мощность, Вт
Лампочка карманного фонарика	1,0
Лампы осветительные (бытовые)	(1,1 - 1,6).102
Холодильник бытовой	(0,15-2,0).102
Электрический утюг	(0,3-1,0).103
Стиральная машина	(0,35 - 2,0).103
Электрическая плитка	(6-8).102
Электропылесос	(1.0 - 1,2).103
Двигатель трамвая	(45-50).103
Двигатель электровоза	650.103
Электродвигатель прокатного стана	(6-9).106

Большинство бытовых приборов рассчитано на напряжение 220 В, но разную силу тока. Следовательно, мощность потребителей электроэнергии разная, поэтому одну и ту же работу они выполняют за разное время.

Из определения мощности электрического тока получаем формулу для расчёта электрической энергии, или работы А:
 

где P — мощность электрического тока; t — время прохождения тока.

Работа электрического тока определяется произведением мощности электрического тока и времени его потребления.

Из этой формулы получаем ещё одно выражение для единицы работы электрического тока: 1 Дж = 1 Вт ∙ 1 с = 1 Вт • с.

Если электрическая лампа мощностью 100 Вт будет светить в течение 10 ч, то работа электрического тока будет равна:
P = 100 Вт ∙ 36 000 с - 3 600 000 Дж = 3 600 кДж = 3,6 МДж.

Такое значение работы электрического тока называют киловатт-часом; обозначают 1 кВт^. ч.
1 кВт -ч = 3 600 000 Дж = 3 600 кДж = 3,6 МДж.

Показания электрического счётчика, которым измеряет количество электрической энергии (работу электрического тока), потребляемой приборами в квартире, выражаются именно в киловатт-часах. Механическую работу 3 600 кДж человек может выполнить, если, например, мешок массой 50 кг поднимет по ступенькам на высоту более 7 км. На тепловой электростанции, чтобы выработать 1 кВт • ч, нужно сжечь всего 330 г угля.

В таблице на с. III форзаца приведены виды работ, на выполнение каждой из них затрачивается 1 кВт • ч энергии.

Закон джоуля-ленца

Электрический ток нагревает проводник. Это явление вам хорошо известно. Объясняется оно тем, что заряженные частицы, перемещаясь под влиянием электрического поля, взаимодействуют с атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В результате работы электрического тока внутренняя энергия проводника увеличивается.

Английский физик Д. Джоуль и российский физик 3. Ленц показали на опыте, что в неподвижных металлических проводниках вся работа электрического тока затрачивается на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдаёт полученную энергию окружающим его телам вследствие теплообмена. Учёные установили, что количество теплоты, которое выделяется проводником с током, определяется произведением квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока.
Этот закон получил название закона Джоуля—Ленца:

где Q — количество теплоты, выделяемой проводником с током; I — сила тока в проводнике; R — сопротивление проводника; t — время прохождения тока.

При параллельном соединении проводников напряжения на них однаковы и количество теплоты удобно определять по формуле:

Согласно закону сохранения энергии количество теплоты, которая передаётся окружающей среде, равно работе электрического тока:

Потребители электрического тока

До середины XIX в. для освещения использовались факелы, свечи, керосиновые лампы и газовые горелки. И только в 1878 г. некоторые улицы и площади Парижа начали освещать электрическими свечами — лампами с электрической дугой (рис. 90, а). Электрическую свечу создал российский изобретатель Павел Яблочков, поэтому её называют "свечой Яблочкова".

В 1870 г. другой российский электротехник Александр Лодыгин сконструировал электрическую лампу накаливания. Лампа Лодыгина состояла из стеклянного баллона, в котором размещался тонкий угольный стержень, закреплённый между двумя медными проводниками (рис. 90, б). Угольный стержень при работе лампы раскалялся и становился источником света, но быстро перегорал (за 30—40 мин). Когда А. Лодыгин откачал из баллона воздух, то время работы пампы увеличилось.

Рис. 90

В 1879 г. американский изобретатель Томас Эдисон изобрёл способ получения тонких угольных нитей, используя их в конструкции электрической лампы (рис. 91). Он также предложил удобный способ включения лампы в электросеть с помощью винтового цоколя и патрона. Тем самым Т. Эдисон ускорил распространение электрического освещения.

В начале XX в. создают более экономичные лампы с металлической зигзагообразной нитью (рис. 92).
Один из недостатков этих электроламп — испарение материала нити при её накаливании, поэтому время работы ламп сокращалось. Кроме того, материал, испаряясь, осаждался на стенках стеклянного баллона и затемнял его.

В 1906 г. А. Лодыгин конструирует лампу с нитью из вольфрама. Вольфрам — тугоплавкий металл, он плавится при температуре 3 380⁰C. Чтобы уменьшить испарение вольфрама, баллон лампы начали наполнять инертными газами — аргоном (с примесью азота), криптоном.

Рис. 91

Рис. 92

Для уменьшения тепловых потерь вольфрамовую нить в лампе делают в виде спирали (рис. 93). На рисунке 94 показаны современные лампы накаливания.

Рис. 93

Рис. 94

Для освещения в быту и часто на производстве применяют электрические лампы накаливания, рассчитанные на напряжение 220 В, мощностью от 15 до 150—200 Вт; для освещения железнодорожных вагонов используют лампы, рассчитанные на напряжение 50 В, автомобилей — 12 и 6 В, в карманных фонариках — 6,3; 3,5; 2,5 и 1 В. Для специальных потребностей изготовляют лампы накаливания большой мощности. На рисунке 95 вы видите лампу, мощность которой 500 Вт. Лампы такой большой мощности охлаждают специальными вентиляторами.

Время работы электрической лампы накаливания составляет 1 000 ч. В значительной степени это зависит от напряжения, которое подаётся на лампу. Например, если на лампу, рассчитанную на 220 В, подавать напряжение 222 В, то время её работы сократится на 130 ч.

Кроме ламп накаливания человек использует газоразрядные лампы дневного света (их также называют люминесцентными). Эти лампы представляют собой длинную (от 10 до 120 см) стеклянную запаянную трубку (рис. 96). Воздух из трубки выкачивают, вводят каплю ртути и немного газа — аргона, криптона, неона и т. д. Внутри поверхность прозрачного стекла покрывают веществом, светящимся под действием ультрафиолетового излучения, которое сопровождает электрический разряд в газовой смеси. Подбирая состав этого вещества, можно получить свет любого цвета. При свечении ламп дневного света температура в них не превышает 50 °C.

Рис. 95

Рис. 96

Лампы дневного света экономичнее ламп накаливания в 5—7 раз, а продолжительность их работы в 2—3 раза больше. Тепловое действие тока используют в различных электрона гревательных приборах и установках. В быту широко применяют электрические плиты, утюги, чайники, кипятильники, водонагреватели и электрорадиаторы (рис. 97), в промышленности выплавляют специальные сорта стали и другие металлы, сваривают их (рис. 98), а в сельском хозяйстве обогревают теплицы, инкубаторы, сушат зерно и т. д.

Рис. 97

Рис. 98

Основной частью нагревательного электрического прибора является нагревательный элемент. Это проводник с большим сопротивлением, способный выдерживать, не разрушаясь, нагревание до высоких температур (1000— 1200 ⁰C).

Для изготовления нагревательных элементов применяют преимущественно сплав никеля, железа, хрома и марганца — нихром. Благодаря большому сопротивлению нихрома из него делают очень удобные и компактные нагревательные элементы. В нагревательном элементе проводник в виде провода, ленты или спирали наматывают на каркас либо прикрепляют к арматуре из жаропрочного материала: слюды, керамики. В электрическом утюге (рис. 99) нагревательный элемент (нихромовая лента или спираль) нагревает нижнюю часть (подошву) утюга.

Рис. 99

Пример №11

Амперметр показывает силу тока в цепи 15 А, вольтметр — напряжение на участке 24 В. Какую работу выполняет электрический ток за 20 мин?

Дано: I = 15 А U = 24 В t = 20 мин = 1200 с	Решение Чтобы вычислить работу электрического тока, используем формулу: A = UIt. Подставив значения, получим: A = 24 В ∙ 15 А • 1200 с = 432 000 Дж = 432 кДж.
A-?

Ответ: электрический ток выполнил работу А = 432 кДж.

Пример №12

Какую мощность должен иметь электрический двигатель, чтобы за 20 мин выполнить работу 100 кДж?

Дано: А = 120 кДж = 120 000 Дж t — 20 мин = 1200 с	Решение Для определения мощности электродвигателя, работу электрического тока разделим на время его работы: Подставив значения, получим: P = 120 000 Дж : 1200 с = 100 Вт.
P-?

Ответ: мощность электрического двигателя P = 100 Вт.

Пример №13

Две электрические лампы мощностью 60 Вт и 100 Вт включены в сеть 220 В параллельно. Какая из них светит ярче?
Ответ: лампа мощностью 100 Вт.

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов

Мы уже знаем закономерности прохождения электрического тока в металлах и как велико практическое значение этого явления. А существуют ли проводники электричества из неметаллов?

Далее изучая явления электрического тока в разных средах, убедимся, что кроме металлов он может существовать в жидкостях, газах и даже вакууме. В этих случаях будем рассматривать замкнутую цепь, в которой определённый участок проводника состоит из вещества в жидком или газообразном состоянии, либо является вакуумным промежутком. Проводники, подводящие напряжение (ток) к этому участку, называют электродами. Электрод, соединённый с положительным полюсом источника тока, называют анодом, а с отрицательным — катодом. При прохождении тока к аноду притягиваются свободные электроны и отрицательные ноны (анионы), а к катоду — положительные ионы (катионы).

Для существования электрического тока в веществе, помещённом в электрическое поле, необходимым является наличие свободных электрических зарядов, которые в веществе могут перемещаться под действием электрического поля на расстояния, ограниченные только размерами образца. В металлических проводниках носителями тока являются свободные электроны, а ионы металла жёстко связаны в узлах кристаллической решётки и могут осуществлять лишь колебательные движения.

В подобном связанном состоянии находятся ионы в ионных кристаллах, например в поваренной соли (NaCl). Электроны, которые отдают атомы металла (Na+), образуют отрицательные ионы галогена (Cl ), в результате возникает химическая связь. Поскольку свободных носителей электричества в ионных кристаллах нет, то при невысоких температурах они являются хорошими изоляторами. Если попытаться образовать электрическую цепь, погрузив в колбу с кристаллами сухой поваренной соли два проводника, присоединённых последовательно с микроамперметром к источнику тока, то никакого тока не зарегистрируем. При расплавливании кристаллов ионы приобретают подвижность, и поваренная соль становится проводником тока. Расплавы солей и других соединений проводят ток. Проводниками являются также водные и другие растворы солей кислот и щелочей.

Дистиллированная вода — прекрасный изолятор, поскольку не содержит свободных электрических зарядов.

Вещества, водные растворы или расплавы которых проводят ' электрический ток, называют электролитами.

Опыт. Соберём электрическую цепь (рис. 47) нальём в банку дистиллированную воду. Лампа не светится; амперметр показывает отсутствие электрического тока в цепи.
 

Но если растворить в воде какую-либо соль, кристаллы которой имеют ионную структуру, например поваренную соль (NaCl) или медный купорос (CuSO4), то в цепи возникнет ток, и лампа будет светится.
Молекула воды полярна, её можно представить как объект удлинённой формы, на концах которого сосредоточены электрические заряды противоположных знаков. Поэтому электрическое поле молекул воды способствует распаду ионной кристаллической решётки на свободные ионы (рис. 100, а). Кристаллическая решётка разрушается также при плавлении солей, в результате образуется жидкость, состоящая из свободных ионов.

Расщепление электролита на ионы в водном растворе или расплаве называют электролитической диссоциацией.

Типичные электролиты — это соли, кислоты и щёлочи, многие органические соединения.

Что произойдёт, если в растворе электролита создать электрическое поле (рис. 100, б)? Положительные ионы (катионы) начнут перемещаться к отрицательному электроду — катоду, а отрицательные ионы (анионы) — к положительному электроду (аноду). В цепи возникает электрический ток, обусловленный направленным движением ионов обоих знаков.

Рис. 100 

Таким образом, электрический ток в растворах электролитов — это упорядоченное движение ионов.
Если ток протекает в растворе медного купороса, то вскоре на катоде образуется тонкий слой меди. Следовательно, в растворе под действием электрического поля к катоду перемещаются положительные ионы Cu²⁺, при контакте с катодом они присоединяют недостающие электроны и в виде нейтральных атомов осаждаются на электроде. В отличие от металлов ток в электролите сопровождается переносом вещества.

Процесс выделения вещества на электродах при протекании электрического тока в растворах или расплавах электролитов называют электролизом.

В 1833—1834 гг. Майкл Фарадей опытным путём установил количественные соотношения для описания явления электролиза. Первый закон Фарадея для электролиза позволяет рассчитать массу вещества, выделившегося на электроде.

Масса вещества, выделившегося на электроде при электролизе, прямо пропорциональна силе тока и времени его прохождения.

где m — масса выделившегося на электроде вещества; k — коэффициент пропорциональности — электрохимический эквивалент данного вещества; I — сила тока в цепи; t — время прохождения тока.

Из первого закона Фарадея можно экспериментально определить значение электрохимического эквивалента данного вещества.

Электрохимический эквивалент определяется отношением массы вещества, выделившегося на электроде при электролизе, к электрическому заряду, прошедшему через электролит.

Единица электрохимического эквивалента в СИ — один килограмм на кулон ().

Электролиз широко применяется в промышленности. Используют электролиз (гальваностегию) для покрытия металлических изделий тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование).

Пропуская электрический ток через расплавы некоторых солей, можно выделять металлы в чистом виде. Так получают алюминий, рафинированную (сверхчистую) медь и другие металлы.

Посредством электролиза очищают металлы от примесей, например неочищенную медь, добытую из руды. Её отливают в форме толстых листов, которые потом помещают в ванну как аноды. При этом медь анода растворяется, примеси, содержащие ценные и редкие металлы, осаждаются, а на катоде остаётся чистая медь.

В 1836 г. Б. Якоби предложил процесс получения отслаиваемых покрытий (гальванопластику) и применил его для изготовления полых фигур, украсивших Исаакиевский собор в Санкт-Петербурге.

Электрический ток в полупроводниках

Изучая электрические явления, мы в основном пользовались материалами и приборами, изготовленными из веществ, которые были либо изоляторами (стекло, бумага, воздух, пластмасса и др.), либо проводниками (медь, алюминий, сталь, уголь, электролиты и др.). Однако большинство из известных веществ по их электрическим свойствам нельзя отнести ни к проводникам, ни к диэлектрикам. Этот обширный класс веществ, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками, называют полупроводниками.

К полупроводникам относятся 12 химических элементов (В, С, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, S, Se, Те, I), соединения элементов III и V групп (InSb, GaAs и др.), соединения элементов II и VI групп (CdS, ZnO и др.), ряд других соединений, некоторые органические вещества. Наибольшее применение в науке и технике имеют полупроводники германий (Ge) и кремний (Si).
Чем полупроводники отличаются от проводников?

Способность любого вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называют электрической проводимостью, электропроводностью, или просто проводимостью. Тип проводимости обусловлен видом носителей тока. Металлы имеют электронную проводимость. В электролитах носители тока — свободные положительные и отрицательные ионы, поэтому они имеют ионную проводимость. Чем меньше электрическое сопротивление проводника, тем больше его проводимость, и наоборот. Электрическое сопротивление металлов с повышением температуры возрастает прямо пропорционально (см. рис. 82 на с. 68).

По результатам научных исследований, полупроводники обладают такими основными свойствами.

1. Электропроводность полупроводников в значительной степени зависит от состояния вещества (температура, освещение, наличие примесей и т. д.).
2. C повышением температуры электрическое сопротивление полупроводников в отличие от металлов резко падает.
3. Прохождение тока в полупроводнике не связано с переносом вещества, то есть ток в полупроводниках обусловлен направленным движением электронов, а не ионов.

Рассмотрим подробнее свойства полупроводников.

Опыт. Включаем в электрическую цепь полупроводниковый элемент (рис. 101). При его нагревании стрелка гальванометра показывает возрастание силы тока в цепи. Следовательно, сопротивление полупроводника, а значит, и удельное сопротивление, уменьшаются с повышением его температуры.


Рис. 101

На рисунке 102 изображён график зависимости сопротивления полупроводникового элемента от его температуры. Видим, что сопротивление полупроводника резко уменьшается с повышением температуры.

Рис. 102

Если нагревание полупроводника прекратить, то стрелка гальванометра вернётся в прежнее положение. Полупроводник охлаждается, его сопротивление возрастает.

Электрическое сопротивление полупроводников зависит также от степени их освещения. На рис. 103, а полупроводниковый фотоприёмник закрыт заслонкой, ток в цепи очень мал. При освещении полупроводника (рис. 103, б) сила тока в цепи заметно возрастает. Это говорит об уменьшении сопротивления полупроводника под действием света.

Рис. 103

Зависимость сопротивления полупроводников от освещения и нагревания связана с внутренним строением этих материалов.

Один из типичных полупроводников — германий с порядковым номером 32. Его четыре электронные оболочки имеют 32 электрона. На первой оболочке находятся 2, на второй — 8, на третьей — 18, на четвёртой — 4 электрона (рис. 104, а). Электроны трёх внутренних оболочек не участвуют в химических реакциях. Электроны внешней оболочки слабо связаны с ядром атома. Их называют внешними, или валентными электронами, поскольку они определяют валентность данного элемента — способность его атомов вступать в химическую связь с определённым количеством других атомов. Валентность германия, атом которого имеет на внешней оболочке 4 электрона, равна четырём.

Рис. 104

При сближении двух атомов их валентные электроны вследствие слабой связи со своими ядрами легко взаимодействуют, образуя устойчивую химическую связь, которую называют ковалентной.

В твёрдом состоянии атомы германия расположены в узлах кристаллической решётки. У каждого атома есть четыре равноудалённых соседа, с которыми его объединяют парноэлектронные (ковалентные) связи. На рис. 104, б изображена условная плоская схема структуры связей в кристалле германия (аналогичная схема у кремния, который также находится в IV группе и обладает подобными химическими и физическими свойствами). При низких температурах все валентные электроны атомов заняты в этих связях и не являются свободными. За неимением свободных электронов полупроводники при низких температурах ведут себя как диэлектрики. Для того чтобы полупроводник проводил ток, надо разорвать парноэлектронные связи, то есть освободить электроны.

При нагревании либо освещении кристалла некоторые электроны получают избыточную энергию и становятся свободными. Чем больше нагревается или освещается полупроводник, тем больше в нём появляется свободных электронов и тем меньше его электрическое сопротивление. Освободившийся электрон покидает своё место в системе связей между атомами — появляется вакансия — незаполненная электронная связь, которую называют дыркой. Количество таких дырок тем больше, чем больше электронов освобождается в кристалле при нагревании или освещения.

Дырка ведёт себя как положительный заряд. Дело в том, что недостаток отрицательного заряда в системе электронной связи равносилен наличию в этом месте положительного заряда. Заряд дырки равен по значению заряду электрона. Дырка может захватывать электрон от соседней связи, в результате там появляется новая дырка, а первичная — исчезает. Это эквивалентно перемещению дырки в пространстве, поэтому она может перемещаться в кристалле как свободный электрон.

Свободные электроны и дырки в кристалле полупроводника находятся в состоянии хаотического теплового движения, но характер их движения существенно изменится, если к кристаллу приложить напряжение. Электрическое поле упорядочит движение как свободных электронов, так и дырок. Положительные дырки под действием электрического поля перемещаются к отрицательному полюсу источника — катоду, а свободные электроны к положительному полюсу — аноду. В кристалле полупроводника возникает электрический ток, обусловленный движением носителей двух типов. Говорят, что в полупроводнике имеются дырочная и электронная проводимости.

Проводимость химически чистых полупроводников, возникающая при их нагревании или освещении, называется собственной проводимостью.

Собственная проводимость полупроводников при комнатной температуре небольшая. Оказывается, чтобы значительно увеличить электрическую проводимость полупроводника (то есть уменьшить его электрическое сопротивление), в чистый полупроводник необходимо внести специальные примеси. Проводимость полупроводников, обусловленную наличием примесных атомов, называют примесной проводимостью. Различают электронную примесную проводимость и дырочную примесную проводимость.

Электронная примесная проводимость возникает при замещении некоторых атомов германия или кремния атомами другого вещества с пятью валентными электронами, например мышьяка (As) или сурьмы (Sb). Тогда четыре электрона сурьмы обеспечивают ковалентные связи с соседними атомами, а пятый электрон, слабо связанный с атомом примеси, становится свободным. В веществе объёмом 1 см³ содержится до 10²² атомов. Замещение одного атома германия из миллиона на атом сурьмы или мышьяка приводит к тому, что в каждом кубическом сантиметре полупроводника появляются почти 10¹⁶ свободных электронов. Именно эта способность даёт возможность полупроводнику проводить электрический ток. Примеси, которые легко отдают электроны и, следовательно, увеличивают количество свободных носителей, называют донорными примесями, пли донорами.

Итак, за счёт вкрапления в германий или кремний атомов пятивалентного элемента получаем полупроводники с примесной электронной проводимостью (рис. 105, а). Их называют полупроводниками n-типа (от латинского слова negatiυus — отрицательный).

Рис. 105

Дырочная примесная проводимость возникает, если в полупроводниковом кристалле некоторые атомы замещаются другими атомами, имеющими три валентных электрона, например атомами индия (In). В этом случае для образования ковалентной связи с соседними атомами примесному атому необходим ещё один электрон (рис. 105, б). Поэтому в том месте, куда попадает атом примеси, образуется дырка (дефицит электрона). Если заменить один из миллиона атомов основного вещества атомом трёхвалентной примеси, то в каждом кубическом сантиметре полупроводника образуются до 10¹⁶ дырок.

Примеси этого типа называют акцепторными (приёмными), или акцепторами. Такой полупроводниковый кристалл обеспечивает электрический ток благодаря дрейфу дырок, которые переносят положительный электрический заряд.

Итак, при вкраплении в германий или кремний атомов трёхвалентного вещества получаем полупроводники с примесной дырочной проводимостью. Их называют полупроводниками р-типа (от латинского positivus — положительный).

Как уже отмечалось, электрическое сопротивление полупроводников зависит от его температуры. Это свойство полупроводников используют для измерения температуры окружающей среды (в диапазонах от -269 до -193 ⁰С; от -103 до + 297 ⁰С; свыше +1000 ⁰С) по силе тока в цепи с полупроводником. Такие приборы называют термисторами, или терморезисторами. Их изготовляют в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусин размером от нескольких микрометров до нескольких сантиметров и применяют для дистанционного измерения температуры, противопожарной сигнализации и пр.

Электрическая проводимость полупроводника возрастает при разрушении связей и образовании свободных электронов и дырок за счёт энергии света, падающего на полупроводник. Это явление называют внутренним фотоэлектрическим эффектом; используют в полупроводниковых приборах — фоторезисторах. C помощью фоторезисторов определяют качество поверхностей, контролируют размеры изделий и т. д.

Позднее вы будете изучать устройство и работу различных полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, электронных интегральных схем. Именно благодаря им электронная аппаратура стала малогабаритной, экономичной и надёжной: первые компьютеры размещались в огромных залах, а современные — помещаются на ладони, музыкальный плейер не стоит на столе, а висит на шнурке. Полупроводниковый лазер даёт возможность записать данные на CD- или DVD-дисках, а флеш-накопитель — переносить и хранить гигантские объёмы информации.

Большой вклад в развитие физики полупроводников, внесли украинские учёные К. Д. Товстюк (1922-2004) и В. Е. Лошкарёв (1903-1974), создавший научную школу специалистов по физике полупроводников.

Электрический ток в газах

Газы являются хорошими изоляторами, поскольку в обычных условиях — при низких температурах и отсутствии внешнего облучения (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного) — они состоят из нейтральных атомов или молекул. У них нет свободных электрических зарядов, упорядоченное перемещение которых создаёт электрический ток. Но при определённых условиях можно получить электрический ток и в газах.

Опыт 1 Зарядим (например, от электрофорной машины) алюминиевые диски, соединённые проводниками с выводами электрометра (рис. 106, а). Видим, что отклонение стрелки электрометра остаётся постоянным, поскольку электрическая проводимость воздуха в условиях комнатной температуры и сухого воздуха очень мала, и пластины практически не разряжаются.

Внесём в пространство между дисками пламя спички или свечи (рис. 106, б). Наблюдаем быстрый разряд электрометра. Следовательно, воздух вследствие значительного повышения температуры уже обладает проводимостью и замыкает цепь, то есть в нагретом газе проходит электрический ток.

Рис. 106

Процесс прохождения электрического тока в газах называют газовым разрядом.

При нагревании или излучении часть атомов газа ионизируется — распадается на положительно заряженные ионы и электроны. В газе образуются также отрицательно заряженные ионы.

Ионизация газов при нагревании объясняется тем, что некоторые молекулы перемещаются так быстро, что часть из них при столкновении распадается, превращаясь в ионы. Чем выше температура газа, тем больше образуется ионов. В нашем опыте пламя свечи исполняет роль ионизатора, то есть источника ионов.

Явление, вызывающее ионизацию газа и дальнейшее развитие газового разряда, называют ионизатором.

Как ионизатор действуют рентгеновские лучи, а также радиоактивное излучение (его вы будете изучать позднее). При нормальных условиях окружающий воздух всегда в определённой степени ионизирован под воздействием солнечных лучей и космического излучения (поток быстрых заряженных частиц, поступающих на Землю из глубин Космоса).

Механизмы проводимости газов, растворов и расплавов электролитов аналогичны. Различие в том, что в газах отрицательный заряд переносится преимущественно не отрицательными ионами, а свободными электронами.

Таким образом, в газах сочетаются электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, которая аналогична проводимости водных растворов и расплавов электролитов.

Если мы прекращаем нагревать либо облучать газ, то он снова становится диэлектриком. Ток прекращается тогда, когда все ионы и электроны достигают электродов. Кроме того, при сближении электрона и положительно заряженного иона снова образуется нейтральный атом. Этот процесс называют рекомбинацией заряженных частиц.

Если же внешнего электрического поля нет, то заряженные частицы исчезают только при рекомбинации, и газ становится диэлектриком.

В газах разряд можно наблюдать без нагревания и облучения. Иногда он может поддерживать себя самостоятельно. При каких условиях это возможно?

Опыт 2 Возьмём запаянную и наполненную воздухом стеклянную трубку с двумя металлическими электродами, к которым прикладываем напряжение, собрав цепь, изображённую на рисунке 107. Предположим, что на газ в трубке действует какой-либо ионизатор. Если напряжение между электродами трубки малое, то положительно заряженные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а электроны и отрицательно заряженные ионы — к положительному. В результате в трубке возникает электрический ток, то есть происходит газовый разряд.

Поскольку в пространстве между электродами одновременно происходит процесс рекомбинации, то не все образованные электроны и ионы достигают электродов трубки.

C увеличением напряжения между электродами сила тока в цепи возрастает. Потом наступает момент, когда сила тока не изменяется. Ток достигает насыщения (рис. 108). Если действие ионизатора (нагревание, облучение) прекращается, то прекращается и разряд, поскольку другие источники ионов отсутствуют. Такой разряд называют несамостоятельным разрядом.

А что же происходит с разрядом в газе, если увеличивать напряжение на электродах трубки?

Опыт показывает, что в газе с увеличением напряжения на электродах трубки сила тока с определённого значения снова увеличивается (рис. 109). Причина в том, что в газе дополнительно происходит ионизация электронным ударом при столкновении электронов, ускоренных электрическим полем, с атомами газа. При этом образуется значительно больше ионов, чем в результате действия ионизатора. Сила тока возрастает в тысячи раз, а количество ионов может стать таким, что отпадает потребность во внешнем ионизаторе.

Рис. 107

Рис. 108

Рис. 109

Поскольку такой разряд не требует для своего поддержания внешнего ионизатора, его называют самостоятельным разрядом.

В зависимости от свойств и состояния газа, характера и размещения электродов, приложенного к электродам напряжения возникают различные виды самостоятельного разряда.

Тлеющий разряд наблюдается при низких давлениях (десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба) и напряжении между электродами в несколько сотен вольт.

Тлеющий разряд используют в рекламных трубках (рис. 110). Если трубка наполнена неоном, то возникает красное свечение, если аргоном — синевато-зелёное. В лампах дневного света используют разряд в парах ртути.

Рис. 110

Электрическая дуга — это явление возникновения яркого . светящегося столба газа между двумя угольными электродами при низком напряжении.

Электрическую дугу «зажигают» так. Сначала сближают и вводят в контакт угольные электроды, замыкая цепь. В результате тепловою действия тока, протекающего в точечных контактах с большим электрическим сопротивлением, концы электродов накаляются до свечения. C поверхности электродов при этом с огромной скоростью вылетают электроны и при столкновении ионизируют газ в прилегающем пространстве (о явлении термоэлектронной эмиссии читайте на с. 103). Если теперь развести электроды в разные стороны, то электрический ток в цепи не прекращается, он проходит через ионизированный газ, что сопровождается его накаливанием и ярким свечением.

Сила тока в малой дуге достигает нескольких ампер, а в мощных дугах — нескольких сотен ампер при напряжении около 50 В.

Во время горения дуги воздух в промежутке между угольными электродами нагревается до нескольких тысяч градусов и, поднимаясь вверх в результате конвекции, изгибает светящийся столб в виде дуги, чем и объясняется название этого вида газового разряда (рис. 111).

Рис. 111

Дуговой разряд — мощный источник света. Его используют в прожекторах, проекционных аппаратах и киноаппаратах. В металлургии применяют электропечи, в которых источником тепла является дуговой разряд. Используют его также для сварки металлов.

При коронном разряде светящаяся область напоминает корону, он образуется при атмосферном давлении вблизи острых частей проводника с большим электрическим зарядом.

Газ в этом случае ионизируют ударом электроны, ускоренные сильным электрическим полем, возникающим возле острых заряженных проводников.

Перед грозой или во время грозы часто на вершинах и острых углах высоких предметов возникает кистеобразное свечение, например на корабельных мачтах (рис. 112). Издавна это свечение называют огнями святого Эльма, иногда оно наблюдается даже на кончиках ружейных штыков.
Коронный разряд может возникнуть на проводах высоковольтных линий, что приводит к потерям электроэнергии. Чем выше напряжение в линии, тем толще провод следует использовать для предотвращения коронного разряда.

Искровой разряд возникает при высоком напряжении между  электродами в воздухе (рис. 113, а) и имеет вид пучка ярких зигзагообразных полос, ответвляющихся от тонкого канала.

При искровом разряде газ ионизируется ударом ускоренных сильным электрическим полем электронов, возникающих в некоторых местах между электродами вследствие природной ионизации воздуха.
C помощью искрового разряда можно обрабатывать детали из тугоплавких металлов, поскольку большая энергия этого разряда выделяется в небольшом объёме за очень малый промежуток времени. При отсутстивии теплообмена с окружающей средой в месте разряда температура металла резко повышается, происходит его испарение.

Примером мощного искрового разряда является молния (рис. 113, б). Изучением этого явления природы занимались многие учёные, в частности Б. Франклин, М. В. Ломоносов, Г. В. Рихман. В 1753 г., исследуя атмосферное электричество, Г. В. Рихман погиб от удара молнии.

Рис. 112

Рис. 113

Многолетними исследованиями установлено, что при движения воздуха за счёт конвекции воздушные потоки и облака в результате столкновений электризуются. При этом часть облака (например, верхняя) электризуется положительно, а часть — отрицательно.

Напряжение между двумя облаками или между облаком и Землёй достигает десятков миллионов вольт. В результате между облаками или между облаком и Землёй возникает гигантская искра — молния (рис. 114). Длина молнии достигает нескольких километров, а диаметр её канала иногда превышает 6 м. Сила тока в канале молнии огромная: от 1—2 до 200 кА. Продолжительность разряда небольшая — тысячные доли секунды. Поэтому общий заряд, протекающий при одной вспышке молнии, не превышает десятков или сотен кулонов.

Рис. 114

Для защиты сооружений (зданий, опор линий электропередачи и т. д.) поблизости устанавливают мачту с заострённым металлическим стержнем, который надёжно соединяют толстым проводом с закопанным глубоко в землю металлическим предметом, то есть заземляют (рис. 115). Это устройство называют молниеотводом (часто — громоотводом).

Рис. 115

Поясним упрощённо принцип действия молниеотвода. Грозовое облако своим электрическим полем наводит в молниеотводе электрический заряд, противоположный по знаку заряду облака. Этот заряд создаёт около острия молниеотвода сильное электрическое поле, в котором начинается «тихий» коронный разряд, забирающий на себя энергию взаимодействия наведённого облаком электрического заряда, чем уменьшает вероятность развития молнии. Размеры территории, защищённой молниеотводом на поверхности Земли, определяются высотой молниеотвода.

Электрический ток в вакууме. Если из стеклянной трубки в опыте 2 на с. 99 (см. рис. 107) с помощью специального насоса откачать воздух, то в ней образуется вакуум, то есть безвоздушное пространство. При этом измерительный прибор показывает, что в цепи трубки тока нет. Этот факт можно объяснить: хотя в промежутке между электродами существует электрическое поле, но свободные носители электрического заряда отсутствуют, поэтому вакуумный промежуток является хорошим изолятором.

И все же в такой вакуумной трубке возможен электрический ток. Если рядом с катодом трубки поместить миниатюрный электронагреватель (нить накала), который нагреет катод до температуры видимого свечения (900—1500 °C), то с его поверхности начнут «испаряться» электроны, образующие электронное «облако», то есть появляются свободные носители электричества. Под действием электрического поля электроны будут перемещаться к аноду и замкнут цепь — измерительный прибор покажет наличие тока. Явление «испарения электронов», названное термоэлектронной эмиссией, в 1883 г. впервые наблюдал Т. Эдисон (эффект Эдисона).

Описанный вакуумный прибор имеет важную особенность — одностороннюю проводимость. Если полярность источника тока, соединённого с трубкой, поменять на противоположную (катод соединить с положительным полюсом источника, а анод — с отрицательным), то ток в цепи исчезнет. В этом случае положительный катод «не отпускает» отрицательные электроны, а отрицательный анод, в свою очередь, отталкивает их назад, то есть цепь не замыкается. Позднее на основе этого свойства были созданы выпрямители переменных (периодически изменяющих направление) токов, а также электронно-лучевые трубки, которые широко применяли в телевизорах и мониторах компьютеров.

Кстати:

• Молния — достаточно частое явление на Земле. Учёные подсчитали, что ежедневно на земном шаре бывает почти 44 000 гроз (приблизительно одна гроза каждые 2 с). Грозы преобладают во второй половине дня. Их продолжительность — приблизительно 1 ч. Но в тропиках и горах они иногда продолжаются по 12—13 ч.
• Вольтов столб и батарея открыли возможности для широких экспериментов с сильным электрическим током. В 1802 г. профессор Петербургской медико-хирургической академии В. В. Петров (1761-1834) сконструировал самую мощную для того времени батарею. Она состояла из 4 200 медных и цинковых кружков, помещённых в четыре деревянных ящика. Присоединив медным проводом к полюсам батареи два угольных стержня (электроды), учёный приблизил их один к другому и увидел, что между ними вдруг вспыхнула яркая дуга. Она осветила лабораторию, куски металла в ней очень быстро плавились. Так была открыта электрическая дуга.
• Способ сварки металлов с помощью электрической дуги в 1881 г. предложил уроженец с. Мостовое Николаевской области, изобретатель Николай Николаевич Бенардос (1842-1905). Он запатентовал почти 100 изобретений в сфере транспорта и энергетики. Н. Бенардос сконструировал угольные электроды разных форм и комбинированные электроды: один из электродов — угольный, а другим служит свариваемый металлический предмет; предложил специальное приспособление для сварки в вертикальном положении; впервые использовал электромагнит для закрепления свариваемых деталей в заданном положении; создал несколько конструкций сварочных полуавтоматов и автоматов; разработал способы подводного сваривания и резания металлов, сварки в газовой струе, точечной и шовной контактной сварки.
  
  Николай Бенардос
• Славные традиции достижений украинских учёных в исследовании проблем сварки металлов продолжил Евгений Оскарович Патон (1870-1953) — основа-Николай Бенардос тель отечественной школы сварки. По его инициативе при прежней АН УССР оганизовали лабораторию (1929 г.), которая в 1934 г. была преобразована в Институт электросварки, директором и научным руководителем которого был Е. О. Патон. Основные труды учёного посвящены научным и технологическим основам дугового сварочного процесса и проблемам его автоматизации; созданию электросварочной аппаратуры.
  
  Евгений Патон​
• В Институте электросварки АН УССР непосредственно под руководством Е. О. Патона в 1939-1940 гг. была завершена разработка метода высокопродуктивной автоматической сварки под флюсом. Институт разработал технологию сварки бронированной
• стали, что позволило создать поточное механизированное производство бронетанковых корпусов. C помощью автоматической сварки под флюсом было налажено производство авиабомб, артиллерийских снарядов. Довоенный и военный периоды деятельности Института, которому в 1945 г. было присвоено имя Е. О. Патона, можно рассматривать как становление новой научной школы (В. В. Шеверницкий, А. А. Казимиров, Г. В. Раевский, А. М. Макара, Б. Е. Патон, В. И. Медовар, Д. М. Раб-кин, И. И. Фрумин). Именем Е. О. Патона назван сконструированный им мост через Днепр в Киеве (1953 г). Позднее дело отца продолжил сын — Б. Е. Патон, возглавивший Институт электросварки имени Е. О. Патона в 1953 г.
• Борис Евгеньевич Патон — выдающийся учёный в области сварки, металлургии и технологии металлов, организатор науки, государственный и общественный деятель. Президент Национальной академии наук Украины с 1962 г. Возглавляемый Б. Е. Патоном Институт электросварки вырос в мощный научно-технический комплекс, в структуре которого научно-исследовательский институт, конструкторско-технологические и экспериментальные подразделения, три исследовательских завода, а также инновационные организации, научно-инженерные и аттестационный центры. Под его руководством и при непосредственном участии в Институте проведены глубокие исследования и получены важные результаты по разработке прогрессивных технологий неразъёмного соединения, обработки металлов и неметаллов в разных условиях и средах. К ним относятся сварка и наплавка под флюсом, сварка в защитных газах сплошным и порошковым проводом, электрошлаковая, стыковая сварка плавлением, газотермическое напыление, лучевые технологии и другие процессы.
  
  Борис Патон
  Фундаментальные исследования Б. Е. Патона и его учеников взаимодействия сварочных источников нагревания с расплавленным металлом заложили основу для создания новой отрасли металлургии — специальной электрометаллургии. Благодаря этому стало возможным получение сверхчистых специальных сталей и сплавов, цветных металлов, а также уникальных композиционных материалов. Открылись перспективы для создания новейших конструкционных и функциональных материалов XXI века.
  Борис Евгеньевич внёс большой вклад в создание новых типов сварных, конструкций, индустриальных способов сварки магистральных трубопроводов, крупногабаритных резервуаров для хранения нефти, кожухов доменных печей, высотных башенных конструкций.
  Впервые Б. Е. Патон предложил исследования в открытом космосе в сфере технологии металлов, в создании уникальных конструкций. Под его непосредственным руководством в 1984 г. космонавты С. Е. Савицкая и В. А. Джанибеков впервые в мире провели в открытом космосе исключительно важные исследования и впервые осуществили на практике сваривание, резание и напыление металлов.
  Под его руководством сотрудники Института и учёные-медики создали новый способ соединения (сваривания) мягких тканей человека и животных, который широко используется в хирургической практике.

Безопасность человека во время работы c электрическими приборами и устройствами

Электрические цепи рассчитывают на определенную силу тока. Если сила тока в цепи превышает допустимую, то провода могут перегреться, а их изоляция — загореться.

Причины значительного увеличения силы тока в цепи — одновременное включение нескольких мощных потребителей тока (например, электроплитки, электроутюга, стиральной машины, водонагревателя) либо короткое замыкание.

Опыт. Собираем цепь из источника тока напряжением 36 В, электрической лампы, ключа и отрезка тонкого провода. Замыкаем ключ — лампа светится. Теперь к зажимам лампы присоединим перемычку и снова замыкаем цепь. Лампа гаснет, а тонкий проводник раскаляется до свечения (рис. 116) и может перегореть со вспышкой.

Рис. 116

Коротким замыканием называют соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи.

Короткое замыкание может возникнуть при ремонте проводки под током (рис. 117) или при случайном касании оголённых проводов. Сопротивление цепи при коротком замыкании незначительно, поэтому в цепи резко возрастает сила тока, при этом провода могут загораться. Чтобы предупредить это, в электросеть обязательно включают предохранители.
Каково назначение и устройство предохранителей?

Рис. 117

Назначение предохранителей — сразу же отключить линию, если сила тока вдруг превысит допустимую норму.

Основная часть предохранителя (рис. 118) — провод C из легкоплавкого металла (например, свинца), размещённый внутри фарфоровой пробки П. Пробка имеет винтовую нарезку H и центральный контакт К. Нарезка соединена с центральным контактом свинцовым проводом. Пробку вкручивают в патрон, который находится внутри фарфоровой коробки.

Рис. 118

Следовательно, свинцовый провод — это часть общей цепи. Толщина свинцового провода должна выдерживать определённую силу тока, например<, 6,10,16, 25, 32 А (рис. 119). Если сила тока в цепи превысит допустимое значение, то свинцовый провод расплавится, и цепь разомкнётся.
Предохранители с проводником, который плавится, называются плавкими предохранителями.

Рис. 119

На рисунке 120 изображён такой предохранитель со вставкой, которую в случае перегорания можно заменить.

Рис. 120

В различных приборах применяют разные предохранители (рис. 121). На рисунке 122 показан предохранитель-автомат, действующий на основе теплового расширения тел.

Рис. 121

Рис. 122

При замене предохранителя обязательно соблюдайте следующие правила.
Прежде чем заменить перегоревшие при коротком замыкании предохранители, нужно его обнаружить и устранить. Для этого необходимо:

1. выключить в квартире или доме все потребители тока;
2. вставить в гнездо одного предохранителя лампу накаливания, которая соответствует напряжению в сети, а в гнездо другого предохранителя — пробку;
3. если замыкание связано не с потребителями, а с подводными проводами квартиры, то лампочка ярко будет светить;
4. если замыкания в подводных проводах нет (спираль лампы накаляется слабо), то необходимо поочерёдно включать все потребители тока;
5. если замыкания нет ни в одном из потребителей, значит, в вашей квартире сеть перегружена. Выключите лишние потребители тока

При работе с электроприборами необходимо строго и неукоснительно выполнять меры предосторожности. Если этим пренебрегать, то вашей жизни угрожает смертельная опасность в случае электротравмы. Электротравма — это поражение человека электрическим током. Она возникает при контакте тела человека с электрическим кабелем, прибором или оборудованием, которые находятся под напряжением при условии их неисправности либо нарушении правил безопасности во время ремонта и эксплуатации.
При поражении электрическим током имеют значение его сила, напряжение, частота, а также другие факторы: место поражения, время влияния тока на организм, состояние окружающей среды, особенности организма, кожи и одежды пострадавшего.

Человеческое тело — проводник. При контакте частей тела с оголёнными проводами или оборудованием, которые находятся под напряжением, через него проходит ток, действие которого может быть более или менее опасным в зависимости от силы тока. Ток силой 0,6—1,5 мА человек уже ощущает как пощипывание кожи и болевые ощущения.

Ток силой 5—25 мА может провоцировать непроизвольные и неконтролируемые судороги (сокращение мышц), при этом поражённый не может самостоятельно отключиться от источника опасности. Поскольку мышцы-сгибатели сильнее, чем мышцы-разгибатели, то, касаясь неисправного электроприбора или кабеля, мы рискуем ухватиться за опасную поверхность. Понятно, что лучше, если вы прикоснулись к включённому электроприбору тыльной стороной ладони. Поражение током при этом возможно, но если мышцы-сгибатели сократятся, то рука оттолкнётся от источника опасности.
Ток в пределах 50—350 мА вызывает фибрилляцию (беспорядочные сокращения) сердца, то есть нарушение сердечной деятельности, иногда с остановкой сердца.

Степень травматизма зависит от места поражения, какие именно органы поражены током. Есть несколько вариантов прохождения электрического тока через тело человека по линии: нога — нога; рука — рука; рука — нога. Наиболее опасно, если ток поражает сердце.

Степень поражения зависит и от длительности действия тока на организм.
Существенное значение для электротравматизма имеет состояние окружающей среды. Влажность, токопроводящий пол — всё это увеличивает действие тока на организм человека. В особенности опасно пользоваться электроприборами в подсобных помещениях и на открытом воздухе.

Последствия электротравм зависят и от состояния организма пострадавшего. Опьянение, болезненное состояние, юный возраст, психологический стресс уменьшают сопротивление организма и увеличивают степень поражения. Специальная одежда, например резиновые перчатки и сапоги, может защитить от действия тока на организм человека или существенно ослабить его.

Нормативно установлены значения наибольшего допустимого напряжения касания при достаточно продолжительном действии: для постоянного тока — 8 В (ток протекания 1 мА); для переменного тока — 2 В (ток протекания 0,3 мА).

Поскольку значение электрического сопротивления человеческого тела может колебаться от 100 Ом до нескольких десятков килоом, то безопасным считают постоянное напряжение 25 В, а в помещениях с повышенной влажностью — напряжение 15 В.

Учебный физический кабинет в школе относится к помещениям с повышенной опасностью. Во время выполнения лабораторных и других работ учащиеся должны строго соблюдать правила электробезопасности, которые в каждом кабинете физики изложены на специальном плакате.
Все, кто пользуется электрическим оборудованием, обслуживает или ремонтирует его, всегда должны помнить следующее.

1. Очень опасно одновременно прикасаться обеими руками к двум оголённым проводам.
2. Очень опасно прикасаться к оголённому проводу, стоя на земле, на влажном или бетонном полу.
3. Опасно пользоваться неисправными электрическими приборами. Их должны периодически проверять специалисты.
4. Нельзя собирать, разбирать или исправлять что-либо в электроприборе, не отключив его от источника тока.
5. Нельзя разбирать выключатели, розетки и другую арматуру электросети, не выкрутив предохранители.

Если вы увидите предупредительные знаки (рис. на с. ГУ форзаца), то это означает: подобное делать категорически запрещается!

А как оказать первую помощь человеку, поражённому электрическим током?
Запомните: при поражении электричеством дорога каждая минута, нужно немедленно принимать меры по оказанию поражённому первой помощи.

Прежде всего необходимо освободить человека от контакта с проводом под напряжением. Если это случилось в помещении, где имеются выключатель или штепсель, то нужно выключить ток выключателем либо вытянуть штепсельную вилку. Если это произошло в цепи, где нет выключателя, надо выкрутить предохранители или выключить главный выключатель — он находится возле счётчика.
Если выключатели размещены очень далеко, а человек находится под током, то необходимо надеть резиновые перчатки или обувь, снять с поражённого сухой деревянной (или из другого изоляционного материала) палкой провод либо перерезать его ножом, перерубить топором, «перекусить» кусачками. Но следует помнить, что во всех перечисленных инструментах ручки должны быть изготовлены из изоляционного материала.

Освободив потерпевшего от тока, надо положить его на спину, освободить грудь от одежды, вызвать врача или «скорую помощь», а если это невозможно, то сделать искусственное дыхание.

• Заказать решение задач по физике

Пример №14

Почему электролиты имеют ионную проводимость?
Ответ: носителями тока в электролитах являются ионы обоих знаков. Свободных электронов электролиты не имеют.

Пример №15

При прохождении электрического тока в растворе медного купороса на катоде выделилось 52,8 г меди. Какой заряд прошёл через электролит, если электрохимический эквивалент меди равен ?

Дано: m = 52,8 г = 0,0528 кг k = 0,33 ∙	Решение Чтобы определить заряд, прошедший в электролите, используем формулу q = It.
q - ?

В формуле, выражающей закон Фарадея m = kit, заменим произведение It на q и получим выражение для заряда : .
Подставив значения физических величин, получим:

Ответ: через электролит прошёл заряд 160 кКл.

Пример №16

Почему в технике преимущественно используют не чистые полупроводники, ас донорными или акцепторными примесями?
Ответ: при введении в полупроводниковый кристалл примеси можно увеличить электропроводность кристалла кремния в миллиард раз.

Пример №17

Почему электрический ток в газах называют «электрическим разрядом»?
Ответ: при прохождении тока в газе между двумя разноимённо заряженными телами эти тела разряжаются.

Историческая справка:

Гальвани Луиджи (09.09.1737-04.12.1798) — итальянский физик и физиолог. Родился в Болонье. Окончил Болонский университет, с 1775 г. — профессор этого университета.

Луиджи Гальвани

C 1773 г занимается анатомическим исследованием движений мышц лягушек, а в 1780 г. провёл на них первые электрофизиологические опыты. После 11 лет исследований, что привело учёного к открытию (1786) в ткани лягушки кратковременных импульсов электрического тока («животного» электричества), он опубликовал их результаты в «Трактате о силах электричества при мышечном движении» (1791). Л. Гальвани отмечал: если соединить металлическим проводником мышцы и нервы только что препарированной лягушки, то сразу же происходит сокращение её мышц. Сокращения становятся более сильными и продолжительными, если проводник состоит из двух разнородных металлов, например железа и меди или серебра. Л. Гальвани сделал вывод, что сокращения мышц лягушки обусловлены возникновением в них электрического тока. Однако причину этого учёный ошибочно усматривал в наличии в каждом животном собственного «животного» электричества.

Л. Гальвани — один из основателей учения об электричестве, его исследования с электрофизиологик
«животным» электричеством положили начало новому научному направлению — электрофизиологик.

Вольта Алессандро (18.02.1745-05 03.1827) — итальянский физик, изобретатель гальванического элемента. Родился в Комо, близ Милана. Учился в школе ордена иезуитов. C раннего детства интересовался естественными науками, в частности изучением электрических явлений. В 1774-1779 гг преподавал физику в родном городе, с 1779 г. работал профессором Павийского университета, а в 1815-1819 гг. был деканом философского факультета Падуйского университета.

Алессандро Вольта

В 1769 г. А. Вольта опубликовал работу о лейденской банке, а в 1775 г. — об изобретении им смоляного электрофора — прибора, ставшего прообразом электрофорной машины. В 1781 г. сконструировал чувствительный электроскоп с соло минками и ввёл его в практику измерений. А. Вольта повторил и развил опыты Л. Гальвани. В результате многочисленных экспериментов, проведённых в 1792-1794 гг., пришёл к выводу, что явления, которые наблюдал Л. Гальвани, связаны с наличием цепи из двух разнородных металлов и жидкости. Чтобы доказать свою правоту, А. Вольта полностью исключил физиологические объекты, заменив лапку лягушки своим электрометром. Описывая эти опыты, Вольта впервые ввёл понятие замкнутой цепи электрического тока.

А. Вольта были проведены значительные исследования в области химии. В области физиологии он впервые показал, что нервы животных и человека обладают большой электрической возбудимостью.

Условия существования электрического тока

Электрическим током называется направленное движение заряженных частиц, которые являются носителями тока. Вещества, проводящие электрический ток, называют проводниками.

Проводниками являются металлы в твердом и жидком состояниях, жидкие растворы и расплавы электролитов, а также ионизованные газы.

Носителями тока в металлах являются свободные электроны, в электролитах — положительные и отрицательные ионы, в ионизированных газах — ионы и электроны.

Устройство, поддерживающее постоянную разность потенциалов, называют источником тока.

Сочетание источника тока, нагрузки и соединительных проводов называют электрической цепью.

1 А — сила такого неизменяющегося тока, который при прохождении по двум прямым параллельным проводникам бесконечной длины и пренебрежимо малого радиуса, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает между этими проводниками силу взаимодействия, равную Н на каждый метр длины проводников.

До 1800 г. развитие электротехники основывалось на получении статического заряда с помощью трения, что позволяло достигать довольно высоких значений потенциалов на непродолжительное время. Однако после создания в начале XIX в. первых источников тока изучение электрических явлений вступило в новую фазу — начались интенсивные исследования законов постоянного тока.

Начало новой эпохи в изучении электричества связано с именем Алессандро Вольта, который изобрел первую электрическую батарею — вольтов столб (рис. 103).

Вольта назвал свой аппарат «двигателем электрической жидкости» или «электродвижущим аппаратом» и указал на возможность увеличения электрических эффектов при увеличении числа элементов батареи.
20 марта 1800 г. Вольта написал знаменитое письмо с описанием своего столба, состоящего из 20 цинковых, 20 медных и 20 суконных кружочков, смоченных серной кислотой, положенных друг на друга (см. рис. 103).

Жизнь современного общества невозможно представить без электричества, поскольку оно практически повсеместно используется в быту и народном хозяйстве. Сегодня электроэнергия необходима для работы станков и машин, освещения, приготовления пищи, а также для работы многочисленных бытовых приборов и устройств: от холодильника до мобильного телефона.

При работе каждого из этих устройств используются различные свойства электрического тока, проходящего в замкнутой цепи.

В металле при отсутствии электрического поля свободные электроны участвуют в хаотическом тепловом движении, подобно тому как движутся молекулы газов и жидкостей. Скорости электронов при хаотическом движении отличаются как по модулям, так и по направлениям. При тепловом движении заряженных частиц не наблюдается направленного переноса заряда через выделенное поперечное сечение проводника, поскольку при хаотическом движении все направления равновероятны.

Однако если приложить к металлическому проводнику напряжение, то внутри него возникнет электрическое поле, которое будет перемещать свободные электроны вдоль проводника в направлении положительного полюса источника тока. Вследствие этого возникнет направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц от одного полюса источника тока к другому. Заметим, что именно направленное движение заряженных частиц, происходящее на фоне их теплового (хаотического) движения, приводит к переносу электрического заряда через произвольное поперечное сечение проводника.

Направление упорядоченного движения положительно заряженных частиц в замкнутой цепи условились считать направлением электрического тока. Поскольку свободные положительно заряженные частицы под действием поля всегда движутся в сторону убывания потенциала, то электрический ток в замкнутой цепи направлен от положительного полюса ( + ) источника к отрицательному ( —).

Движение заряженных частиц внутри проводника нельзя наблюдать непосредственно, но судить о наличии электрического тока можно по его действиям:

1. тепловому (проводник, по которому проходит ток, нагревается);
2. химическому (химический состав проводника, по которому проходит ток, изменяется);
3. магнитному (электрический ток создает в окружающем пространстве магнитное поле);
4. световому (прохождение тока в газах вызывает их свечение).

Подчеркнем, что магнитное действие тока проявляется у всех проводников без исключения, а тепловое у сверхпроводников отсутствует.

По химическому действию электрического тока на проводники они делятся на два класса. Проводники первого класса — те, проходя через которые ток не вызывает химических действий (металлы, уголь). Ко второму классу относятся проводники, при прохождении тока через которые их химический состав изменяется (электролиты).

По типу носителей тока проводники разделяются на три рода. В проводниках первого рода (металлы и полупроводники) носителями тока являются электроны, а в проводниках второго (электролиты) — положительные и отрицательные ионы. В проводниках третьего рода (ионизованные газы) носителями тока являются электроны и ионы.

Заметим, что наличие носителей тока (свободных электрических зарядов) в проводнике не является достаточным условием для возникновения и существования электрического тока. Все рассмотренные действия электрического тока в замкнутой цепи возможны благодаря работе источника тока, осуществляющего непрерывное разделение зарядов при помощи сторонних сил, имеющих неэлектростатическую (некулоновскую) природу.

Таким образом, для продолжительного существования электрического тока в замкнутой цепи необходимо выполнение следующих условий:

1. наличие свободных заряженных частиц (носителей тока);
2. наличие электрического поля, силы которого, действуя на заряженные частицы, заставляют их двигаться упорядоченно;
3. наличие источника тока, внутри которого сторонние силы перемещают свободные заряды против направления электростатических (кулоновских) сил.

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока.
 

Сила тока I — физическая скалярная величина, равная отношению заряда прошедшего за промежуток времени через поперечное сечение проводника, к этому промежутку:

Как следует из определения, сила тока численно равна заряду, проходящему через выделенное поперечное сечение проводника в единицу времени.
Электрический ток называют постоянным, если его сила и направление не изменяются с течением времени.

При постоянном электрическом токе за любые равные промежутки времени через произвольное поперечное сечение проводника проходят одинаковые заряды. При этом направление упорядоченного движения заряженных частиц остается неизменным.

Единицей силы тока в СИ является ампер (I А). Это основная единица в СИ, определяемая экспериментально посредством измерения силы взаимодействия параллельных проводников с током в вакууме.

При силе тока один ампер через любое поперечное сечение проводника за одну секунду проходит заряд один кулон

Для характеристики распределения электрического тока по поперечному
сечению проводника, расположенному перпендикулярно направлению движения зарядов, вводится понятие плотности тока.

Плотностью тока называется векторная физическая величина, модуль которой равен отношению силы тока I к площади S поперечного сечения проводника:

Направление вектора плотности тока совпадает с направлением вектора скорости упорядоченного движения положительных носителей тока.
Как следует из определения плотности тока, ее модуль численно равен силе тока, проходящего через перпендикулярное поперечное сечение единичной площади.

Выразим силу тока I в проводнике поперечным сечением S через среднюю скорость дрейфа (направленного движения) свободных зарядов под действием внешнего электрического поля напряженностью (рис. 104).

За промежуток времени заряженные частицы пройдут вдоль проводника расстояние Следовательно, через поперечное сечение S проводника за рассматриваемый промежуток времени пройдут заряженные частицы, содержащиеся в цилиндре объемом V = Sl.

Если концентрация (число частиц в единице объема ) свободных заряженных частиц в проводнике n, то заряд прошедший через поперечное сечение проводника за время найдем как

где q — заряд одной частицы.

Подставив найденный заряд в формулу для силы тока, получим

Соответственно, модуль плотности тока определится соотношением

Для вектора плотности тока  получим выражение

Отметим, что с помощью полученной формулы можно оценить скорость дрейфа свободных носителей тока при остальных известных параметрах:

Единицей плотности тока в СИ является ампер на метр квадратный При плотности тока через поперечное сечение проводника площадью проходит ток силой 1 А.

Для тока силой I = 1 А в проводнике сечением S= 1 средняя скорость направленного движения электронов а средняя скорость теплового (хаотического) движения электронов при комнатной температуре

Силу тока измеряют амперметром. Он включается в цепь последовательно с тем элементом цепи, силу тока в котором нужно измерить. Условное обозначение амперметра (А) на электрических схемах показано на рисунке 105.

На практике используются амперметры (А), миллиамперметры (mA), микроамперметры имеющие различную чувствительность и разные диапазоны.

Поскольку включение амперметра в электрическую цепь не должно сильно изменять силу тока в ней, то сопротивление амперметра должно быть как можно меньше. Обычно сопротивление амперметра составляет величину порядка 0,1 Ом, что, как правило, мало по сравнению с суммарным сопротивлением элементов, включенных в цепь.
 

Электрический ток опасен для жизни! Ток силой около 1 мА, проходящий через тело человека, вызывает неприятные ощущения, а при силе тока выше 5 мА возникают болевые ощущения. Ток силой свыше 10 мА вызывает резкое сокращение мышц, при этом может произойти остановка дыхания. При прохождении тока силой свыше 70 мА начинается беспорядочное сокращение мышц сердца (фибрилляция), которая может привести к смерти.

Как следует из закона Ома, при фиксированном напряжении сила тока зависит от электрического сопротивления тела человека. Если кожа человека сухая, то это сопротивление находится в пределах от Ом до Ом. При влажной коже сопротивление тела человека может значительно уменьшиться (до значений порядка Ом).

Следовательно, при контакте с проводом, находящимся под напряжением 120 В, через тело человека пройдет ток силой 120 мА, что чрезвычайно опасно для жизни.

В то же время токи небольшой силы широко применяются при медицинских процедурах, таких, как высокочастотное прогревание, электростатический душ, электроанестезия, электросон, помогая человеку в борьбе с болезнью.

Условия возникновения электрического тока

Изучая физику в предыдущих классах, вы узнали, что такое электрический ток, каковы его основные свойства и закономерности, где и как он применяется. Напомним, что под электрическим током понимают направленное движение заряженных частиц или тел. Ток сопровождается определенными физическими действиями: магнитными, тепловыми, химическими и т. д. По этим действиям можно легко определить наличие электрического тока в той или иной среде.

Для создания электрического тока необходимы определенные условия:

1. наличие свободных носителей электрических зарядов;
2. аличие в среде причин, которые могут двигать заряженные частицы в определенном направлении, например -электрическое или магнитное поле, ускоренное движение проводника.

Условия возникновения электрического тока:

• -    наличие свободных носителей электрических зарядов;
• -    существование в среде причин направленного движения частиц.

Рассмотрим закономерности прохождения тока в проводнике, который является частью электрической цепи.

Для перемещения частиц должна быть определенная разность потенциалов, т. е. на концах проводника должны быть различные потенциалы. Тогда носители заряда будут двигаться от конца с большим потенциалом к концу с меньшим потенциалом.

Чтобы это происходило постоянно, между концами проводника должна существовать постоянная разность потенциалов. Выполнение этого условия обеспечивают источники тока, работающие за счет преобразования различных видов энергии в электрическую. Так, в гальванических элементах и аккумуляторах происходит преобразование энергии химических взаимодействий, в термогенераторах - тепловой энергии, в электромеханических генераторах - механической. Кроме источника тока, электрические цепи содержат и другие элементы, соединенные проводниками: различные потребители электрической энергии, измерительные и регулирующие приборы, выключатели.

Электрические цепи содержат источники тока, потребители измерительные и регулирующие приборы, выключатели.

Электрический ток характеризуют физической величиной, называемой силой тока. Она характеризует скорость движения заряженных частиц в проводнике и численно равна отношению перенесенного частицами заряда ΔQ к интервалу времени ∆t, на протяжении которого произошел этот перенос:

Ток называется постоянным, если за любые равные интервалы времени через поперечное сечение проводника произошло перенесение одинаковых зарядов.

Международной системе единиц (СИ) единицей силы тока является ампер: 

Для измерения силы тока применяются также кратные и долевые единицы:
1 микроампер = 1 мкА = 10^-6, А;
1 миллиампер - 1 мА = 10^-3 А;
1 килоампер = 1 кА = 10³ А.

Ом Георг Симон (1787-1854) - немецкий физик, учитель математики и физики, член-корреспондент Берлинской АН. Исследовал электрический ток и явления, ему сопутствующие. Установил зависимость между силой тока и напряжением на участке цепи, названную в его честь законом Ома.

В 1826-1827 гг. немецкий физик Георг Ом открыл закон связи между силой тока, напряжением и сопротивлением участка цепи:
сила тока а однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника

где I - сила тока; U - напряжение на участке цепи; R - сопротивление проводника.

Сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника:

Вспомним, что напряжение U - это энергетическая характеристика электрического поля, которая равна работе А поля по перемещению единичного электрического заряда Q по данному участку цепи:

В СИ она измеряется в вольтах (В).
На практике используются кратные и долевые единицы напряжения:

• 1 милливольт = 1 мВ = 10^-3 В;
• 1 микровольт - 1 мкВ = 10^-6 В;
• 1 киловольт = 1 кВ = 10³ В;
• 1 мегавольт = 1 MB = 10⁶ В.

Сопротивление как физическая величина является характеристикой электрических свойств проводника и зависит от геометрических и физических его параметров. Природа электрического сопротивления объясняется взаимодействием движущихся носителей заряда с другими структурными элементами проводника, в частности с ионами кристаллической решетки.
Формула закона Ома позволяет рассчитать сопротивление проводника:

Если при напряжении 1 B в проводнике проходит ток 1 А, то сопротивление этого проводника составляет 1 Ом.

Кратные и долевые единицы электрического сопротивления:
1 миллиом = 1 мОм = 10^-3 Ом;
1 килоом = 1 кОм = 10³ Ом;
1 мегаом - 1 МОм - 10⁶ Ом.

Сопротивление проводника также можно рассчитать, зная его вещество и геометрические размеры:

где р удельное сопротивление вещества проводника; I - длина проводника; S — площадь поперечного сечения проводника.
 

Работа и мощность тока

Энергия электрического тока в цепи может превращаться в другие виды энергии: тепловую, химическую, механическую, световую и т. п. Любое это превращение происходит при выполнении работы.

Работа, выполняемая полем при перенесении частиц с общим зарядом ∆Q по участку цепи, определяется по формуле:

Поскольку ΔQ = IΔt, то для определения работы можно применить формулу:

Работа электрического тока, как и любая другая работа, измеряется в джоулях (Дж). Таким образом

1 Дж = 1 В • 1 А • 1 с = 1 В • А • с.

Для характеристики способности выполнять работу применяют понятие «мощность». Мощность равна работе, выполняемой за единицу времени:

В СИ единицей мощности является ватт (Вт).

Для электрического тока 1 Bт=1 B ∙ 1 A = 1 B ∙ A.

Для измерения мощности электрического тока применяют также кратные и долевые единицы:

• 1 микроватт = 1 мкВт = 10^-6 Вт;
• 1 милливатт = 1 мВт = 10^-3 Вт;
• 1 гектоватт = 1 гВт = 10² Вт;
• 1 киловатт = 1 кВт = 10³ Вт;
• 1 мегаватт = 1 МВт = 10⁶ Вт.

Одним из наиболее применяемых на практике действий тока является его тепловое действие. На нем основаны различные тепловые электрические приборы — электрические утюги, водонагреватели, электрочайники, обогреватели и т. п. Количество теплоты, выделяемое проводником при прохождении электрического тока за определенное время, определяется законом Джоуля-Ленца:

где I - сила тока; R - сопротивление проводника; Δt - интервал времени.

Электродвижущая сила источника тока

Ранее мы установили, что для возникновения электрического тока в цепи необходимо создать па концах проводника разность потенциалов и поддерживать ее длительное время.

Это условие может быть выполнено, если в электрической цепи будет источник тока, который за счет своих внутренних взаимодействий будет выполнять работу по разделению электрических зарядов. Эти взаимодействия получили название сторонних сил, поскольку имеют неэлектростатическое происхождение.

Сторонние силы выполняют работу по разделению электрических зарядов в электрической цепи. Они имеют неэлектростатическое происхождение.

Так, в гальванических элементах эта энергия возникает вследствие химических реакций между разнородными веществами. В солнечных батареях заряды разделяются вследствие взаимодействия фотонов с атомами вещества. В электрофорной машине разделение зарядов происходит при выполнении механической работы при вращении дисков.

Поэтому для характеристики способности источника тока создавать разность потенциалов используют понятие электродвижущей силы - ЭДС.

Электродвижущей силой источника называют физическую величину, которая характеризует способность сторонних сил создавать и поддерживать разность потенциалов в цепи. Она равна отношению работы сторонних сил A_стор к значению разделенных зарядов ∆Q.

Электродвижущая сила является характеристикой источника тока и не зависит от того, какую внешнюю нагрузку присоединяют к его полюсам.

Как и напряжение, она измеряется в вольтах (В).
Рассмотрим более детально роль источника токи в электрической цепи (рис. 1.50).

Рис. 1.50. Сомкнутая электрическая цепь

Во внешней цепи положительные носители заряда будут двигаться от полюса А к полюсу В. Сторонние силы для поддержания постоянной разности потенциалов внутри источника будут разделять электрические заряды за счет работы сил неэлектростатический природы. Таким образом, в источнике тока будет проходить ток, сила которого будет такой же, как и но внешней цепи. Поэтому источник тока будет иметь определенное сопротивление, определяющее силу тока в цепи. Это сопротивление называют внутренним сопротивлением, источника тока.

Учитывая наличие источника тока, в цепи можно выделить внутреннюю и внешнюю часть. Общее сопротивление цепи будет равно сумме сопротивлений внешней и внутренней частей.

Правила безопасного пользования электрическими приборами

Жизнь современного человека сильно связана с использованием электрических приборов и установок. Тело человека является хорошим проводником электрического тока, который может вызвать в человеческом теле опасные и необратимые изменения. Человек, подвергшийся действию электрического тока, получает не только значительные ожоги, но и нарушения в работе нервной системы. Даже при сравнительно небольшом напряжении человек может получить серьезные поражения организма, если он находится, например, во влажном помещении, на влажной земле, касается проводов обеими руками и т. п.

Чтобы предотвратить поражение электрическим током, необходимо придерживаться определенных правил.

1. Не пользоваться неисправными электроприборами и оборудованием.
2. Не пользоваться электрическими приборами (утюги, фены, плойки, обогреватели) в ванных комнатах и влажных помещениях.
3. Не играть под линиями электропередач.
4. Экспериментируя с электрическими установками, необходимо использовать источники тока с ЭДС не выше 36 В.
5. Выполняя лабораторные работы, включать электрические установки только после проверки и разрешения на то учителя.
6. Не касаться частей электроустановок с поврежденной изоляцией.
7. Если товарищ поражен электрическим током, то в первую очередь необходимо, придерживаясь правил безопасности, отсоединить его от источника тока, вызвать врача и по возможности оказать пострадавшему первую медицинскую помощь.

Электрический ток в различных средах

Согласно определению электрический ток - это направленное движение заряженных частиц. Таким образом, создать электрический ток можно только в той среде, где есть свободные заряженные частицы - носители электрического заряда.

Создать поток таких частиц, которые будут двигаться в одном направлении, можно по-разному. Это может быть действие электрического поля, изменение магнитного поля, проявление инерции. В средах, где заряженные частицы связаны с молекулами или атомами и нс могут свободно двигаться, электрический ток практически невозможен. Среды, в которых есть свободные заряженные частицы, в свое время назвали проводниками - веществами, проводящими электрический ток.

Электрический ток в металлах

Решающим в исследованиях природы электрического тока в металлах был опыт, осуществленный в 1916 г. американскими физиками Р. Толмеиом и Т. Стюартом. В опыте использовалась катушка с большим количеством витков медного провода, которая могла вращаться вокруг своей продольной оси. Выводы обмотки катушки через подвижные
контакты соединялись с чувствительным гальванометром (рис. 1.57).

Рис. 157. Схема опыта Толмена и Стюарта

При быстром вращении катушки стрелка гальванометра была неподвижной. Но при резкой остановке катушки стрелка отклонялась от нулевого деления, фиксируя кратковременный ток в цепи. Тщательные рассчеты показали, что частицами, образующими ток, были электроны. Получив большую скорость при вращении катушки, электроны некоторое время после остановки катушки продолжали двигаться но инерции, образуя ток. Поскольку полученный в опыте ток ничем не отличался от электрического тока в обычной цепи, то был сделан вывод об электронной при роде .электрического тока в металлах.

В кристаллической структуре металла электроны находятся в свободном состоянии, совершая только хаотическое тепловое движение. Если появляется электрическое поле, то электроны начинают смещаться в направлении силовых линий поля, создавая электрический ток (рис. 1.58).

Pиc. 158. Движение электронов в металле

При движении между узлами кристаллической решетки металла электроны взаимодействуют с ионами и отдают им часть энергии, полученной под действием электрического поля. Полученная ионами энергия увеличивает амплитуду их колебаний, что проявляется как тепловое действие электрического тока. Отдавая часть энергии ионам, иле «троны уменьшают скорость своего упорядоченного движения, что служит ни видом утверждать, что существует сопротивление проводника. Если проводник нагревать от внешнего источника тепла, то увеличивается амплитуда тепловых колебании ионов и степень их взаимодействия с электронами. Поэтому сопротивление металлического проводника при повышении температуры увеличивается. Типичным свойством металлических проводников является то, что в большом интервале температур изменение их сопротивления происходит пропорционально изменению температуры.

Исследованиями голландского физика Камерлинга-Онесса установлено, что сопротивление металлического проводника почти исчезает при температуре, близкой к абсолютному нулю. Исследуя зависимость электрических свойств ртути от температуры, он заметил, что при температуре 4,12 К не сопротивление практически равно нулю. Состояние проводника, в котором он не имеет сопротивления, назвали сверхпроводимостью. Возбужденный в таком проводнике электрический ток может существовать довольно длительное время.

В состоянии сверхпроводимости проводники практически полностью теряют электрическое сопротивление.

Сверхпроводимость интересует ученых и инженеров, которые видят в ней средство для создания новых экономичных технологий. В первую очередь это касается передачи без потерь электроэнергии на большие расстояния, создания сверхмощных электромагнитов для научных исследований, разработки принципиально новых сверхмощных компьютерных систем и т. п.

Электрический ток в вакууме

В вакууме, в котором практически отсутствуют свободные носители электрического заряда, создать электрический ток можно при условии искусственного введения их в ограниченное пространство, в котором существует электрическое поле. Свободные заряженные частицы в вакууме можно получить при нагревании металлических электродов (термоэлектронная эмиссия) или при облучении их электромагнитным излучением (фотоэлектронная эмиссия).

Свободные электроны, появляющиеся при эмиссии, накапливаются возле электрода, из которого они эмитировали, и образуют электронное облачко. Если температура электрода поддерживается постоянной или поток электромагнитного излучения не изменяется, то электроны находятся в динамическом равновесии, при котором количество электронов, вылетающих из электрода, равно количеству электродов, возвращающихся в него.

Если создать электрическое поле, присоединив, например, к электроду, из которого вылетают электроны, отрицательный полюс источника тока, а к другому электроду - положительный полюс, то электроны начнут двигаться упорядоченно.

Ток в вакууме создают свободные электроны эмиссии.

Этим потоком можно управлять с помощью электрического или магнитного полей, что ученые и использовали для создания вакуумных электронных приборов.

Например, при помощи электрического поля поток электронов в вакууме можно сформировать в узкий пучок, управляя которым можно создавать различные изображения на экране электронно-лучевой трубки или дисплея, которые применяются в электронных осциллографах или в некоторых моделях телевизоров (рис. 1.59).

Рис. 159. Электроннолучевая трубка

Электрический ток в жидкостях

Если в стакан с дистиллированной водой опустить два электрода, входящих в электрическую цепь, то тока в цепи не будет. Аналогичный результат получим, если электроды опустим в керосин, спирт или другую чистую жидкость. Это свидетельствует о том, что в таких жидкостях отсутствуют свободные носители электрического заряда и они тока не проводят.

Кел и повторить опыт с водой, влив в нее небольшое количество серной кислоты, то полученный раствор будет иметь свойства проводника (рис. 1.60).

Рис. 1.60. Исследование электрического тока в растворе электролита в воде

В растворах и расплавах электролитов ток образуют положительные и отрицательные ионы.

Какова же природа свободных носителей заряда в растворе кислоты? На уроках химии вы узнали, что при растворении в воде кислот, щелочей или солей (электролитов) происходит электролитическая диссоциация. Сложные молекулы электролита распадаются на положительные и отрицательные ионы, которые при наличии электрического поля будут двигаться вдоль линий напряженности этого поля (рис. 1.61).

Pиc. 1.61. Схема движения ионов в растворе электролита под действием электрического поля

Положительные ионы (катионы) будут двигаться к отрицательному электроду, а отрицательные (анионы) - к положительному. Т. е. в растворе электролита будет возникать электрический ток. На электродах ионы нейтрализуются и оседают в виде нейтральных атомов или молекул.

Ток в растворах и расплавах электролитов сопровождается выделением вещества на электродах.

Таким образом, при прохождении тока в растворах электролитов происходит выделение вещества на электродах. Это явление используется для рафинирования металлов, добывания алюминия, покрытия поверхности деталей машин .защитными материалами, изготовления копий деталей сложной формы и т. п.

Электрический ток в газах

В обычном состоянии нее газы являются диэлектриками (непроводниками электричества). Известно, что при размыкании электродов выключателя ток в цепи прекращается, хотя между контактами будет существовать разность потенциалов. Это объясняется тем, что все газы в нормальном состоянии имеют нейтральные молекулы, которые не могут образовать направленного потока под действием электрического ноля. Но несмотря на это при определенных условиях и в газах может возникнуть электрический ток.

Например, если взять дне металлические пластины, между которыми находится воздух, и присоединить их через гальванометр к источнику тока (рис. 1.62), то при обычных условиях тока в цепи не будет, поскольку воздух не проводит электричество.

Рис. 1.62. Установка для исследования электропроводности воздуха

Если же в промежуток между пластинами внести пламя спиртовки, то стрелка гальванометра покажет наличие тока в цепи (рис. 1.62). Об этом явлении в физике принято говорить как о несамостоятельном разряде в газе. Несамостоятельный разряд будем наблюдать и тогда, когда спиртовку заменим специальной лампой - источником ультрафиолетового излучения. Образование электрического тока в газах объясняется тем, что под действием пламени или электромагнитного излучения про-исходит ионизация, вследствие чего появляются свободные электроны. Соединяясь с нейтральными молекулами, они могут образовывать отрицательные ионы. Таким образом, в пространстве между пластинами в нашем опыте кроме электронов находятся также нейтральные молекулы, положительные и отрицательные ионы.

Электрический ток в газах - это поток отрицательных и положительных ионов и свободных электронов.

Под действием электрического поля заряженные частицы начинают упорядоченно двигаться, образуя электрический ток. Он прекратится, если убрать ионизатор.

Если напряжение между электродами постепенно увеличивать, то в определенный момент энергия носителей зарядов становится достаточной, чтобы, сталкиваясь с нейтральными молекулами, образовывать новые ионы и свободные электроны. Процесс приобретает лавинообразный характер, когда количество свободных носителей заряда резко увеличивается. В этот момент в цепи резко увеличивается сила тока, а также температура газа, и он начинает излучать свет.

Электрический разряд в газе возможен и без наличия ионизатора. Ведь в воздухе всегда находятся заряженные частицы, образующиеся под действием космического и радиоактивного излучения, ультрафиолетового излучения Солнца и т. п. При значительной разности потенциалов (большая напряженность электрического поля) они приобретают большую скорость и энергию, достаточную для ионизации нейтральных молекул. В таких условиях возникает самостоятельный разряд.

В природе самостоятельными разрядами являются молния (рис. 1.63), коронный и тлеющий разряды.

Pиc. 1.63. Молния

Среди различных видов электрического разряда особое место занимает электрическая дуга, которую применяют для сварки металлических изделий (рис. 1.64).

Pиc. 1.64. Сварка металла при помощи электрической дуги

Если два проводника, соединенных с источником тока, свести вместе, то в месте их касания начнет выделяться значительное количество теплоты при резком увеличении температуры. Oro приведет к появлению в газе значительного количества свободных электронов, которые будут поддерживать ток в цепи. При силе тока в несколько сотен и даже тысяч ампер температура в дуге может достигать 3500...7000 К. В таком состоянии газ ярко светится, а электроды - плавятся.

Электрическая дуга широко применяется во многих областях техники и производства для сварки (соединения) металлических деталей, для плавки чистых металлов. Всему миру известны достижения ученых Института электросварки им. Е.О. Патона HAH Украины. Благодаря их исследованиям процесс электросварки применяется в различных производствах, включительно с космической отраслью.

Евгений Оскарович Патон (1870-1953) - украинский инженер, основатель Института электросварки HAH Украины, провел исследования в области расчета и прочности сварных конструкций, механизации сварочных процессов, научных основ электрической сварки.