Электрический ток в металлах. Действия электрического тока. Направление тока

1. Структура металлов

Мы изу­чи­ли прак­ти­че­ски все по­ня­тия, свя­зан­ные с воз­ник­но­ве­ни­ем элек­три­че­ско­го тока: элек­три­че­ские за­ря­ды, элек­три­че­ское поле, ис­точ­ни­ки тока, про­стей­шие элек­три­че­ские цепи и элек­три­че­ские схемы. Те­перь нам пред­сто­ит вы­яс­нить, как течёт элек­три­че­ский ток в ме­тал­лах, какие дей­ствия ока­зы­ва­ет элек­три­че­ский ток, а также на­прав­ле­ние тока.

Ме­тал­лы, как мы вы­яс­ни­ли из экс­пе­ри­мен­тов на преды­ду­щих уро­ках, хо­ро­шо про­во­дят элек­три­че­ский ток. Для того чтобы по­яс­нить этот факт, за­да­дим­ся во­про­сом: а что же такое ме­тал­лы?

Ме­тал­лы, как пра­ви­ло, – это по­ли­кри­стал­ли­че­ские ве­ще­ства (со­сто­я­щие из мно­же­ства кри­стал­лов) (Рис. 1, 2).

Рис. 1. Ме­тал­лы

Рис. 2. Струк­ту­ра же­ле­за

2. Движение электронов в металлах до появления электрического поля

То есть, в ме­тал­лах мы имеем дело с упо­ря­до­чен­ной струк­ту­рой ато­мов: каж­дый атом на­хо­дит­ся на своём кон­крет­ном месте.

Как мы уже знаем, во­круг ядра ато­мов дви­жут­ся элек­тро­ны.

Что же даёт воз­мож­ность по­яв­ле­ния сво­бод­ных элек­три­че­ских за­ря­дов?

Дело в том, что даль­ние элек­тро­ны (те, ко­то­рые на­хо­дят­ся на самых уда­лён­ных от ядра ор­би­тах) до­воль­но слабо свя­за­ны с ядром. По­это­му они могут до­воль­но легко пе­ре­хо­дить от од­но­го атома к дру­го­му. Такое бес­по­ря­доч­ное дви­же­ние элек­тро­нов чем-то на­по­ми­на­ет элек­трон­ный газ. Если внут­ри ме­тал­ла нет элек­три­че­ско­го поля, то дви­же­ние этих сво­бод­ных элек­тро­нов чем-то на­по­ми­на­ет дви­же­ние под­ня­то­го в воз­дух роя мош­ка­ры в лет­ний день (Рис. 3).

Рис. 3. Дви­же­ние элек­тро­нов внут­ри ме­тал­ли­че­ско­го про­вод­ни­ка

3. Движение электронов в металлах после появления электрического поля

Всё из­ме­ня­ет­ся, когда внут­ри ме­тал­ла по­яв­ля­ет­ся элек­три­че­ское поле. Элек­три­че­ское поле за­став­ля­ет дви­гать­ся за­ря­жен­ные ча­сти­цы. Ядра ато­мов оста­ют­ся на месте, а вот элек­тро­ны на­чи­на­ют упо­ря­до­чен­но дви­гать­ся.

4. Электрический ток в металлах

Элек­тро­ны, пе­ре­ска­ки­вая от од­но­го атома к дру­го­му, дви­жут­ся в том на­прав­ле­нии, куда им ука­зы­ва­ет элек­три­че­ское поле. Это дви­же­ние и на­зы­ва­ет­ся элек­три­че­ским током в ме­тал­лах.

Мы знаем, что элек­три­че­ский ток – это на­прав­лен­ное, упо­ря­до­чен­ное дви­же­ние за­ря­жен­ных ча­стиц. В ме­тал­лах в роли дви­жу­щих­ся за­ря­жен­ных ча­стиц вы­сту­па­ют элек­тро­ны. В дру­гих ве­ще­ствах это могут быть ионы или ионы и элек­тро­ны.

Дви­же­ние за­ря­жен­ных ча­стиц (в ме­тал­лах – элек­тро­нов) про­ис­хо­дит очень мед­лен­но (доли мил­ли­мет­ров в се­кун­ду). Воз­ни­ка­ет во­прос: по­че­му же, когда мы на­жи­ма­ем на вы­клю­ча­тель, лам­поч­ка за­го­ра­ет­ся прак­ти­че­ски мгно­вен­но?

Дело в том, что внут­ри про­вод­ни­ков с огром­ной ско­ро­стью (со ско­ро­стью света – при­бли­зи­тель­но 300 000 ки­ло­мет­ров в се­кун­ду) рас­про­стра­ня­ет­ся элек­три­че­ское поле.

При за­мы­ка­нии цепи поле рас­про­стра­ня­ет­ся прак­ти­че­ски мгно­вен­но. А уже вслед за полем на­чи­на­ют мед­лен­но дви­гать­ся элек­тро­ны, при­чём сразу по всей цепи. Эту си­ту­а­цию можно срав­нить с дви­же­ни­ем воды в во­до­про­во­де. Воду за­став­ля­ет дви­гать­ся дав­ле­ние в тру­бах, ко­то­рое при от­кры­тии крана рас­про­стра­ня­ет­ся прак­ти­че­ски мгно­вен­но, за­став­ляя «бли­жай­шую» к крану воду вы­ли­вать­ся. При этом по тру­бам дви­жет­ся вся вода под этим самым дав­ле­ни­ем. По­лу­ча­ет­ся, что дав­ле­ние – это ана­лог элек­три­че­ско­го поля, а вода – ана­лог элек­тро­нов. Как толь­ко пре­кра­ща­ет­ся дей­ствие элек­три­че­ско­го поля, сразу пре­кра­ща­ет­ся упо­ря­до­чен­ное дви­же­ние элек­три­че­ских за­ря­дов.

5. Опыт Рикке

Воз­ни­ка­ет ло­гич­ный во­прос: а не из­ме­ня­ет­ся ли про­вод­ник из-за того, что из него «ушли» элек­тро­ны? Опыт по под­твер­жде­нию того, что все элек­тро­ны оди­на­ко­вые, был про­ве­дён немец­ким учё­ным Рикке (Рис. 4) тогда, когда на трам­вай­ных ли­ни­ях ис­поль­зо­ва­ли три раз­ных про­вод­ни­ка: алю­ми­ни­е­вый и два мед­ных.

Рис. 4. Карл Вик­тор Рикке

Рикке в те­че­ние года на­блю­дал за по­сле­до­ва­тель­ным со­еди­не­ни­ем трёх про­вод­ни­ков: медь + алю­ми­ний + медь. По­сколь­ку ток в трам­вай­ных ли­ни­ях течёт до­воль­но боль­шой, то экс­пе­ри­мент поз­во­лял дать од­но­знач­ный ответ: оди­на­ко­вы ли элек­тро­ны, ко­то­рые яв­ля­ют­ся но­си­те­ля­ми от­ри­ца­тель­но­го за­ря­да в раз­ных про­вод­ни­ках.

За год масса про­вод­ни­ков не из­ме­ни­лась, диф­фу­зии не про­изо­шло, то есть струк­ту­ра про­вод­ни­ков оста­лась неиз­мен­ной. Из этого сле­до­вал вывод, что элек­тро­ны могут пе­ре­хо­дить из од­но­го про­вод­ни­ка в дру­гой, но струк­ту­ра их при этом не из­ме­нит­ся.

6. Действия тока

По­го­во­рим те­перь о том, какое дей­ствие ока­зы­ва­ет элек­три­че­ский ток. За счёт чего он по­лу­чил такое ши­ро­кое при­ме­не­ние в быту и тех­ни­ке?

Можно вы­де­лить три ос­нов­ных дей­ствия элек­три­че­ско­го тока:

1. Теп­ло­вое. При про­хож­де­нии тока про­вод­ник на­гре­ва­ет­ся. Это одно из самых глав­ных дей­ствий тока, ко­то­рое ис­поль­зу­ет­ся че­ло­ве­ком. Самый про­стой при­мер – неко­то­рые бы­то­вые обо­гре­ва­те­ли (Рис. 5).

Рис. 5. Элек­тро­обо­гре­ва­тель

2. Хи­ми­че­ское. Про­вод­ник может из­ме­нять хи­ми­че­ский со­став при про­хож­де­нии по нему тока. В част­но­сти, при по­мо­щи элек­три­че­ско­го тока до­бы­ва­ют неко­то­рые ме­тал­лы в чи­стом виде, вы­де­ляя их из раз­лич­ных со­еди­не­ний. К при­ме­ру, таким об­ра­зом по­лу­ча­ют алю­ми­ний (Рис. 6).

Рис. 6. Элек­тро­лиз­ный цех алю­ми­ни­е­во­го за­во­да

3. Маг­нит­ное. Если по про­вод­ни­ку течёт ток, то маг­нит­ная стрел­ка вб­ли­зи та­ко­го про­вод­ни­ка из­ме­нит своё по­ло­же­ние.

7. Направление тока

Те­перь по­го­во­рим о на­прав­ле­нии элек­три­че­ско­го тока.

За на­прав­ле­ние элек­три­че­ско­го тока при­ни­ма­ет­ся на­прав­ле­ние дви­же­ния по­ло­жи­тель­ных элек­три­че­ских за­ря­дов.

Но толь­ко что мы го­во­ри­ли о том, что ток в ме­тал­лах со­зда­ют дви­жу­щи­е­ся элек­тро­ны, ко­то­рые имеют от­ри­ца­тель­ный заряд. По­че­му же воз­ни­ка­ет такое про­ти­во­ре­чие?

Когда воз­ник во­прос о на­прав­ле­нии элек­три­че­ско­го тока, ещё никто не знал о су­ще­ство­ва­нии элек­тро­нов. Было ре­ше­но счи­тать, что ток дви­жет­ся в на­прав­ле­нии дви­же­ния по­ло­жи­тель­ных за­ря­дов. Про­шло время, учё­ные вы­яс­ни­ли, что в ме­тал­лах, в част­но­сти, дви­жут­ся элек­тро­ны, но было ре­ше­но оста­вить всё в преж­нем виде. Это свя­за­но с тем, что знак за­ря­да нас прак­ти­че­ски не ин­те­ре­су­ет, го­раз­до боль­ше нас ин­те­ре­су­ет само дей­ствие тока.

Дви­же­ние элек­тро­нов в про­вод­ни­ке про­ти­во­по­лож­но на­прав­ле­нию элек­три­че­ско­го поля (Рис. 7).

Рис. 7. Дви­же­ние элек­тро­нов в про­вод­ни­ке

Мы вы­яс­ни­ли, как течёт ток в ме­тал­лах, узна­ли о дей­стви­ях элек­три­че­ско­го тока, а также опре­де­ли­ли на­прав­ле­ние тока.

Далее мы нач­нём зна­ко­мить­ся с чис­ло­вы­ми ха­рак­те­ри­сти­ка­ми тока. 

Вопросы к конспектам