Электрический ток. Источники электрического тока (Гребенюк Ю.В.)
Введение
На предыдущих уроках мы поговорили об электрических зарядах, электрическом поле и взаимодействии заряженных частиц. Однако прежде мы не говорили о движении заряженных частиц. Наш сегодняшний урок восполнит этот пробел. Наверное, многие из вас на вопрос «Что бы вы взяли с собой на необитаемый остров?» сразу ответили бы: «Мобильный телефон, планшет, ноутбук…», однако, подумав, спохватились бы: «Ой, там же нет электричества!..» Трудно себе представить, что всего сто с небольшим лет назад большая часть нашей страны представляла собой такой вот остров, ведь электричеством могли пользоваться лишь немногие. Сегодня каждый из вас назовёт не менее десятка электрических приборов, без которых трудно представить свою жизнь: телевизор, компьютер, стиральная машина, микроволновка, электрический чайник, холодильник… Эти устройства называются электрическими, так как для их работы необходим электрический ток.
С этим понятием мы сталкиваемся практически каждый день. Наверное, каждый из вас слышал фразы «удар током», «линия под током» и т.п. Это слово настолько прочно вошло в нашу жизнь, что мы используем его, практически не задумываясь. Действительно, мы точно знаем, что если вставить вилку в розетку, то прибор начнёт работать. Но что происходит внутри розетки? Почему штепсель имеет именно такой вид? Чем опасно засовывание пальцев в розетку? Сейчас мы уже обладаем достаточными знаниями для того, чтобы разобраться в этих вещах.
Электрический ток
Проведём простой опыт. Поставим на столе два электрометра (А и Б) и зарядим один из них, например, электрометр А (см. рис. 1). Стрелка электрометра А отклонится. Соединим кондукторы электрометров металлическим стержнем, закрепленным на пластмассовой ручке. По отклонению стрелок видно, что заряд электрометра Ауменьшился, а незаряженный электрометр Бполучил заряд (см. рис. 2). Это значит, что в результате перемещения частиц, имеющих электрический заряд, часть электрического заряда перешла по стержню от одного прибора к другому. В этом случае говорят, что по стержню прошел электрический ток.
Рис.1. Зарядим электрометр А
Рис. 2. Соединение кондукторов металлическим стержнем
Электрический ток – это направленное упорядоченное движение заряженных частиц. Исходя из определения электрического тока, можно сформулировать одно из двух необходимых условий его возникновения и существования в любой среде. Очевидно, что всреде должны иметься свободные заряженные частицы, то есть такие частицы, которые могут перемещаться по всей среде (их еще называют носителями тока). Однако этого условия недостаточно, чтобы в среде возник и в течение длительного промежутка времени существовал электрический ток. Для создания и поддержания направленного движения свободных заряженных частиц также необходимо наличие электрического поля.Под действием этого поля движение свободных заряженных частиц приобретает упорядоченный (направленный) характер, что и означает появление в данной среде электрического тока.
Проводники
Зная условия возникновения и существования электрического тока, нетрудно догадаться, что способность проводить электрический ток (или, как говорят физики, электрическая проводимость) у различных веществ неодинакова. В зависимости от этой способности все вещества и материалы принято делить на проводники, диэлектрики и полупроводники.
Проводники – это вещества и материалы, которые хорошо проводят электрический ток. Проводниками являются металлы, водные растворы солей (например, поваренной соли), кислот и щелочей. Хорошая электрическая проводимость проводников объясняется наличием в них большого количества свободных заряженных частиц. Так, в металлическом проводнике часть электронов, покинув атомы, свободно перемещается по всему его объему (см. рис .3), и количество таких электронов достигает 
в см3. Влажная земля, тела людей и животных хорошо проводят электрический ток, так как содержат вещества, являющиеся проводниками.
Рис. 3. Покинувшие атом электроны
Диэлектрики
Диэлектрики – это вещества, которые плохо проводят электрический ток. Диэлектриками являются некоторые твердые вещества (эбонит, фарфор, резина, стекло и др.), некоторые жидкости (дистиллированная вода, керосин и др.) и некоторые газы (водород, азот и др.). В диэлектриках почти отсутствуют свободные заряженные частицы, поэтому диэлектрики практически не проводят электрический ток. Проводники и диэлектрики широко используют в промышленности, быту, технике. Так, провода, по которым подводят электрический ток от электростанций к потребителям, изготавливают из металлов – хороших проводников. При этом на опорах провода располагают на изоляторах – это предупреждает стекание электрического заряда в землю. Для этого же слоями диэлектрика покрывают провода, прокладываемые в земле.
Полупроводники
Существует также множество веществ, которые называют полупроводниками. В обычных условиях они плохо проводят электрический ток, и их можно отнести к диэлектрикам. Однако, если, например, повысить температуру или увеличить освещенность полупроводников, в них появляется достаточное количество свободных заряженных частиц – и полупроводники становятся проводниками. К полупроводникам относятся такие вещества, как германий, кремний, мышьяк и др.; их широко используют для изготовления радиоэлектронной аппаратуры, солнечных батарей и т.д.
Многим знакома ситуация: необходимо срочно позвонить, вы берете мобильный телефон и с огорчением обнаруживаете, что батарея аккумуляторов разрядилась, а телефон из чуда технической мысли превратился в кусок пластика. То же самое может произойти и с аккумуляторами фотоаппарата, плейера, фонарика, часов. Как же работает этот загадочный аккумулятор? Чем-то он напоминает наш организм, не правда ли? Ведь мы способны выполнять большой объём работы после еды, однако со временем начинаем ощущать усталость, слабость, наша энергия начинает иссякать. И нам необходимо отдохнуть, подкрепиться, чтобы с новыми силами приступить к работе. Естественно, что любое исправное электротехническое устройство будет работать только в том случае, если выполнены условия возникновения и существования электрического тока: наличие свободных заряженных частиц и наличие электрического поля. За создание электрического поля отвечают источники тока. В источниках тока электрическое поле создается и поддерживается благодаря разделению разноименных электрических зарядов. В результате на одном полюсе источника накапливаются частицы, имеющие положительный заряд, а на втором – частицы, имеющие отрицательный заряд. Между полюсами возникает электрическое поле. Под действием этого поля в проводнике, соединяющем полюса источника, свободные заряженные частицы начинают направленное движение, то есть возникает электрический ток. Однако разделить разноименные заряды не так просто, ведь между ними существуют силы притяжения. Для разделения разноименных зарядов, а следовательно, для создания электрического поля, необходимо выполнить работу. И выполнить ее можно за счет механической, химической, тепловой и других видов энергии.
Источники электрического тока
Источники электрического тока – устройства, которые превращают различные виды энергии в электрическую энергию. Все источники электрического тока можно условно разделить на физические и химические. К физическим источникам электрического тока принято относить устройства, в которых разделение зарядов происходит за счет механической, световой или тепловой энергии. Примерами таких источников тока могут быть электрофорная машина, турбогенераторы электростанций, фото- и термоэлементы и др. Несмотря на все разнообразие физических источников электрического тока, в повседневной жизни мы чаще имеем дело с химическими источниками электрического тока – гальваническими элементами и аккумуляторами. Химическими источниками электрического тока называют устройства, в которых разделение зарядов происходит за счет энергии, выделяющейся в процессе химических реакций. Возьмём медную и цинковую пластины и очистим их поверхности. Между пластинами поместим ткань, смоченную в слабом растворе сульфатной кислоты (см. рис. 4).
Рис. 4. Простейший химический источник
Полученное устройство и есть простейший химический источник электрического тока – гальванический элемент. Если соединить пластины через гальванометр(чувствительный электроизмерительный прибор, часто используемый в качестве индикатора слабого электрического тока), то прибор зафиксирует наличие тока (см. рис. 5).
Рис. 5. Наличие тока в цепи
Гальванический элемент впервые создал итальянский ученый А.Вольта; он назвал его в честь своего соотечественника Л. Гальвани. Любой гальванический элемент состоит из двух электродов и электролита.Часто используют один металлический электрод, а второй – угольный или содержащий оксиды металлов. Электролитом служит твердое или жидкое вещество, которое проводит электрический ток благодаря наличию в нем большого количества свободных заряженных частиц – ионов. В описанном нами гальваническом элементе, электродами выступают цинковая и медная пластины, а электролитом – раствор сульфатной кислоты. Между электродами и электролитом происходят химические реакции, в результате которых один из электродов (анод)приобретает положительный заряд, а второй (катод)– отрицательный (см. рис. 6).
Рис. 6. Гальванический элемент
Когда запас веществ, принимающих участие в реакциях, истощается, гальванический элемент прекращает работать. Для обеспечения электропитания фотоаппаратов, плейеров, настенных часов, карманных фонариков и т.п. широко используется марганцево-цинковый элемент – один из видов гальванических элементов. Со временем гальванические элементы становятся непригодными к работе, и их нельзя использовать повторно. А вот другой вид химических источников электрического тока – электрические аккумуляторы– можно использовать многократно.
Аккумуляторы, как и гальванические элементы, состоят из двух электродов, помещенных в электролит. Однако их можно снова зарядить. При зарядке аккумулятора химические реакции идут в обратном направлении и концентрация сульфатной кислоты восстанавливается. Следует отметить, что и аккумуляторы, и гальванические элементы обычно объединяют и получают, соответственно, аккумуляторнуюбатарею и батарею гальванических элементов.По принципу действия современные химические источники тока почти не отличаются от созданных более двух столетий назад. При этом сейчас существует множество разнообразных видов гальванических элементов и аккумуляторов и продолжается активная разработка новых. Друг от друга они отличаются размерами, массой, энергоемкостью, сроком службы, надежностью, безопасностью, стоимостью и т.д. Выбор того или иного химического источника тока продиктован сферой его применения. Так, в автомобилях целесообразно использовать относительно дешевые кислотные аккумуляторные батареи, и то, что они довольно тяжелые, не является существенным. А вот источники тока для мобильных телефонов должны быть легкими и безопасными, поэтому в данном случае целесообразно использовать так называемые литий-ионные батареи, хотя они сравнительно недешевы.
Электрический ток в природе
Если вас попросят привести пример электричества в природе, то почти наверняка речь пойдёт о молнии. Действительно, молния является, наверное, одной из самых грандиозных демонстраций мощи электричества. Однако использует ли природа электричество так же повсеместно, как и человек? Оказывается, да. Практически все живые существа функционируют благодаря электричеству. Например, нервный импульс человека – это электрический сигнал. Любая клетка обладает электрическим полем. И таких примеров можно привести массу. Мы же поговорим о существах, которые используют электричество в наиболее неожиданных и полезных для себя вариантах – о рыбах. Рыбы используют разряды:
– для освещения себе пути,
– для защиты, нападения и оглушения жертвы,
– для передачи сигнала друг другу и заблаговременного обнаружения препятствий.
Самыми известными электрическими рыбами являются электрический угорь, электрический скат и электрический сом. У этих рыб имеются специальные органы для накопления электрической энергии. Небольшие напряжения, возникающие в обычных мышечных волокнах, суммируются здесь благодаря последовательному включению множества отдельных элементов, которые нервами, как проводниками, соединены в длинные батареи (см. рис. 7).
Рис. 7. Органы электрических рыб
Среди других электрических рыб особенно выделяется скат торпедо (см. рис. 8), который встречается в Атлантическом, Индийском и Тихом океанах.
Рис. 8. Скат торпедо
Размеры торпедо достигают двух метров. Каждый орган состоит из множества колодцев, вертикальных по отношению к поверхности тела и сгруппированных подобно пчелиным сотам. В каждом колодце, заполненном студенистым веществом, помещается столбик из 350–400 лежащих друг на друге дисков. Диски играют роль электродов в электрической батарее. Вся система приводится в действие особой электрической долей мозга (см. рис. 9).
Рис. 9. Орган торпедо
Напряжения тока, вырабатываемого угрем, достаточно, чтобы убить в воде рыбу или лягушку. Он может произвести удар более чем в 500 вольт (для сравнения в обычной сети квартиры 220 вольт)! Угорь создает особенно сильное напряжение тока, когда изогнется дугой так, что жертва находится между его хвостом и головой: получается замкнутое электрическое кольцо.
Характерная особенность рыб, имеющих электрические органы, их малая восприимчивость к действию электрического тока. Так, например, электрический угорь без вреда для себя переносит напряжение 220 В. Племена, живущие по отдаленным притокам южноамериканских рек Амазонки, Ориноко и др., в местах брода у каждого берега держат на привязи лошадей. Когда кто-то хочет переправиться на противоположный берег, то он вначале гонит перед собой лошадь (но не едет на ней!), а сам идет следом за лошадью. Обратный путь он проделывает таким же образом. Чем объясняется этот весьма своеобразный способ переправы? В реках северо-восточной части Южной Америки обитает самая мощная из всех известных электрических рыб – электрический угорь. По этой причине племена, живущие по притокам этих рек, в местах брода, там, где водится много электрических угрей, устраивают переправу с помощью лошадей. Электрические угри разряжают свои батареи о ноги лошадей и не успевают, так сказать, перезарядить это оружие, так что люди переходят реку невредимыми
Решение задач
Рассмотрим примеры решения нескольких важных задач, связанных с понятием электрического тока.
Задача1. Можно ли утверждать, что в источниках тока возникают положительные и отрицательные заряды?
Решение
Для ответа на поставленный вопрос необходимо вспомнить, что происходит в источнике тока? В источнике тока происходит разделение разноимённых электрических зарядов под действием неэлектрических сил, что приводит к тому, что на разных полюсах источника тока накапливаются частицы с зарядами разных знаков (см. рис. 10). Вследствие этого и возникает электрическое поле между полюсами источника. Таким образом, в источнике происходит только разделение зарядов, а не их возникновение.
Рис. 10. Разделение разноименных зарядов
Задача 2. Каким требованиям должен соответствовать материал для изготовления корпусов розеток и выключателей?
Решение
Как мы знаем из повседневного опыта, корпуса розетки и выключателя служат посредниками между человеком и электрической сетью. При этом человек сам является неплохим проводником электрического тока, поэтому, если бы не было защитных корпусов, случайное прикосновение человека к контактам могло бы привести к замыканию им электрической цепи и прохождению тока через тело человека. Именно поэтому корпуса розеток и выключателей делают обычно из пластмассы (и аналогичных материалов), то есть из веществ, которые не проводят электрический ток (диэлектриков).
Задача 3. Железный гвоздь и отрезок медного провода воткнули в лимон. Потечёт ли ток через провод, которым соединяют гвоздь и провод (см. рис. 11)?
Рис. 11. Иллюстрация к задаче
Решение
Фактически перед нами находится гальванический элемент. Кислота, содержащаяся в лимоне, будет играть роль электролита. Так как материалы, из которых изготовлены гвоздь и провод, разные, то и взаимодействовать с кислотой они будут по-разному, а значит, будет происходить разделение зарядов и данное устройство будет выполнять функции источника тока. В этом можно наглядно убедиться (см. рис. 12).
Рис. 12. Источник тока
Давайте посмотрим, как отреагирует гальванометр, если мы соединим его с медным проводом (см. рис. 13).
Рис. 13. Гальванометр соединили с медным проводом
Видим, что стрелка гальванометра отклоняется. Если мы соединим несколько лимонов, т.е. сделаем батарею из лимонов, то сможем получить достаточно существенный ток – такая батарея называется багдадской
Что такое батарейка?
Мы часто употребляем в обиходе слово «батарейка». Однако теперь, когда мы познакомились с источниками тока, можно определиться с тем, к какому же виду источников относится батарейка. Оказывается, что батарейки относятся к химическим источникам тока и могут быть как гальваническими элементами, так и аккумуляторами.
Батарейка – обиходное название источника электричества для автономного питания разнообразных устройств. Может представлять собой одиночный гальванический элемент, аккумулятор или их соединение в батарею. Часто мы слышим и такие понятия, как пальчиковая батарейка, «крона»… Что же они означают? Оказывается, батарейки принято классифицировать по различным критериям (размеры, характеристики, форма).
Основные виды батареек – минипальчиковая (или мизинчиковая – ААА), пальчиковая (АА), средняя (С), большая (D) и крона (см. рис. 14).
Рис. 14. Классификация батареек
Также батарейки классифицируют по типу электролита, который в них используется, поэтому батарейки бывают: сухие (твёрдый электролит), щелочные, серебряные, воздушно-цинковые, литиевые (см. рис. 15).
Рис. 15. Иная классификация батареек
Мы узнали, что такое электрический ток, обсудили условия его возникновения и существования, а также поговорили об источниках электрического тока.
На следующем уроке мы поговорим об электрической цепи и её составных частях.