Если в какой-либо среде есть свободные носители заряда (например, электроны в металле), то они не находятся в покое, а хаотически движутся. Но можно заставить электроны двигаться упорядоченно в заданном направлении. Такое направленное движение заряженных частиц называется электрическим током.
Содержание
Как возникает электрический ток
Если взять два проводника, и один из них зарядить отрицательно (добавить ему электронов), а другой зарядить положительно (отобрав у него часть электронов), возникнет электрическое поле. Если соединить оба электрода проводником, поле заставит двигаться электроны в направлении, противоположном направлению вектора напряженности электрического поля, в соответствии с направлением вектора электрической силы. Отрицательно заряженные частицы будут двигаться от электрода, где они в избытке, к электроду, где они в недостатке.
Для возникновения движения электронов не обязательно сообщать второму электроду положительный заряд. Главное, чтобы отрицательный заряд первого был выше. Можно даже зарядить оба проводника отрицательно, но один проводник должен иметь заряд больше другого. В этом случае говорят о разности потенциалов, которая вызывает электрический ток.
По аналогии с водой – если соединить два сосуда, заполненные водой до разных уровней, возникнет поток воды. Его напор будет зависеть от разницы уровней.
Интересно, что хаотическое движение электронов под действием электрического поля в целом сохраняется, но общий вектор движения массы носителей заряда приобретает направленный характер. Если «хаотическая» составляющая движения имеет скорость несколько десятков или даже сотен километров в секунду, то направленная составляющая – несколько миллиметров в минуту. Но воздействие (когда электроны по длине проводника приходят в движение) распространяется со скоростью света, поэтому говорят, что электрический ток движется со скоростью 3*108 м/сек.
В рамках приведенного выше эксперимента ток в проводнике будет существовать недолго – до тех пор, пока в отрицательно заряженном проводнике не закончатся избыточные электроны, и их количество на обоих полюсах не уравновесится. Это время невелико – ничтожные доли секунды.
Перейти обратно к изначально отрицательно заряженному электроду и создать избыточный заряд носителям не даёт то же самое электрическое поле, которое двигало электроны от минуса к плюсу. Поэтому должна быть сторонняя сила, действующая против силы электрического поля и превосходящая его. По аналогии с водой, должен быть насос, закачивающий воду обратно на верхний уровень для создания непрерывного потока воды.
Направление тока
За направление тока принято направление от плюса к минусу, то есть, направление движения положительно заряженных частиц – противоположно движению электронов. Связано это с тем, что само явление электрического тока было открыто намного раньше, чем было получено объяснение его природы, и считалось, что ток идёт именно в эту сторону. К тому времени накопилось большое количество статей и другой литературы на эту тему, появились понятия, определения и законы. Чтобы не пересматривать огромное количество уже опубликованного материала, просто приняли направление тока против потока электронов.
Если ток течёт все время в одном направлении (даже изменяясь по силе), он называется постоянным током. Если его направление меняется, то речь идет о переменном токе. В практическом применении направление меняется по какому-либо закону, например, по синусоидальному. Если направление протекания тока остаётся неизменным, но он периодически спадает до нуля и возрастает до максимального значения, то речь идёт об импульсном токе (различной формы).
Необходимые условия поддержания электрического тока в цепи
Выше выведены три условия существования электрического тока в замкнутой цепи. Их надо рассмотреть подробнее.
Свободные носители зарядов
Первое необходимое условие существования электрического тока – наличие свободных носителей зарядов. Заряды не существуют отдельно от их носителей, поэтому надо рассматривать частицы, которые могут переносить заряд.
В металлах и других веществах с подобным типом проводимости (графит и т.п.) таковыми служат свободные электроны. Они слабо взаимодействуют с ядром, и могут покидать атом и относительно беспрепятственно перемещаться внутри проводника.
Также свободные электроны служат носителями заряда в полупроводниках, но в некоторых случаях говорят о «дырочной» проводимости этого класса твёрдых веществ (в противовес «электронной»). Это понятие нужно только для описания физических процессов, фактически ток в полупроводниках представляет собой всё то же движение электронов. Материалы, в которых электроны не могут покидать атом, являются диэлектриками. В них ток не возникает.
В жидкостях заряд переносят положительные и отрицательные ионы. Здесь подразумеваются жидкости – электролиты. Например, вода, в которой растворена соль. Сама по себе вода электрически довольно нейтральна, но при попадании в неё твердые и жидкие вещества растворяются и диссоциируют (распадаются) с образованием положительных и отрицательных ионов. А в расплавленных металлах (например, в ртути) носителями зарядов являются те же электроны.
Газы, в основном, являются диэлектриками. Свободных электронов в них нет – газы состоят из нейтральных атомов и молекул. Но если газ ионизирован, говорят о четвёртом агрегатном состоянии вещества – плазме. В ней тоже может течь электрический ток, он возникает при направленном движении электронов и ионов.
Также ток может течь и в вакууме (на этом принципе основано действие, например, электронных ламп). Для этого понадобятся электроны или ионы.
Электрическое поле
Несмотря на наличие носителей свободных зарядов, большинство сред электрически нейтральны. Это объясняется тем, что отрицательные (электроны) и положительные (протоны) частицы расположены равномерно, и их поля компенсируют друг друга. Чтобы возникло поле, заряды должны сосредоточиться в какой-то области. Если электроны скопились в области одного (отрицательного) электрода, то на противоположном (положительном) будет их недостаток, и возникнет поле, создающее силу, действующую на носители зарядов и заставляющее их двигаться.
Сторонняя сила для переноса зарядов
И третье условие – должна существовать сила, переносящая заряды в направлении, противоположном направлению электростатического поля, в противном случае заряды внутри замкнутой системы быстро уравновесятся. Эта сторонняя сила называется электродвижущей силой. Её происхождение может быть различным.
Электрохимическая природа
В этом случае ЭДС возникает в результате протекания электрохимических реакций. Реакции могут быть необратимыми. Примером служит гальванический элемент – всем известная батарейка. После исчерпания реагентов ЭДС снижается до нуля, и батарейка «садится».
В других случаях реакции могут быть обратимыми. Так, в аккумуляторе ЭДС также возникает в результате электрохимических реакций. Но по их завершении процесс можно возобновить – под действием внешнего электрического тока реакции пройдут в обратном порядке, и аккумулятор вновь будет готов отдавать ток.
Фотоэлектрическая природа
В этом случае ЭДС вызывается воздействием видимого, ультрафиолетового или инфракрасного излучения на процессы в полупроводниковых структурах. Такие силы возникают в фотоэлементах («солнечных батареях»). Под действием света во внешней цепи возникает электрический ток.
Термоэлектрическая природа
Если взять два разнородных проводника, спаять их и место соединения нагревать, то в цепи возникнет ЭДС за счёт разницы температур между горячим спаем (места соединения проводников) и холодным спаем – противоположными концами проводников. Таким способом можно не только вырабатывать ток, но и измерять температуру посредством измерения возникающей ЭДС.
Пьезоэлектрическая природа
Возникает при сдавливании или деформации некоторых твердых веществ. На этом принципе работает электрическая зажигалка.
Электромагнитная природа
Самый распространенный способ промышленного получения электричества – с помощью генератора постоянного или переменного тока. В машине постоянного тока якорь в виде рамки вращается в магнитном поле, пересекая его силовые линии. При этом возникает ЭДС, зависящая от скорости вращения ротора и магнитного потока. На практике применяется якорь из большого количества витков, образующих множество последовательно соединенных рамок. Возникающие в них ЭДС складываются.
В генераторе переменного тока применяется тот же принцип, но внутри неподвижной рамки вращается магнит (электрический или постоянный). В результате тех же процессов в статоре возникает ЭДС, имеющая синусоидальную форму. В промышленном масштабе почти всегда применяется выработка переменного тока – его проще преобразовывать для транспортировки и практического применения.
Интересное свойство генератора – обратимость. Оно состоит в том, что, если на выводы генератора подать напряжение от стороннего источника, его ротор начнёт вращаться. Это означает, что в зависимости от схемы подключения, электрическая машина может быть либо генератором, либо электромотором.
Это лишь основные понятия такого явления, как электрический ток. На самом деле, процессы, происходящие при направленном движении электронов намного сложнее. Для их понимания потребуется более глубокое изучение электродинамики.
Похожие статьи:
Загрузка...