• Главная
  • rss-лента сайта solo-project.com

Электрический ток

Беспризорные электроны мечутся внутри металла. Как заставить их двигаться в заданном направлении?
Мы входим в комнату, нажимаем на клавишу выключателя и зажигаем электрическую лампу, висящую над столом. Что же происходит в столь привычной нам ситуации? Вы скажете: «Это совсем просто! Замкнулась цепь электрического тока. Ток течет по нити лампы, нагревает ее, и лампа светится». Ваш ответ правилен, однако без разъяснения термина «электрический ток» оп не понятен.

Раскроем учебник физики. Там написано, что электрическим током называют упорядоченное (направленное)' движение электрических зарядов. Новая загадка! Что нее такое электрический заряд? Наша цепочка вопросов возникла вполне закономерно, однако мы ухватились за нее не с того конца. В действительности изучение электрических явлений началось с того момента, когда обнаружилось, что при определенных условиях два тела, например два легких бумажных шарика, подвешенных на шелковых нитях, взаимно притягиваются или отталкиваются друг от друга. Отталкивание наблюдается, например, если сначала натирать шерстяной тряпочкой эбонитовую палочку, а затем коснуться этой палочкой сначала одного шарика, а затем другого.

Для того чтобы объяснить это явление и многие другие, в науку было введено понятие об электрическом заряде — некоторой порции электричества, имеющей либо положительный, либо отрицательный знак.

Опыты показали, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются друг к другу (рис. 2).


электрический ток, статьи для начинающих


Не будем здесь излагать многочисленные дальнейшие опыты, которые подтвердили, что представление о существовании положительных и отрицательных электрических зарядов позволяет правильно истолковать результаты многих наблюдений. Ученые научились измерять электрические заряды и пока не обнаружили в природе существования порции заряда меньшей, чем 1,6* 10^-19 Кл.

Единица электрического заряда носит имя французского физика Кулона. Заряд, равный минус 1,6 • 10^-19 Кл, имеет элементарная частица, названная электроном. Зарядом плюс 1,6-10^-19 Кл обладают элементарные частицы позитрон и протон.

Опыты показали, что любые заряды всегда кратны элементарному заряду, либо положительному, либо отрицательному (рис. 3).


электрический ток, статьи для начинающих

Итак, сначала были обнаружены электрические заряды, а уж затем начали изучать их движение и сопутствующие этому движению явления.

Направленное движение заряженных частиц назвали электрическим током.

Ток, текущий через лампочку карманного фонаря, в который вставлена батарейка, не меняется ни по величине, ни по направлению, поэтому такой ток называют постоянным.

Металлическая нить лампочки имеет кристаллическую структуру и состоит из положительно заряженных частичек — ионов, между которыми двигаются электроны. Ион — это атом, потерявший хотя бы один электрон. Вы, конечно, знаете, что каждый атом вещества состоит из положительно заряженного ядра и окружающих это ядро электронов. Суммарный заряд всех электронов равен по абсолютной величине заряду ядра. Поэтому полный заряд атома равен нулю — атом нейтрален. Итак, кристаллическая решетка металла состоит из «крепко сцепившихся между собой» ионов.

Ионы решетки заряжены одноименным зарядом и, казалось бы, должны отталкиваться друг от друга. Как же образуется решетка? Здесь дело в том, что между ионами действуют не только электрические силы отталкивания, но и силы ИНОЙ, не электрической природы. Эти силы и удерживают ионы, в результате чего образуется кристаллическая решетка.

«Сцепившиеся» ионы, составляющие кристаллическую решетку, не могут перемещаться по металлу и поэтому не способны образовать направленное движение электрических зарядов — электрический ток.

Конечно, ионы не стоят, как вкопанные, в узлах кристаллической решетки. Они, как бы «приплясывают» на месте тем сильнее, чем выше температура металла. Такое движение присуще атомам любого вещества. Оно называется тепловым. Притрагиваясь к нагретому телу, мы фактически ощущаем пальцами это движение.

Тепловое движение ионов в металле не образует электрического тока, но существенно влияет на движение оторвавшихся от атомов электронов. А именно это движение электронов, называемых свободными, и образует электрический ток.

Почему оторвавшиеся от атомов электроны в металле называются свободными? Дело в том, что эти электроны «забывают свой атом» и свободно перемещаются между ионами кристаллической решетки металла. Их движение весьма схоже с движением молекул газа, заключенного в сосуд. Поэтому иногда свободные электроны в металле называют "электронным газом". Для того чтобы свободные электроны образовали электрический ток, надо заставить их двигаться преимущественно в одну сторону. Эту функцию берет па себя батарейка карманного фонаря. Она заставляет электроны < убегать» от отрицательного полюса к положительному; при этом положительный полюс «проглатывает» прибегающие к нему электроны, а отрицательный полюс «выбрасывает» электроны в провод, соединяющий батарейку с лампочкой.

Батарейка, которую называют источником электродвижущей силы, способна выполнять эту работу, потому что внутри ее происходит химическая реакция. Резуль-1 атом реакции является разделение положительных и отрицательных зарядов, т. е. преодоление электрических сил взаимного притяжения этих зарядов. Когда запасы веществ, участвующих в химической реакции внутри батарейки, исчерпываются, лампочка фонаря постепенно гаснет.

Итак, в металле электрический ток образуется свободными электронами. Если нет никаких внешних причин, заставляющих электроны двигаться в одном направлении, то электроны перемещаются во всевозможные стороны, натыкаясь на ионы кристалла, друг па друга и непрерывно меняя направление движения. В металле царит хаос и в среднем число электронов, движущихся навстречу друг другу, одинаково. Такое движение электронов, как и «дрожание» ионов, также является тепловым. Чем выше температура металла, тем в среднем быстрее движутся электроны и сильнее «дрожат» ионы.


электрический ток, статьи для начинающих

На рисунке мы изобразили расположение электронов (представляя их в виде бегущих человечков) в произвольно выбранный момент времени. Стрелки показывают направления движения электронов. Длина стрелок пропорциональна скорости движения электронов.

Вы видите на рисунке стрелки различной длины, так как скорости электронов не одинаковы ни по модулю, ни по направлению. Тем не менее, при заданной температуре металла можно найти среднюю скорость электронов, если сложить длины всех стрелок, не учитывая их направления, и разделить на число электронов. При комнатной температуре эта средняя скорость равна примерно 10^7 см/с. Обратите внимание па это число — электроны двигаются очень быстро!

Теперь сложим скорости всех электронов, учитывая, направление скоростей. Для того чтобы это сделать, надо знать, как складываются два вектора, так как скорость — величина векторная. Правило сложения векторов, называемое правилом параллелограмма, легко понять, посмотрев на рисунок 5.


электрический ток, статьи для начинающих

Сложив поочередно все скорости электронов металла (как векторы!), мы получим очень небольшую суммарную скорость, много меньшую, чем средняя скорость электронов. Повторяя эту операцию для разных моментов времени, мы сможем убедиться в том, что суммарная скорость электронов принимает всевозможные случайные направления и остается настолько малой, что ее можно считать равной нулю. Итак, суммарная скорость электронов, совершающих в металле тепловое движение, в среднем равна нулю. Малые отклонения этой скорости от нуля можно рассматривать как направленное перемещение зарядов, т. е. как электрический ток. Однако величина и направление этого тока хаотически меняются. Такой ток называют флуктуационным. Флуктуации тока в проводниках являются одной из причин шумов, возникающих в электронной аппаратуре.


электрический ток, статьи для начинающих

Для получения не флуктуациоиного тока надо к хаотическому движению электронов (от него нельзя избавиться!) прибавить направленное движение. Такое движение можно создать, если подействовать на все электроны с силой заданного направления, т.е. создать в металле электрическое поле. В примере, с которого мы начали, в электрической цепи карманного фонаря электрическое поле создается батарейкой — источником электродвижущей силы. Теперь к каждой стрелке О надо прибавить стрелку — вектор Н, совпадающую с направлением силы. На рисунке 6 это показано для пяти электронов. Здесь стрелки О соответствуют скоростям электронов при отключении батарейки. Стрелки Э, полученные сложением (по правилу параллелограмма) скоростей Я и О, показывают скорости электронов при включении батарейки. Ясно, что если сложить скорости всех электронов и определить среднюю скорость, то она окажется примерно равной Н. Направление Н противоположно направлению электрического тока, так как электроны имеют отрицательный заряд, а за направление тока выбирается направление зарядов.



Сертификация качества продукции certification-portal.ru
certification-portal.ru

Похожие записи

Еще раз о том, как электроны, нарушая порядок, все же его сохраняют. Понятие вероятности, о котором пойдет речь, требует определенной логики мышления, к которой надо привыкнуть.

читать далее

Фотоны нарушают равновесие в полупроводнике. Чувствителен ли полупроводник к потоку фотонов? Пусть собственный полупроводник (примесей нет!) долгое время находится при комнатной температуре...

читать далее

Сначала полупроводник очистим, затем его «загрязним». Введем в кристалл германия некоторое количество атомов фосфора (Р). Это можно осуществить, например, следующим способом.

читать далее