Электрический ток — что это такое простыми словами
Электрический ток используется во множестве современных технологий. Чтобы понять, что это такое, можно представить ток воды, бегущий по трубам с определенной скоростью. В этом случае роль воды исполняет электрический заряд, под скоростью понимается его сила, а функцию трубы выполняет проводник — среда, вещество или материал, способные проводить электрический ток.
В металлах и полупроводниках такими частицами выступают электроны, в газах — электроны и ионы, в электролитах — анионы и катионы.
Источники электрического тока бывают:
- Механическими. Это генераторы, которые при помощи падающей воды, газового или парового потока преобразуют механическую энергию в электрическую.
- Тепловыми. В этом случае ток возникает из-за разности температур двух контактирующих термопар — чем больше разность, тем сильнее ток.
- Световыми. Здесь речь идет о превращении энергии света в электричество при помощи солнечных батарей.
- Химическими, основанными на особенностях взаимодействия разных элементов.
Во всех случаях для существования постоянного тока необходимо наличие свободных зарядов, электрического поля, обеспечивающего их движение, замкнутой электрической цепи. В каждом источнике происходит работа по разделению отрицательно и положительно заряженных частиц, скапливающихся на его полюсах.
Виды тока, классификация
В физике различают следующие виды тока:
- постоянный — не меняющий величину, направление во времени;
- переменный — меняющий свои параметры;
- периодический — повторяющий свои мгновенные значения через определенные временные промежутки в одинаковой последовательности;
- синусоидальный — изменяющий свою величину по синусоидальному закону;
- высокой частоты;
- пульсирующий.
Если речь идет о движении макроскопических заряженных тел (к примеру, дождевых капель), то ток принято называть конвекционным. Если же имеется в виду движение заряженных частиц внутри макроскопических тел, то говорят о токе проводимости.
Параметры и характеристики электрического тока
Электрическому току свойственны такие характеристики, как сила, плотность, мощность, частота.
Также существует понятие напряжения. Обозначение применяется для определения работы, совершаемой единичным положительным зарядом в момент перемещения вдоль цепи.
Важный параметр — сопротивление. Оно отображает способность проводника препятствовать прохождению через него заряженных частиц.
Поведение электрического тока в различных средах
Ток может проходить через разные вещества: металлы, сплавы, газы. Условием для его возникновения является присутствие заряженных частиц, которые могут быть ионами или электронами.
В металлах
Строение металлов напоминает кристаллическую решетку. В ее «узлах» находятся положительные ионы, в пространстве между ними — свободные электроны. Электрическое поле, созданное в металле, заставляет упорядоченно двигаться свободные электроны. Поэтому принято говорить о том, что ток в металлах являет собой упорядоченное движение свободных электронов.
В электролитах
В процессе растворения в воде молекулы этих веществ разделяются на отрицательные и положительные ионы. Явление распада нейтральных молекул на отрицательные и положительные ионы называется электролитической диссоциацией.
При отсутствии электрического поля все ионы передвигаются хаотично. При его наличии положительные будут тяготеть к отрицательному полюсу источника тока. Отрицательные — к положительному. Поэтому физики говорят о том, что ток в электролитах представляет собой движение разнозаряженных ионов в противоположных направлениях.
В газах
В обычных условиях газ не способен проводить электричество. Он является диэлектриком или изолятором. Но при изменении условий окружающей среды — под воздействием радиоактивного излучения или при нагреве — газ может стать проводником.
Газовый разряд может быть:
- несамостоятельным — существующим только при условии воздействия внешних сил;
- самостоятельным — продолжающим существование даже после нейтрализации внешних воздействий.
Самостоятельные разряды делятся на:
- тлеющие, формирующие свечение;
- тихие, не образующие света и звука;
- искровой, генерирующий большое количество электричества за краткий временной промежуток;
- дуговой, подразумевающий колебания силы тока от 10 до 100 А;
- коронный.
Коронный разряд возникает при резком изменении напряженности поля.
Измерения силы электрического тока, формулы
В международной системе единицей измерения силы тока является ампер, который обозначается буквой А. Для определения точного значения применяют специальный прибор амперметр. Его подключают к разрыву цепи на том участке, где необходимо произвести замер.
Формула нахождения силы тока выглядит так:
Уравнения для определения остальных физических величин:
Единицами измерения напряжения являются вольты (В). Сопротивление измеряется в омах (Ом), работа — в Джоулях (Дж), мощность — в Ваттах (Вт).
Электрический ток в металлах — природа явления
Особенность металлических проводников состоит в том, что заряд электричества переносят свободные электроны. Они перемещаются в одном направлении под влиянием внешнего электрического поля, создавая электрический ток.
Природа электрической проводимости у металлов обусловлена наличием кристаллической решётки, в узлах которой расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся свободные электроны. Свободные электроны не связаны с ядрами своих атомов. Отрицательный заряд всех свободных электронов по модулю равен положительному заряду всех ионов решетки, таким образом проводник считается электрически нейтральным.
Кто открыл, опыт Мандельштама и Папалекси
Первые опыты по изучению электрической проводимости металлов провел немецкий ученый Карл Виктор Эдуард Рикке в 1901 году. Суть эксперимента сводилась к следующему. Три отполированных цилиндра плотно прижали друг к другу, расположив в таком порядке: медь–алюминий–медь. В течение года через них пропускали ток в одном и том же направлении.
Суммарный заряд, прошедший через этот проводник за все время составил более 3,5 МКл. После завершения опыта цилиндры взвесили и выяснилось, что их массы не изменились. Это исследование стало доказательством того, что прохождение тока в металлах не связано с химическими процессами и переносом вещества, а заряд создается частицами, которые имеются у всех металлов, т. электронами.
Была собрана следующая установка: катушка на стержне со скользящими контактами, которые присоединены к гальванометру. Катушка вращалась с большой скоростью, затем резко останавливалась, при этом фиксировали отклонение стрелки гальванометра. В ходе эксперимента ученые установили, что электрон обладает массой. Но измерить эту массу они не смогли, опыт был только качественным.
Спустя три года физики Р. Толмен и Б. Стюарт предложили свой вариант подобного эксперимента, что позволило произвести количественные измерения. Им удалось вычислить массу электрона. Для этого они измерили заряд на выходах катушки, образующийся при торможении. После внезапной остановки катушки в цепи возникал импульс тока. Направление тока указывало на то, что он вызван движением отрицательных зарядов.
С помощью баллистического гальванометра ученые измерили суммарный заряд, проходящий по цепи, и вычислили отношение заряда одной частицы к ее массе — q/m. Оно оказалось близким по значению к отношению e/m для электрона =1,8 ×1011 Кл/кг, которое на тот момент уже было известно.
Какие частицы его создают, скорость распространения тока
Хорошая электропроводность металлов обусловлена высокой концентрацией свободных электронов. Каждый атом металла, находящийся в узле кристаллической решетки, имеет один или несколько валентных (свободных) электронов. Валентные электроны находятся на внешней электронной оболочке и слабо связаны с ядром, поэтому атом легко с ними расстается.
Они совершают тепловое движение в различных направлениях по всему кристаллу. Положительные ионы остаются в узлах кристаллической решетки, а пространство между ними заполняется свободными электронами или так называемым электронным газом.
Если металлический проводник присоединить к источнику тока и замкнуть цепь, валентные электроны продолжают совершать хаотическое движение, но под действием возникшего внешнего электрического поля они также начинают перемещаться в одном направлении. Это упорядоченное течение электронного газа, совмещенное с тепловым движением электронов, и есть электрический ток в металле.
Скорость упорядоченного движения (дрейфовая скорость) любого электрона в проводнике не превышает 1 мм/с.
Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника.
Закон Ома и Джоуля-Ленца, формулы
Классическая электронная теория металлов берет за основу, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. При этом не учитывают взаимодействие электронов между собой. Предполагается также, что при каждом столкновении с положительными ионами электрон передает решетке всю полученную в электрическом поле энергию, а затем начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.
Несмотря на эти особенности, законы электрического тока в металлических проводниках — Ома и Джоуля–Ленца — находятся в рамках классической электронной теорией.
Применение свойств электрического тока в металлах
Имеет отношение к следующим отраслям:
- Передача электроэнергии от источника к потребителям.
- Электродвигатели.
- Нагревательные приборы всех типов, предназначенных для промышленности и домашнего использования: спирали для ламп освещения, нагревательные спирали тэнов (обогреватели, чайники и т.д.).
- Получение сильных магнитных полей (МРТ, электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в ускорителях для ракет и генераторов).
- Электроизмерительные приборы: амперметры, вольтметры, электрические счетчики и др.
- В металлургии:
- гальваностегия — электрохимический процесс покрытия одних металлов другими, более устойчивыми к коррозии: золочение, серебрение, никелирование и т. д. Используется также для придания изделиям декоративного вида;
- гальванопластика — получение металлических копий с рельефов. Гипсовый оттиск рельефа покрывают слоем графита и погружают в электролит — раствор соли металла, который осаждается на оттиске, как на катоде. После удаления гипса получается металлическая копия рельефа;
- электролитическое рафинирование позволяет очищать цветные металлы от примесей.
Классическая (кинетическая) теория электропроводности металлов: понятие, обоснование
Классическая теория электропроводности металлов была разработана и сформулирована в 1900 году немецким ученым-физиком Паулем Друде. Пауль Друде пользовался общими законами механики, законом Ома и другими.
Так выглядел Пауль Друде:
Эта теория была доработана другим ученым, Лоренцо. Сейчас данная теория является классической, а также актуальной в области проводимости металлов. Так теория электропроводности металлов называется теорией Друде-Лоренцо.
Друде считал, что электроны в металлах находятся в подчиненном состоянии, их можно описать посредством уравнения молекулярно-кинетической теории. Если говорить иными словами, свободные электроны в металлах подчинены законам МКТ (молекулярно-кинетической теории), они образуют «электронный газ».
Передвигаясь внутри металла, электроны ударяются между собой, а также кристаллической решеткой. Так проявляется электрическое сопротивление проводника. Между тем как электроны ударяются друг о друга, по аналогии с длиной свободного пробега молекул газа с идеальными характеристиками, они способны преодолеть усредненный путь, который принимается за λ.
Представим базовые положения теории Пауля Друде:
- Взаимодействие электрона с иными ионами и электронами не учитывают между столкновениями.
- Столкновения происходят мгновенно, они резко изменяют скорость электронов.
- Вероятность для электрона почувствовать столкновение в какую-то единицу времени будет равна соотношению 1τ.
- Состояние термодинамического равновесия может достигаться с помощью столкновения.
В рамках учения Друде объясняется то, как происходит сопротивление металлов. Это явное преимущество теории. Сопротивление обуславливается взаимными ударениями электронов с узлами кристаллической решетки. Выделение тепла по закону Джоуля-Ленца тоже происходит из-за того, что электроны взаимно ударяются с ионами кристаллической решетки.
Передача тепла в металлах происходит с помощью электронов, а не при помощи кристаллической решетки.
Среднюю скорость электронов возможно вычислить по формуле для газа с идеальными характеристиками: (upsilon)=8kTπm, где
- k — постоянная Больцмана;
- t — температура металла;
- m — масса электрона.
Если включается внешнее электрическое поля, на движение частиц электронного газа хаотичного характера накладывается упорядоченное движение электронов под воздействием сил поля, когда электроны совершают упорядоченные движения со средней скоростью в (u).
Если плотность тока большая, то расчеты будут давать такой итог: средняя скорость движения электронов хаотичного характера во много раз (примерно в 108) больше скорости упорядоченного движения под воздействием электрического поля.
В случае вычисления суммарной скорости считают, что ∣(v+u)∣≈∣v∣.
Недостатки электронной теории проводимости
Второй недостаток классического электронного закона возникает в процессе сопоставления с опытом вычисления и формул для теплоемкостей.
Так по электронному закону теплоемкость единицы объема электронного газа будет равна C=32kn, где показатель n будет концентрацией электронов свободного типа. Теплоемкость, которая относится к одному электрону: C=32kn.
Колебательная теплоемкость твердого тела, согласно закону Дюлонга и Пти будет равна C=3R. Так теплоемкость электронного газа будет вычисляться по следующей формуле: C=32kN=32R.
Таким образом получается, что, согласно электронному закону теплоемкость одновалентных металлов должна составлять C=C1+C2=92R. Но по опыту получается так, что теплоемкость металлов, как и теплоемкость твердых диэлектриков, по закону Дюлонга и Пти, близится к 3R. Так появилось непонятное и неожиданное явление практического отсутствия теплоемкости у электронного газа.
По классической теории проводимость является обратно пропорциональной T. В конце концов появились различные трудности в оценке средней длины свободного пробега электронов в металле.
Для того чтобы получились величины удельной электрической проводимости металла при использовании формулы, которые не имели бы отличий с опытными значениями, приходилось принимать среднюю длину свободного пробега электронов размером в сотни раз больше, чем период металлической решетки.
Другими словами, нужно предполагать, что электрон может проходить без взаимного ударения с ионами решетки сотни расстояний (межузельных). Данное предположение является странным в рамках классического электронного закона Друде-Лоренца.
Как отличается электропроводность разных металлов
Электронная теория электропроводности металлов начала развиваться из-за исследований ученого Пауля Друде. Он смог открыть сопротивление как свойство. Сопротивление наблюдается тогда, когда электрический ток проходит через проводник.
В будущем эта теория помогла типизировать различные вещества по их уровню проводимости. Из результатов исследования можно с легкостью понять, какой металл подходит для того, чтобы изготовить тот или иной кабель. Это самый важный момент, потому что материал, который неправильно подобран, может быть причиной перегрева, возгорания и других последствий.
Электропроводность металлов можно узнать в таблице электропроводности.
Нужно отметить, что каждый сплав обладает меньшим уровнем проводимости, чем чистое вещество. Это может быть связано с тем, что структурная сетка сливается со всем остальным, происходит нарушение обычного электронного функционирования.
Материалы высокой проводимости
Электропроводность у щелочных металлов расположена на крайне высоком уровне, потому что у них электроны практические не привязаны к ядру, их можно легко выстроить в необходимую последовательность. Однако данная группа отличается тем, у них небольшая температура плавления, но большая химическая активность. В большинстве своем данные свойства не дают использовать эти металлы для того, чтобы изготовить провода.
В зависимости от области применения металлов изоляционные материалы могут быть жидкими, твердыми, газообразными. Однако главная их функция все же одна — изолировать электрический ток в цепи так, чтобы он не смог оказать никакого воздействия на окружающую среду.
Электропроводность металлов используют почти во всех областях в современной человеческой жизни, поэтому безопасность человека считается самой главной задачей.
