9 класс Раздел 2 (35 часов) ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК материалов:

9 класс
Раздел 2 (35 часов) ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
Тема: Электрический ток. Действие электрического тока. Электропроводность
материалов: проводники, полупроводники, диэлектрики. Ток в металлах.
Электрическая цепь. Источники тока. Гальванические элементы.
Электрический ток.
Проведем опыт. Соединим проводником заряженный электрометр с таким же, но
незаряженным. Подобный опыт мы уже проводили (см. рис. 10) и знаем, что часть
электрического заряда при этом перейдет с одного прибора на другой. Этот заряд
будет перенесен свободными электронами, движущимися по проводнику.
Направленное движение заряженных частиц называют электрическим током.
Поэтому в течение того времени, пока заряд с одного электрометра будет переходить
на другой, по соединяющему их проводнику будет идти ток.
Для существования электрического тока в веществе необходимо выполнение
следующих двух условий:
1) в веществе должны иметься свободные заряженные частицы, т. е. такие частицы,
которые могут свободно перемещаться по всему объему тела (иначе их называют
носителями тока);
2) на эти частицы должна действовать некоторая сила, заставляющая их двигаться в
определенном направлении.
Оба эти условия будут выполнены, если, например, взять металлический проводник
и создать в нем электрическое поле. Носителями тока в металлах являются свободные
электроны. Под действием электрического поля движение свободных электронов в
металле примет упорядоченный (направленный) характер, что и будет означать
появление в проводнике электрического тока.
Ток, возникающий в опыте, о котором говорилось в начале параграфа, был
кратковременным. Подключив к проводнику лампочку, мы увидим, как при замыкании
электрометров она вспыхнет и тут же погаснет (рис.20). Чтобы ток существовал
длительное время, необходимо наличие источника тока - специального устройства,
создающего электрическое поле в проводнике.
При наличии такого источника в проводнике может поддерживаться постоянный ток.
Было бы неправильным, однако, представлять себе этот ток в виде движения
электронов по прямым линиям. Из-за взаимодействия с другими частицами их
движение по-прежнему будет иметь сложный и запутанный характер. Но если до
возникновения тока оно было таким, как изображено на рисунке 21, а, то после
создания в проводнике тока оно будет примерно таким, как это показано на рисунке 21,
б.
Увидеть движущиеся электроны в проводнике невозможно. Каким же образом можно
обнаружить электрический ток? Обнаруживается он по действиям, которые
производит.
1. При протекании тока проводник нагревается (тепловое действие тока). Именно на
этом
основано
действие
таких
электронагревательных
устройств,
как
электрокипятильники, электрические плитки, утюги, паяльники и т. д.
2. Прохождение тока через растворы солей, кислот и щелочей сопровождается
выделением на металлических проводниках, опущенных в раствор, веществ, которые
входят в его состав (химическое действие тока). Так, например, пропуская ток через
раствор медного купороса, можно выделить чистую медь. Более подробно об этом
будет рассказано в старших классах.
3. Проводник, по которому идет ток, приобретает магнитные свойства и, подобно
обычным магнитам, начинает притягивать к себе железные предметы (магнитное
действие тока). Именно на этом основано действие электромагнитов.
4. При прохождении через организм животного ток вызывает сокращения мышц
(физиологическое действие тока). На ранней стадии изучения электричества это
действие было единственным, о котором было известно ученым. Поэтому первые
«измерения» тока были основаны на собственных ощущениях экспериментаторов,
которые пропускали его через себя.
Одним из первых, кто ощутил на себе действие тока, был голландский физик П.
Мушенбрук (1692-1761). Получив удар током, он заявил, что «не согласился бы
подвергнуться еще раз такому испытанию даже за королевский трон Франции». Однако
весть об открытии нового эффекта быстро распространилась по разным странам, и
вскоре опыты по пропусканию через людей электрических зарядов можно было
наблюдать не только в физических лабораториях, но и в аристократических салонах
крупнейших городов Европы.
Электрическая цепь.
Конструкции современных источников разнообразны. Те из них, которые работают за
счет химических реакций, называют химическими источниками тока. К ним относятся
гальванические элементы (или просто элементы) и аккумуляторы.
Гальванические элементы (названные так в честь Л. Гальвани) являются
источниками тока, как правило, разового пользования. Аккумуляторы же можно
использовать многократно, периодически заряжая их.
У любого из этих источников имеются два полюса - положительный (+) и
отрицательный (-). Разные заряды этих полюсов обусловлены химическими реакциями,
протекающими внутри источника на проводниках (электродах), погруженных в
специальный раствор.
Если с помощью проводов к источнику тока подключить какие-либо устройства,
потребляющие электроэнергию, то под действием электрического поля, создаваемого
источником, через них пойдет ток.
Соединенные друг с другом источник тока, провода и потребители электроэнергии
(лампы, электроплитки, электро- и радиоаппаратура) образуют электрическую цепь.
Для того чтобы в цепи мог идти постоянный ток (т. е. ток, не изменяющийся с
течением времени), электрическая цепь должна быть замкнутой. Если же где-то
появится обрыв, то ток в цепи прекратится. На этом основано действие кнопок,
рубильников, ключей и других устройств, позволяющих включать и выключать в цепи
ток. Некоторые из этих выключателей, применяемые в школьных опытах, показаны на
рисунке 23. На рисунке 24 изображен клавишный выключатель, используемый в
помещениях для замыкания и размыкания скрытой электропроводки.
Для подключения электрооборудования или бытовой техники к сети используют
специальные соединители, например штепсельные розетку (рис.25, а) и вилку (рис.25,
б).
При замыкании цепи электрическое поле источника со скоростью 300 000 км/с
распространяется вдоль проводников, и свободные заряженные частицы в них
практически одновременно приходят в упорядоченное движение - в цепи появляется
ток.
За направление тока в цепи принимают то направление, в котором должны были бы
двигаться по цепи положительные заряды, т. е. направление от положительного
полюса источника тока к отрицательному. Такое соглашение было принято в первой
половине XIX в. и с тех пор учитывается во всех правилах и законах теории
электрического тока.
В металлических проводниках ток создается отрицательно заряженными частицами
(электронами), которые движутся по цепи от отрицательного полюса источника к
положительному. Направление тока и направление движения носителей тока в этом
случае противоположны.
В растворах кислот, солей и щелочей (электролитах) носителями тока являются
положительные и отрицательные ионы. Первые из них движутся в направлении от «+»
источника к его «-», вторые - от «-» к «+».
Чертежи, на которых изображают электрические цепи, называют схемами. Каждый
элемент цепи на схемах обозначают специальным условным знаком. Некоторые из
этих условных обозначений приведены в таблице 2 и на форзаце.
Таблица 2
Примеры электрических схем представлены на рисунке 26. На каждой из этих схем две
лампы. Однако способ их включения различен. Соединение ламп, изображенное на
рисунке 26, а, называют последовательным, а соединение ламп, изображен¬ное на
рисунке 26, б,- параллельным.
Электропроводность материалов: проводники, полупроводники, диэлектрики.
Все вещества состоят из атомов и молекул, имеющих положительно заряженные ядра
и отрицательно заряженные электроны. Атомы и молекулы электрически нейтральны,
так как заряд ядра равен суммарному заряду
электронов, окружающих ядро. При наличии внешних факторов (повышение
температуры, электрическое поле и т.д.) атом или молекула теряет электрон. Этот
атом превращается в положительный ион, а электрон, оторвавшийся от атома, может
присоединиться к другому атому, превратив его в отрицательный ион, остаться
свободным. Процесс образования ионов называют ионизацией. Количество свободных
электронов или ионов в единице объема вещества называется концентрацией
заряженных частиц. Таким образом, в веществе, которую поместили в электрическое
поле, под действием сил поля возникает процесс движения свободных электронов или
ионов в направлении сил поля, назвали электрическим током.
Свойство вещества проводить ток под действием электрического поля называется
электропроводностью вещества, которая зависит от концентрации свободных
электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация заряженных частиц, тем
больше электропроводность вещества. Все вещества в зависимости от
электропроводности делятся на:
1. Проводник. Обладают очень большой электропроводностью. Проводники делятся на
две группы. К проводникам первой группе относятся металлы (медь, алюминий,
серебро и т.д.) и их сплавы, в которых возможно перемещение только электронов. То
есть в металлах электроны очень слабо связаны с ядрами атомов и легко от них
отделяются. В металлах явление электрического тока связано с движением свободных
электронов, которые обладают очень большой подвижностью и находятся в состоянии
теплового движения. Эту электропроводность называют электронной. Проводники
используются для изготовления проводов, ЛЭП, обмоток электрических машин и т.п.. К
проводникам второй группе относятся водные растворы солей, кислот и т.д., которые
называют электролитами. Под действием раствора молекулы вещества распадаются
на положительные и отрицательные ионы, которые под действием электрического поля
начнут перемещаться. Ионы электролита при прохождении тока начнут осаждатися на
электродах, опущенных в электролит. Процесс выделения вещества из электролитов
электрическим током называется электролизом. Его используют для добычи цветных
металлов из растворов их соединений (медь, алюминий), а также для покрытия
металлов защитным слоем другого металла (например, хромирование).
2. Диэлектрики (или электроизоляционные вещества). Вещества с очень малой
электропроводностью (газы, резиновые вещества, минеральные масла и т.п.). В этих
веществах электроны очень сильно связаны с ядрами атомов и под действием
электрического поля редко отделяются от ядер. Т.е. диэлектрики не проводят
электрический ток. Это их свойство используют при производстве электрозащитных
средств: диэлектрические перчатки, обувь, коврики, изолирующие подставки, накладки,
колпаки, изоляторы на электрооборудовании и т.п..
Диэлектрики могут быть: твердые, газообразные, жидкости.
3. Полупроводниковые (германий, селен, кремний). Это вещества, которые кроме
электронной проводимости, имеют «дырочную» проводимость, которая в большой
степени зависит от наличия внешних факторов: света, температуры, электрического
или магнитного поля. Эти вещества имеют ковалентную связь (- это химическая связь
между двумя электронами соседних атомов на одной орбите). Ковалентная связь
очень непрочен. При наличии внешнего фактора он разрушается и появляются
свободные электроны (электронная проводимость). В момент образования свободного
электрона в ковалентной связи появляется свободный город - «электрона дыра»
(эквивалентная протона), которая притягивает к себе электрон из соседнего
ковалентной связи. Но тогда образуется новая «дыра», которая вновь притягивает к
себе электрон из соседнего ковалентной связи и так далее. Т.е. под действием
электрического поля перемещаются «дыры» в направлении поля (навстречу
электронам) - движение протонов. Таким образом, при электронной проводимости электрон проходит весь путь, а при «дырочной» - электроны поочередно замещаются
по связям, каждый электрон проходит долю пути. При нарушении связей в
полупроводниках одновременно возникает одинаковое количество электронов и
«дырок». То есть, проводимость состоит из электронной и «дырочной» и называется
собственной проводимостью полупроводника. Свойства полупроводников возможно
изменить, если в них внести примеси других веществ. Тем самым увеличить ту или
иную проводимость. Это используется в промышленной электронике: диоды,
транзисторы, тиристоры. Используют, как усилители, выпрямители, электронные
генераторы, стабилизаторы и тому подобное. Их преимущества: малая потеря энергии,
стоимость, размер и масса, простота эксплуатации, большой срок работы. Недостаток:
зависимость проводимости от температуры.
Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под
действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по
металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы
металла не принимают участия в переносе электрического заряда.
Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было
получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные
результаты (1913 г.) принадлежат русским физикам Л. И. Мандельштаму и Н. Д.
Папалекси. В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт
усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения,
неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен
движением электронов.
Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рис. 1.12.1. Катушка с большим числом
витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы
катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному
баллистическому гальванометру Г. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи
возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный
заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.
Гальванические элементы и их батареи
Гальванический элемент – это химический источник электрического тока, основанный
на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, названный в честь
итальянского учёного Луиджи Гальвани.
Самый первый гальванический элемент (химический источник тока) был изобретён
итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году (см. рисунок). Это был сосуд с
солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, между которыми
возникало напряжение около 1 В, если пользоваться современными терминами
(поскольку в то время напряжение ещё не умели измерять). Электрод, приобретающий
«–» заряд, называется анодом, а приобретающий «+» заряд, называется катодом.
Позднее учёный собрал батарею из медно-цинковых элементов, которая впоследствии
была названа Вольтовым столбом (см. рисунок). Он представлял собой несколько
десяткой цинковых и медных кружков, сложенных попарно и разделённых сукном,
пропитанным кислотой. Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в
своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров
сконструировал гигантскую батарею из 2100 элементов, которая создавала
напряжение около 2500 вольт и использовалась для получения мощной электрической
дуги, которая создавала столь высокую температуру, что могла плавить металлы.
Существуют гальванические элементы и других конструкций. Рассмотрим ещё один
медно-цинковый гальванический элемент, но работающий за счет энергии химической
реакции между цинком и раствором сульфата меди (элемент Якоби-Даниэля). Этот
элемент состоит из медной пластины, погруженной в раствор сульфата меди, и
цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка (см. рисунок). Оба
раствора соприкасаются друг с другом, но для предупреждения смешивания они
разделены перегородкой-мембраной, изготовленной из пористого материала.
Ещё одна разновидность гальванических элементов – так называемые «сухие»
марганец-цинковые элементы Лекланше (см. рисунок). Вместо жидкого электролита в
таком элементе используется гелеобразная паста из нашатыря и крахмала. Чтобы
влага испарялась как можно меньше, верх такого элемента заливается воском или
смолой с небольшим отверстием для выхода газов. Обычно элементы Лекланше
изготавливаются в цилиндрических стаканчиках, которые одновременно служат и
отрицательным электродом и сосудом.
Все химические источники тока (гальванические элементы и батареи из них) делятся
на две группы – первичные (одноразовые) и вторичные (многоразовые или
обратимые). В первичных источниках тока (в просторечии – батарейках) химические
процессы протекают необратимо, поэтому их заряд нельзя восстановить. К вторичным
химическим источникам тока относят аккумуляторы, их заряд можно восстановить. Для
широко распространённых аккумуляторов цикл заряд-разряд можно повторять около
1000 раз.
Учить § 5 – 8 «Физика 9 класс» Ф.Я. Божинова http://pidruchnyk.com.ua/354-fizikabozhinova-kryuhn-9-klas.html