Постоянный электрический ток. Сила тока. Напряжение

Выражение «электрический ток» довольно часто используется в повседневной жизни. Например, когда зажигается лампочка, то говорят, что по её спирали проходит электрический ток. При нагревании воды в электрическом чайнике или нагревании электроплиты говорят, что по их нагревательным элементам также проходит электрический ток.

Давайте с вами вспомним, что термин «электрический ток» а также выбор направления тока были предложены французским учёным Андре Мари Ампером в 1820 году. Электрическим током он назвал упорядоченное движение заряженных частиц.

Из определения следует, что не всякое движение заряженных частиц является электрическим током. Например, в металлах свободными носителями зарядов являются электроны, которые при нормальных условиях участвуют только в тепловом движении. Но если заставить двигаться эти электроны в каком-либо направлении, то в этом проводнике возник электрический ток. Но как это сделать?

С самым простым случаем возникновения электрического тока в проводнике мы уже встречались. Вспомните опыт с заряженным и незаряженным электрометрами. Достаточно соединить их проводником, и заряды начнут перетекать с заряженного тела на незаряженное, то есть начнётся упорядоченное движение заряженных частиц. А как только заряды на обоих шарах станут равными, ток прекратится.

В общем же случае, чтобы в проводнике возник электрический ток, в нём необходимо создать электрическое поле. Тогда заряженные частицы под действием сил поля придут в движение в направлении действия сил, и, следовательно, в проводнике возникнет электрический ток. И он будет существовать так долго, как долго будет действовать электрическое поле на заряженные частицы.

Таким образом, для того чтобы в теле существовал электрический ток, необходимо: во-первых, наличие свободных носителей зарядов, и, во-вторых, наличие электрического поля, под действием которого свободные заряды приходят в упорядоченное движение. Но чтобы электрический ток не прекращался, нужно поддерживать электрическое поле. А для этого предназначены источники тока (также их называют электрическими генераторами или гальваническими элементами). Они могут различную конструкцию. Но во всех них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц.

Эти разделённые частицы накапливаются на полюсах источника тока. Соответственно, один полюс заряжается положительно, а другой — отрицательно. Между полюсами источника образуется электрическое поле, и если соединить их проводником, то поле возникнет и в проводнике. Под действием этого поля свободные электроны, находящиеся в проводнике, начнут направленно двигаться, и в проводнике возникнет электрический ток.

Таким образом, в любом источнике тока в процессе работы по разделению зарядов совершается работа. При этом различные виды энергии (а это может быть, например, механическая, химическая или внутренняя энергия) превращаются в электрическую.

Как мы упоминали в начале урока, определение направления тока было предложено Андре Мари Ампером в 1820 году, когда ещё не до конца была известна природа электрического тока. Ампер, как и многие другие учёные того времени, считали, что перемещаться могут только положительные заряды. Поэтому он предложил за направление электрического тока в цепи считать направление, в котором движутся (или могли бы двигаться) в проводнике положительные заряды.

Когда же было установлено, что в большинстве случаев носителем тока являются электроны (то есть отрицательно заряженные частицы), стало понятно, что выбор был сделан неудачно. Однако к этому определению настолько привыкли, что старую договорённость менять не стали.

Конечно же движение зарядов в проводнике мы не можем увидеть в силу их микроскопических размеров. Но о наличии тока в проводнике мы можем судить по некоторым очень важным физическим явлениям, которые с большой пользой применяются в практической жизни. Эти явления называют действиями электрического тока. К числу самых очевидных принадлежат:

Тепловое.

Химическое.

И магнитное действие тока.

Тепловое действие тока проявляется в том, что среда, в которой протекает ток, нагревается. Именно это действие тока человек давно и успешно использует в разного рода нагревательных приборах (утюгах, чайниках, плитах и кофеварках).

Проявлением теплового действия тока в газах является обычная молния.

А тепловое действие тока в жидкостях можно пронаблюдать на таком опыте. Возьмём два угольных электрода и опустим их в сосуд с раствором медного купороса. Подключив электроды к источнику тока, дающем небольшое напряжение, уже через несколько секунд мы заметим, как термометр начнёт фиксировать повышение температуры раствора.

Но посмотрите. На электроде, соединённом с отрицательным полюсом источника, хорошо заметен красный налёт. Это — чистая медь, которая выделилась из сложного соединения в результате электролиза. Электролиз — это проявление химического действия тока.

Химическое действие ток может производить и в газах. Именно благодаря этому нидерландский физик Мартин Ван Марум открыл озон — особую форму кислорода, молекулы которого состоят из трёх атомов.

Но вот в твёрдых телах, (в которых атомы, молекулы и ионы весьма жёстко связаны друг с другом и ограничены в своих движениях), химические изменения обычно не происходят.

Единственное действие тока, которое проявляется у всех без исключения проводников — это магнитное действие. Его случайно открыл датский физик Ханс Эрстед. На одной из лекций он демонстрировал студентам нагрев проволоки электричеством от вольтова столба. Когда учёный замкнул цепь кто-то из студентов заметил, что магнитная стрелка компаса, лежащего на столе, отклонилась в сторону, тем самым фиксируя наличие магнитного поля.

Выделяют также и световое действие тока. В простейшем виде световое действие электрического тока можно наблюдать в лампе накаливания, спираль которой разогревается проходящим через неё током до белого каления и излучает свет.

Как было отмечено выше, каждый проводник, по которому течёт электрический ток, образует вокруг себя магнитное поле. Магнитные действия можно превратить в движение. Это широко используется, например, в электродвигателях, в магнитных подъёмных устройствах, в магнитных реле и так далее. В этом проявляется механическое действие электрического тока.

А на самой ранней стадии развития науки об электричестве единственным действием тока, о котором было известно учёным, являлось физиологическое действие. Оно было основано на собственных ощущениях экспериментаторов.

А одним из первых, кто ощутил на себе это действие тока, был голландский физик Питер Мушенбрук — создатель лейденской банки. Получив удар током от своего изобретения, он заявил, что «не согласился бы подвергнуться ещё раз такому испытанию даже за королевский трон Франции».

Важнейшей характеристикой электрического тока, от которой зависит эффективность его действий, является сила тока.

Сила тока — это скалярная физическая величина, численно равная электрическому заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за единицу времени:

Прибор, с помощью которого измеряют силу тока в цепи, называют амперметром. Его работа основана на магнитном действии тока. Чем больше сила тока, проходящего по катушке, тем сильнее она взаимодействует с магнитом, тем больше угол поворота стрелки прибора. Поскольку с помощью амперметра измеряют силу тока, то он устроен так, чтобы включение его в цепь практически не влияло на силу тока в цепи.

Амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить.

Обратите внимание и на то, что у каждой клеммы прибора стоит свой знак: или «плюс», или «минус». Это значит, что клемму со знаком «плюс» надо обязательно соединить с проводом, идущим от положительного полюса источника тока, а клемму со знаком «минус» — с отрицательным.

Важной особенностью силы тока является то, что сила тока во всех участках проводника, по которому протекает электрический ток, одинакова, так как заряд нигде ни в какой части проводника не скапливается. То есть, если в начале проводника, сила тока равна одному амперу, то и в любом поперечном сечении проводника, и в конце его она тоже обязательно один ампер. Если же цепь состоит из нескольких последовательно соединённых проводников или приборов, то амперметр будет показывать во всех точках цепи одно и то же значение силы тока.

Итак, мы уже с вами выяснили, что для существования электрического тока в цепи необходимо наличие электрического поля, под действием которого свободные заряды приходит в упорядоченное движение. При этом говорят, что электрическое поле совершает работу. Для характеристики работы электрического поля была введена величина, называемая электрическим напряжением.

Электрическое напряжение — это скалярная физическая величина, равная работе электрического поля по перемещению единичного заряда из одной точки поля в другую:

А единицей напряжения в СИ является вольт. Один вольт — это напряжение между такими двумя точками электрического поля, при переносе между которыми заряда в один кулон совершается работа один джоуль:

Напомним, что для измерения напряжения в цепи служит прибор, называемый вольтметром. Так же как и у амперметра, у одного зажима вольтметра стоит знак «плюс», а у другого — «минус». Поэтому нужно обязательно следить за правильным включением вольтметра в электрическую цепь. Кроме того, необходимо помнить о том, что вольтметр подключается параллельно с тем прибором, напряжение на котором требуется измерить.