Движение электронов. Соотношение между током и напряжением

Электрический ток обусловлен движением электрических зарядов. Когда электрическая лампа, соединенная с батареей, включена, ток течет по проводу от одного полюса батареи к лампе, затем через ее волосок, вызывая его свечение, и возвращается назад по второму проводу к другому полюсу батареи. Если выключатель повернуть, то цепь разомкнется-движение тока прекратится и лампа погаснет.

Металл является хорошим проводником электрического тока, потому что его атомы (1) легко отдают внешние электроны (А). Электрический ток протекает, если «свободные» электроны движутся в каком-либо определенном направлении (Б). Такое движение может быть вызвано напряжением (3), создаваемым, скажем, батареей. В термопаре (В) разность температур на стыке двух участков цепи, сделанных из разных металлов, создает ток (4), величина которого пропорциональна разности температур. В термоэлектрической батарее (Г) для повышения напряжения в цепи несколько термопар соединены последовательно

Движение электронов. Ток в большинстве случаев представляет собой упорядоченное движение электронов в металле, служащем проводником. Во всех проводниках и некоторых других веществах всегда происходит какое- то случайное движение электронов, даже если ток не протекает. Электроны в веществе могут быть относительно свободны или сильно связаны. Хорошие проводники имеют свободные электроны, способные перемещаться, тогда как в плохих проводниках, или изоляторах, большинство электронов достаточно прочно связано с атомами, что препятствует их движению. Иногда естественным или искусственным путем в проводнике создается движение электронов в определенном направлении; этот поток и называют электрическим током. Он измеряется ь амперах (А). Носителями тока могут служить также ионы (в газах или растворах) и «дырки» (нехватка электронов в некоторых видах полупроводников; дырки ведут себя как положительно заряженные носители электрического тока).

Чтобы заставить электроны двигаться в определенном направлении, необходима некая сила. В природе ее источниками могут быть воздействие солнечного света, магнитные эффекты и химические реакции. Некоторые из них используются для получения электрического тока. Обычно для этой цели служат генератор, использующий магнитные эффекты, и элемент (иначе, батарея), действие которого обусловлено химическими реакциями. Оба устройства, создавая электродвижущую силу (эдс), заставляют электроны двигаться в одном направлении по цепи. Величина эдс измеряется в вольтах (В). Величина эдс и сила тока связаны между собой, как давление и поток в жидкости. Водопроводные трубы всегда заполнены водой под определенным давлением, но вода начинает течь, только когда открывают кран.

Аналогично электрическая цепь может быть соединена с источником эдс, но ток в ней не потечет до тех пор, пока не будет создан путь, по которому могут двигаться электроны. Им может быть, скажем, электрическая лампа или пылесос; выключатель здесь играет роль крана, «выпускающего» ток.

Для предотвращения слишком высоких токов наряду с плавкими предохранителями или вместо них применяются автоматические выключатели. Когда достаточно большой ток течет через катушку, создаваемое им магнитное поле действует на задвижку (2), заставляя подниматься пружинный контакт (3). При этом ток прерывается, что и предохраняет цепь, имеющую выключатель. Ток в цепи не потечет, пока выключатель не будет включен снова. Это достигается нажатием кнопки (5). Для проверки выключателя или управления им вручную используется кнопка (4).

Газоразрядная лампа создает свет за счет энергетических изменений в атомах газа (А). Анод и катод притягивают электроны и положительные ионы соответственно. Уменьшение давления (Б) ускоряет этот процесс. Ударяясь о катод (В), ионы выбивают из него электроны, которые летят к аноду, сталкиваясь по дороге с атомами газа. Атомы поглощают энергию, а затем через некоторое время освобождают ее в виде света (Г).

Соотношение между током н напряжением. По мере роста напряжения в цепи растет и ток. Электрические цепи состоят из нескольких различных участков: обычно это выключатель, проводники и прибор-потребитель электричества. Все они, соединенные вместе, создают сопротивление электрическому току, которое (при условии постоянства температуры) для этих компонентов не изменяется со временем, но для каждого из них различно. Поэтому, если одно и то же напряжение приложить к лампочке и к утюгу, то поток электронов в каждом из приборов будет различен, поскольку различны их сопротивления. Следовательно, сила тока, протекающего через определенный участок цепи, определяется не только напряжением, но и сопротивлением проводников и приборов. Величина электрического сопротивления измеряется в омах (Ом). Для любого проводника или системы проводников и приборов соотношение между напряжением, током и сопротивлением за дается формулой: напряжение = ток х сопротивление. Это-математическое выражение закона Ома, названного так в честь Георга Ома (1787-1854), который первым установил взаимосвязь этих трех параметров.

Сопротивление проводника зависит от его размеров и материала, из которого он сделан. С ростом сечения проводника сопротивление падает, а с увеличением длины - растет. Длинный тонкий проводник, следовательно, обладает большим сопротивлением, чем толстый и короткий (при одинаковых объеме и материале). Серебро имеет меньшее сопротивление, чем медь, тогда как сопротивление алюминия и железа больше, чем у меди.

Ток течет с одинаковой скоростью во всех точках цепи в любой момент времени. Согласно договоренности, принятой задолго до того, как природа электричества была выяснена, постоянный ток (он создается батареей или генератором) течет в цепи от положительного полюса источника к отрицательному. На самом же деле электроны движутся от отрицательного полюса к положительному, т. е. в направлении, противоположном принятому направлению тока.

Некоторые кристаллы в том числе кварц и сапфир, представляют собой своего рода «электрические элементы» в состоянии неустойчивого электрического равновесия (А). При приложении к кристаллу переменного напряжения равновесие нарушается, что заставляет кристалл колебаться, испуская звук, -обычно под некоторым определенным углом к направлению приложенного напряжения (Б).

И наоборот, когда такой кристалл колеблется, он генерирует напряжение. Это явление, называемое пьезоэлектрическим эффектом, находит применение в звукоснимателях (В) и кристаллических микрофонах. В звукоснимателе движение иглы по звуковой дорожке заставляют быстро вибрировать пьезоэлектрический кристалл. В кристаллическом микрофоне звуковые волны заставляют колебаться диафрагму, связанную с кристаллом; генерируемый при этом ток после усиления подается на магнитофон или в звуковую систему. Как правило, такие кристаллы особо чувствительны только к определенной частоте, зависящей от их размеров. В радиопередатчиках это свойство используется для стабилизации частоты (Г). Колебания в кварцевых кристаллах можно поддерживать почти неограниченное время. Эти кристаллы установлены в кварцевых часах, «уход» которых не превышает нескольких секунд за несколько лет

Тепло, возникающее при прохождении электрического тока, служит источником света в так называемой лампе накаливания. Поскольку проволочка (2) находится в вакууме или инертном газе (1), она не окисляется при прохождении по ней тока. Она сделана из вольфрамового сплава, обладающего высокой механической и термической прочностью. Хотя проволочка очень тонка, под воздействием тока достаточной силы она раскаляется добела и светится. Проволочка поддерживается двумя стеклянными колонками, в которых проходят соединительные провода. Вся конструкция заключена в тонкую стеклянную оболочку (4). В лампе накаливания в световую энергию превращается только около 2% электрической энергии

На тепловом действии электрического тока основана работа плавкого предохранителя: тонкая проволочка плавится при прохождении по ней чрезмерного тока, и электрическая цепь размыкается.

Элемент Лекланше (А) состоит из кожуха (1), в который помещена банка с пористыми стенками (2), содержащая пасту двуокиси марганца и угольные гранулы (3); в центре банки проходит угольный стержень (4). Сверху банка запечатана смолой (5). Цинковый стержень (6) помещен в раствор хлорида аммония (7) и соединен с угольным стержнем цепью с лампочкой (8). Цинк переходит в раствор, создавая электродвижущую силу. Ионы аммония мигрируют к угольному аноду. В сухих элементах для карманного фонарика (Б и В) используются элементы типа элементов Лекланше, содержащие влажную пасту

Действие электрического тока. Электрический ток обычно оказывает действия трех видов (благодаря которым его и можно обнаружить): тепловое, химическое и магнитное. Тепловое действие тока используется для получения электрического света, приготовления пищи и в промышленных печах. Создаваемое током тепло может быть и нежелательным: например, большие кабели, несущие ток в тысячи ампер, приходится охлаждать, чтобы выделяющееся тепло не расплавило изоляцию или даже сам провод.

12-вольтовый автомобильный аккумулятор состоит из шести 2-вольтовых элементов, соединенных последовательно. Элементы имеют аноды из окиси свинца (коричневые) и катоды из пористого свинца (серые), погруженные в серную кислоту. Если электроды соединить проводником, по нему потечет ток. При протекании через батарею тока в результате реакции с серной кислотой на аноде образуется сернокислый свинец, что уменьшает концентрацию кислоты. При перезарядке процесс вдет в обратном порядке. Элементы помещены в футляр из прочной резины и связаны между собой свинцовыми пластинками.

Химическое действие тока используется в гальванотехнике, а также как способ накопления энергии в аккумуляторах, самыми распространенными из которых являются свинцовые аккумуляторы. На магнитном действии тока основана работа электромоторов, электромагнитов и многих других устройств.