Электрическая цепь. Электрический ток в металлах

На прошлом уроке мы с вами говорили об электрическом токе и источниках тока. Давайте с вами вспомним, что электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц.

Также мы узнали, что для создания и поддержания тока в цепи необходимы источники тока.

Но что же такое электрическая цепь? И если это цепь, то из каких звеньев она состоит?

Электрическая цепь — это совокупность устройств и элементов, предназначенных для протекания электрического тока.

Любая электрическая цепь содержит:

1)    источник тока, создающий необходимое напряжение;

2)    нагрузку, то есть то устройство, в котором нужно создать ток. Нагрузкой может быть нагреватель или лампа накаливания, электродвигатель или звонок, различные электробытовые приборы.

Звеньями же цепи являются соединительные провода и ключ, служащий для удобства и безопасности работы.

В качестве примера рассмотрим простейшую электрическую цепь. Она состоит из источника тока, ключа, который может замыкать и размыкать цепь, лампочки и соединительных проводов. Лампочка загорается только тогда, когда ключ замкнут.

Посмотрите ещё раз на рисунок электрической цепи. Если каждый раз её зарисовывать, то работа будет слишком долгой и трудоёмкой. Поэтому ввели условные обозначения для основных звеньев электрических цепей.

Чертежи, на которых в условных обозначениях изображены соединения электрических приборов, называют схемами.

На рисунке вы видите простейшую электрическую цепь и её схему. Сравните их.

Мы уже долгое время говорим об электрическом токе, но так и не выяснили, каково его направление в электрической цепи.

За направление электрического тока в цепи принято направление, в котором движутся (или могли бы двигаться) в проводнике положительные заряды, т. е. от положительного полюса источника к отрицательному.

Это соглашение было принято условно ещё в девятнадцатом веке, когда ещё не до конца понимали природу электрического тока и считали, что перемещаться могут только положительные заряды.

Конечно, после открытия электрона, который в большинстве случаев является носителем тока, стало понятно, что выбор был сделан неудачно, но старую договорённость менять не стали.

Мы уже знаем, что электрический ток может протекать через различные вещества: металлы, электролиты, и, при определённых условиях, через газы. Как уже говорилось, для возникновения электрического тока в любом веществе необходимо, чтобы там имелись носители зарядов, которые смогут перемещаться под действием электрического поля.

Так, например, в металлах носителями свободных зарядов являются электроны. Вы знаете, что все металлы в твёрдом состоянии обладают определённой кристаллической структурой. Поэтому всякий металл надо рассматривать как пространственную кристаллическую решётку, в узлах которой расположены положительные ионы. В пространстве же между ионами хаотично движутся свободные электроны, совокупность которых называют электронным газом.

Вследствие беспорядочного характера движения электронов переноса электрического заряда в каком-либо определённом направлении не получается. Но если внутри металла создать электрическое поле, то под влиянием его сил все свободные электроны придут в упорядоченное движение в направлении действия этих сил.

Однако неправильно думать, что электроны начнут двигаться прямолинейно. Траектория их движения также останется сложной, из-за взаимодействия с другими частицами. Движение электронов в этом случае напоминает дрейф льдин во время ледохода, когда они, двигаясь беспорядочно и сталкиваясь друг с другом, дрейфуют по течению реки.

А нельзя ли непосредственно на опыте проверить, что электрический ток в металле представляет собой поток электронов?

Конечно же можно. Идея одного такого опыта заключается в следующем. Если начать очень быстро вращать кусок металла, то увлечённый кристаллической решёткой электронный газ будет вместе с ним вращаться (на подобие жидкости во вращающемся сосуде). При внезапной остановке куска металла электронный газ должен некоторое время продолжать движение по инерции, подобно тому, как продолжает ещё вращаться жидкость в сосуде после его остановки. Задача заключалась в том, чтобы найти способ обнаружить это инерционное движение электронов.

И она была решена в1913 г. русскими физиками Леонидом Исааковичем Мандельштамом и Николаем Дмитриевичем Папалекси, а также в 1916 г. американскими учёными Ричардом Толменом и Томасом Стюартом. Опыт был проведён следующим образом. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы проволоки посредством гибких проводников соединялись с чувствительным прибором — гальванометром, который позволяет судить о наличии тока.

При резком торможении катушки в течение долей секунды гальванометр обнаруживал ток. Причём направление этого тока, а о нём судили по направлению отклонения стрелки гальванометра, показывало, что он вызван движением отрицательно заряженных частичек, то есть электронов.

Таким образом удалось доказать, что электрический ток в металлах представляет собой направленное движение электронов. Но скорость этого движения мала — всего то несколько миллиметров в секунду, что в сотни миллионов раз меньше, чем средняя скорость теплового движения электронов. Поэтому, например, за 2 ч упорядоченного движения, электрон пройдёт менее 5 м.

Хотя мы знаем, что как только мы повернём выключатель, лампа, находящаяся в нескольких метрах от него, моментально загорается. Поэтому помните: скорость распространения тока и скорость направленного движения электронов — это не одно и то же.

Когда говорят о скорости протекания тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения электрического поля внутри проводника, которое и приводит в направленное движение электроны. А оно распространяется со скоростью около 300 000 км/с, то есть со скоростью света.

Нечто аналогичное мы имеем в явлении движения газа в газопроводах. Например, когда в саратовском конце газопровода Москва — Саратов, наполненного газом, поднимается давление, то оно со скоростью звука в газе (а это около 500 м/с) распространяется по трубам и быстро передаётся в Москву.

Но газ, находящийся в данный момент под Саратовом, попадёт в Москву гораздо позже, так как скорость его движения по трубам значительно меньше скорости передачи давления.