Личный кабинет Выйти Войти Регистрация
Уроки
Математика Алгебра Геометрия Физика Всеобщая история Русский язык Английский язык География Биология Обществознание История России ОГЭ
Тренажёры
Математика ЕГЭ Тренажёры для мозга

Электрический ток. Источники электрического тока

Содержание

    В рассмотренных нами электрических явлениях мы все время наблюдали перемещение электрических зарядов. Из механики вы знаете, что, если есть какое-то перемещение, то совершается работа.

    Какая же работа совершается при движении электрических зарядов? Лампочки в наших домах и квартирах, все электроприборы, которыми мы ежедневно пользуемся — все это и есть следствие совершения электрическим полем работы по перемещению зарядов.

    Тут же возникает следующий логичный вопрос. Как же эти заряды перемещаются? Что заставляет их двигаться? Вы все слышали об электрическом токе, но еще не заглядывали внутрь этого явления с помощью инструментов физики.

    На данном уроке вы узнаете, что именно называют электрическим током и как его получают.

    Электрический ток

    Само слово «ток» подразумевает под собой движение.

    В некоторых телах (проводниках) есть свободные электроны, которые могут переносить электрический заряд. Этот заряд будет отрицательный, ведь электроны именно таким и обладают.

    А есть ли еще какие-то частицы в телах, способные переносить заряд? Оказывается, что есть.

    Если обычные атомы электрически нейтральны, то ионы обладают некоторым зарядом. Он может быть как отрицательным, так и положительным. Эти частицы крупнее электронов, но тоже могут переносить электрический заряд.

    Значит, электроны или ионы могут как-то перемещаться в проводниках. Отсюда и следует определение электрического тока (рисунок 1).

    Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

    Рисунок 1. Движение заряженных частиц в проводниках

    Обратите внимание, что это движение направленное, а не беспорядочное. Когда мы говорим, что по телу идет ток, мы подразумеваем определенное его направление. О том, какое же это направление мы поговорим в отдельном уроке.

    Получение электрического тока

    Электрический ток не может возникнуть сам по себе. Что же нужно создать в проводнике, чтобы в нём возник и существовал ток?

    Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нем электрическое поле.

    При появлении электрического поля, возникнут и электрические силы. Они приведут в движение заряженные частицы. Именно так и возникает электрический ток.

    Хорошо, вот создали мы электрическое поле, появился ток. Логично предположить, что если электрическое поле исчезнет, то исчезнет и ток.

    Значит, для более длительного существования тока нам необходимо поддерживать постоянное существование электрического поля.

    Источники электрического тока

    Электрическое поле создается и поддерживается источниками электрического тока.

    Они могут быть самыми разными. Но объединяет их одно: в них разделяются положительно и отрицательно заряженные частицы.

    При таком разделении у источников тока образуются два полюса. На одном скапливаются положительные заряды, а на другом — отрицательные. Создается электрическое поле.

    В итоге, один полюс источника тока всегда будет заряжен положительно, а другой — отрицательно.

    К этим полюсам с помощью специальных клемм или зажимов и подсоединяется проводник. Под действием электрического поля источника тока свободные заряженные частицы в проводнике приходят в движение. Так и возникает электрический ток.

    Используя простой набор предметов, вы можете самостоятельно создать источник электрического тока. Пусть и слабый, но все же. Например, для этого сгодится даже обычный лимон (рисунок 2). 

    Рисунок 2. Источник тока из лимона

    Для этого нам понадобятся два стержня: железный и медный. Воткнем их в лимон и соединим проводником. В нем возникнет электрический ток.

    Это означает, что сок лимона вступает в химические связи с пластинами, провоцируя разделение зарядов. Подключив к этой системе прибор для измерения характеристик тока, мы только удостоверимся, что создали источник тока из подручных материалов.

    Превращение механической энергии в электрическую

    Чтобы разделить заряженные частицы в приборе, который станет источником тока, нужно совершить какую-то работу. В ходе этой работы происходит превращение какой-то энергии в электрическую энергию.

    Но энергия не может возникнуть из ниоткуда. Значит, и сам источник тока требует какой-то энергии.

    Например, на гидроэлектростанции происходит превращение механической энергии течения воды в электроэнергию (рисунок 3).

    Рисунок 3. Преобразование механической энергии течения воды в электрическую

    Строится плотина и водохранилище. Вода из него под действием силы тяжести течет вниз. Тем самым она вращает гидротурбину. К гидротурбине подсоединено такое устройство, как электрогенератор (о нем подробнее в конце урока). От него уже и выходит электрическая энергия. Ток течет по проводам и поступает к нам домой.

    Рассмотрим еще один пример, в котором механическая энергия превращается в электрическую.

    Так происходит в устройстве, которое называется электрофорной машиной (рисунок 4).

    Она состоит из двух пластмассовых дисков 1. Между ними есть небольшое расстояние. Вращая ручку, находящуюся на задней поверхности машины, мы приведем в движение два диска. Они будут вращаться в разные стороны.

    Рисунок 4. Электрофорная машина

    В результате, они электризуются благодаря трению о ту небольшую воздушную прослойку между ними. Заряды же накапливаются в лейденских банках 2. Оттуда они передаются на кондукторы 3

    В итоге, на одном кондукторе образуется положительный заряд, а на другом — отрицательный. В какой-то момент при их сближении появляется кратковременный ток в виде электрического разряда, который выглядит как маленькая молния.

    Так механическая энергия вращения ручки машины перешла в электрическую.

    Превращение внутренней энергии в электрическую

    Теперь рассмотрим превращение внутренней энергии в электрическую. Для этого возьмем две проволоки и спаяем их друг с другом. А затем нагреем это место спая (рисунок 5).

    Рисунок 5. Превращение внутренней энергии в электрическую

    В результате этого нагрева в проволоке возникнет электрический ток. Прибор, соединенный с нашей проволокой называется гальванометром. Принцип его работы мы рассмотрим позже, а пока будем использовать это устройства для определения наличия электрического тока в проводнике. Стрелка отклонилась — ток есть, стрелка осталась на месте — тока нет.

    Такой источник тока, состоящий из нагревателя и самого место спая проволок из разных металлов называют термоэлементом.

    В термоэлементах внутренняя энергия превращается в электрическую.

    Превращение энергии излучения в электрическую

    Рассмотрим еще одно интересное превращение энергий. Возьмем пластину из кремния (или оксида меди, селена). Направим на нее включенную лампу (рисунок 6).

    Рисунок 6. Превращение энергии излучения в электрическую

    Опять мы увидим, что по проводнику течет ток. При этом у пластины происходит потеря отрицательного электрического заряда, она теряет электроны.

    Так энергия излучения (свет от лампы) переходит в электрическую. Это явление называется фотоэффектом, а такой источник тока — фотоэлементом.

    Термоэлементы и фотоэлементы вы более подробно изучите в старших классах. 

    Гальванический элемент

    Одним из самых распространенных источников тока является гальванический элемент. Его же мы и будем использовать в различных опытах. Поэтому мы рассмотрим его более подробно.

    Что такое гальванический элемент простыми словами? Это всем нам хорошо известная батарейка.

    Заглянем внутрь нее (рисунок 7), чтобы разобраться, как она работает.

    Рисунок 7. Гальванический элемент

    Этот элемент в своей основе (рисунок 7, б) представляет собой цинковый корпус 2, внутри которого находится угольный стержень 3. На верхнем конце этого стержня находится металлическая крышка 1.

    Стержень окружен смесью 4 оксида марганца (IV) $MnO_2$ и измельченного углерода $C$. Между этой смесью и самим корпусом находится желеобразный раствор соли 5 (хлорида аммония $NH_4Cl$).

    В чем же суть? Дело в том, что цинк $Zn$, из которого состоит корпус, взаимодействует с хлоридом аммония $NH_4Cl$. Идет химическая реакция. Цинковый сосуд приобретает отрицательный заряд.

    А вот оксид марганца имеет положительный заряд. Угольный стержень передает его на металлическую крышку.

    Итак, мы имеем отрицательно заряженный корпус и положительно заряженный стержень. Они будут называться электродами. Между ними возникает электрическое поле.

    Само понятие электрода синонимично с понятием полюса. «Электрод» больше используется в описании электрических явлений и приборов, а «полюс» чаще применяют, когда говорят о магнитах.

    Соединим эти два электрода проводником. По нему потечет электрический ток. Так энергия химических реакций превращается в электрическую.

    Аккумулятор

    Еще один крайне популярный источник тока — аккумулятор. Он представляет собой ту же батарейку, только теперь ее можно многократно подзаряжать (рисунок 8, а).

    Как устроен аккумулятор? Его простейший вариант представляет собой две свинцовые пластины, помещенные в раствор серной кислоты (рисунок 8, б). Пластины будут являться электродами, создающими электрическое поле.

    Рисунок 8. Аккумулятор

    Но изначально аккумулятор не создает никакого поля. Его нужно зарядить. Для этого берут еще один источник тока, соединяют его с аккумулятором и пропускают через него ток.

    Во время такой зарядки внутри аккумулятора начинают происходить химические реакции. Один электрод (пластина) становится положительно заряженной, а другой — отрицательно. 

    Теперь аккумулятор сам становится источником тока. Он имеет два полюса, обозначенные плюсом (+) и минусом (-).

    Помните, что при зарядке аккумулятора важно соблюдать правильное соединение с другим источником тока. Положительный полюс аккумулятора следует соединять с положительным полюсом источника тока, а отрицательный — с отрицательным.

    Рассмотренный нами аккумулятор называется свинцовым (по материалу пластин) или кислотным (по названию заполняющей его жидкости). 

    Наравне с кислотными аккумуляторами широко применяют и щелочные (или никелевые) аккумуляторы. Можно подумать, что в таком устройстве две пластины будут из никеля, но на деле из никеля состоит только одна. Вторая изготавливается из спресованного железного порошка.

    Также существуют и другие виды аккумуляторов: литий-ионные, литий-полимерные, гелиевые аккумуляторы, никель-металл-гибридные.

    Применение аккумуляторов

    Применение аккумуляторов настолько широко, что даже сейчас, изучая данный урок, вы используете аккумуляторы. Они есть в наших телефонах, компьютерах, планшетах.

    В большинстве видов транспорта также задействованы аккумуляторы. Двигатель машины не заведется, если аккумулятор под капотом будет разряжен. Аккумуляторы приводят в движение и строительную технику, и сельскохозяйственную, и даже самолеты. Современные электромобили в самой своей основе имеют мощный аккумулятор.

    Аккумуляторы играют большую роль в аварийных ситуациях: они могут поддержать работу других электрических приборов достаточное время для устранения неполадок.

    Типы зарядных устройств

    Если аккумуляторы требуют зарядки, значит существуют специальные устройства, с помощью которых это можно осуществить — зарядные устройства.

    Они классифицируются по множеству параметров.

    По методу заряда:

    • С постоянным током
      Обеспечивают быструю зарядку, но способствуют более быстрому изнашиванию аккумуляторов
    • С постоянным напряжением
      Более медленная зарядка, но безопаснее для аккумулятора
    • Смешанного типа
      Совмещают в себе два вышеприведенных вида, поэтому являются наилучшим вариантом. Способны увеличивать емкость аккумулятора и увеличивать срок его службы

    По способу применения:

    • Внешние
    • Встроенные

    В зависимости от совместимости с другим источником энергии:

    • Сетевые
      Предназначены для подключения к стандартным сетям 220 В или 380 В, т. е. требуют простого подключения к розетке
    • Аккумуляторные
      Имеют собственный накопитель энергии. Используют в качестве резервного накопителя, позволяющего заряжать другие устройства при отсутствии доступа к сети
    • Автомобильные
      Подключаются через прикуриватель. С их помощью в машине можно зарядить телефон, фотоаппарат и другую технику
    • Беспроводные
      Не требуют кабельного соединения, передает энергию без непосредственного физического контакта аккумулятора и источника
    • Универсальные
      Соединяют в себе от нескольких до всех перечисленных видов зарядных устройств

    Генераторы

    Получить электрический ток можно с помощью специального устройства — генератора.

    Генераторы превращают механическую энергию в электрическую, иногда достаточно сложными способами.

    Они применяются во всех транспортных средствах для выработки электроэнергии при движении транспорта. Эта энергия идет в том числе и на зарядку аккумулятора.

    Генераторы стоят на электростанциях, гидроэлектростанциях, атомных электростанциях генераторы используются для выработки электроэнергии. Существуют даже геотермальные электростанции, на которых установлены генераторы электрического тока. В таких местах насыщенный пар из пробуренной скважины направляется в паровые турбины, соединенные с генераторами. Так внутренняя энергия пара переходит в механическую энергию, а затем в электрическую.

    5
    5
    5Количество опыта, полученного за урок

    Оценить урок

    Спасибо, что помогаете нам стать лучше!

    Комментарии

    Получить ещё подсказку

    Трудности? Воспользуйтесь подсказкой

    Верно! Посмотрите пошаговое решение