Электрический ток. Источники электрического тока

В рассмотренных нами электрических явлениях мы наблюдали перемещение электрических зарядов. Из механики вы знаете: сила совершает работу, если под ее действием тело перемещается.

При движении зарядов работу совершает электрическое поле. Благодаря переданной энергии могут светиться лампы и работать электроприборы.

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 отрицательным, ведь электроны обладают отрицательным зарядом.

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.

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.

{"questions":[{"content":"При явлении электрического тока в проводнике приходят в упорядоченное движение[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["ионы","электроны","протоны","атомы вещества"],"explanations":["","","Протоны являются заряженными частицами, но их отделение от ядер атомов приведет к образованию атомов другого химического элемента, а не появлению электрического тока.","Обычно атомы электрически нейтральны, а электрический ток представляет собой упорядоченное движение частиц, имеющих электрический заряд."],"answer":[0,1]}}}]}

Получение электрического тока

Электрический ток не может возникнуть сам по себе. Что же нужно создать в проводнике, чтобы в нем 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, чтобы ток не прекращался, нужно поддерживать электрическое поле в проводнике.

{"questions":[{"content":"Что нужно создать в проводнике, где уже есть свободные носители заряда, чтобы возник электрический ток?[[choice-9]]","widgets":{"choice-9":{"type":"choice","options":["наличие электрического поля","наличие свободных электронов или ионов","высокая температура"],"explanations":["","Их наличие является определяющей характеристикой самих проводников.","Высокая температура имеет значение для полупроводников (увеличивается их проводимость), но отношения к возникновению тока не имеет."],"answer":[0]}}}]}

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.

Один конец проводника соединяют с положительным полюсом источника, а другой — с отрицательным. Получается замкнутый путь для движения зарядов. Под действием электрического поля свободные заряженные частицы начинают двигаться упорядоченно, и в проводнике возникает 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). 

Для этого понадобятся два стержня из разных металлов: железный и медный. Воткнем их в лимон и соединим проводником. В замкнутой цепи возникнет слабый электрический ток.

Сок лимона проводит ток. На поверхности металлических стержней идут химические реакции, из-за которых заряды разделяются. Прибор для измерения тока покажет, что получился простой химический источник тока.

{"questions":[{"content":"В любом источнике тока[[choice-18]]","widgets":{"choice-18":{"type":"choice","options":["совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц","возникает два полюса","не возникают полюсы","совершается работа по нагреванию подсоединенного проводника"],"explanations":["","Как следствие разделения зарядов.","",""],"answer":[0,1]}}}]}

Превращение механической энергии в электрическую

Чтобы разделить заряды внутри источника тока, нужно совершить работу. Для этого источник превращает механическую, внутреннюю, химическую или другую энергию в электрическую.

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

Например, на гидроэлектростанции энергия поднятой воды сначала превращается в механическую энергию ее движения, а затем — в электрическую энергию (рисунок 3).

Плотина удерживает воду в водохранилище. Под действием силы тяжести вода движется вниз и вращает гидротурбину. Турбина соединена с электрогенератором, о котором подробнее рассказано в конце урока. Генератор превращает механическую энергию вращения в электрическую. Эта энергия передается потребителям по проводам.

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.

При вращении дисков заряды на их металлических участках разделяются из-за электрического влияния частей машины друг на друга. Затем заряды накапливаются в лейденских банках 2 и 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 превратилась в электрическую.

{"questions":[{"content":"В ходе совершения работы по разделению частиц происходит[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["превращение какой-либо энергии в электрическую","превращение электрической энергии в какую-либо другую","передача одного и того же вида энергии от одного тела к другому"],"answer":[0]}}}]}

Превращение внутренней энергии в электрическую

Теперь рассмотрим превращение внутренней энергии в электрическую. Возьмем проволоки из двух разных металлов и соединим их в цепь. Одно место их соединения нагреем, а другое оставим более холодным (рисунок 5).

Из-за разности температур в цепи возникнет электрический ток. Соединенный с цепью прибор называется гальванометром. Он помогает обнаружить слабый ток: если стрелка отклонилась, ток есть; если она осталась на месте, тока нет.

Источник тока, состоящий из соединенных проводников из разных материалов, называют термоэлементом. Для его работы места соединения должны иметь разную температуру.

В термоэлементах внутренняя энергия превращается в электрическую.

{"questions":[{"content":"При использовании термоэлемента происходит превращение энергии: [[fill_choice-7]] энергия переходит в [[fill_choice-10]].","widgets":{"fill_choice-7":{"type":"fill_choice","options":["внутренняя","механическая","энергия сгорания топлива","электрическая"],"answer":0},"fill_choice-10":{"type":"fill_choice","options":["электрическую","внутреннюю","механическую"],"answer":0}}}]}

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).

Под действием света внутри фотоэлемента разделяются электрические заряды. Между его выводами возникает электрическое поле, поэтому в замкнутой цепи появляется ток.

Так энергия излучения, то есть света лампы, превращается в электрическую. Действие света на вещество, при котором меняется движение или распределение электронов, называют фотоэффектом. Устройство, которое использует это явление как источник тока, называют фотоэлементом.

Термоэлементы и фотоэлементы вы более подробно изучите в старших классах. 

{"questions":[{"content":"Что происходит в фотоэлементе под действием света? [[choice-20]]","widgets":{"choice-20":{"type":"choice","options":["Внутри него разделяются электрические заряды","Он расщепляется на отдельные атомы","В нем исчезают все электроны"],"answer":[0]}}}]}

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.

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.

Во время химической реакции металлическая крышка, соединенная с угольным стержнем, становится положительным полюсом. Оксид марганца участвует в реакции, но сам по себе не имеет постоянного положительного заряда.

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

Электрод — это проводящая часть источника тока, которая соприкасается с веществом внутри него и участвует в разделении зарядов. Полюс источника — его вывод, к которому подключают внешнюю цепь. Поэтому эти понятия связаны, но не являются синонимами.

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

{"questions":[{"content":"Цинковый корпус и угольный стержень гальванического элемента являются [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["электродами","клеммами","батарейками","изоляторами"],"answer":[0]}}}]}

Аккумулятор

Еще один распространенный источник тока — аккумулятор. Это химический источник тока, который можно многократно заряжать и снова использовать (рисунок 8, а).

Как устроен аккумулятор? Его простейший вариант представляет собой две свинцовые пластины, помещенные в раствор серной кислоты (рисунок 8, б). Пластины служат электродами. После зарядки между ними возникает электрическое поле.

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 зарядки внутри аккумулятора происходят химические реакции и меняется состав веществ на электродах. После зарядки один вывод становится положительным полюсом, а другой — отрицательным. 

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

Для зарядки используйте только подходящее зарядное устройство и соблюдайте его инструкцию. Положительный вывод аккумулятора соединяют с положительным выводом устройства, а отрицательный — с отрицательным. Нельзя подключать аккумулятор к случайному источнику тока.

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

Наряду с кислотными применяют щелочные аккумуляторы. К ним относится никель-железный аккумулятор: вещества одного электрода содержат соединения никеля, а другой электрод делают на основе железа. Электролитом служит раствор щелочи.

Также существуют и другие виды аккумуляторов: литий-ионные, литий-полимерные, гелевые аккумуляторы, никель-металлгидридные.

{"questions":[{"content":"Свинцовый аккумулятор имеет в своей основе[[choice-5]]","widgets":{"choice-5":{"type":"choice","options":["две свинцовые пластины","раствор серной кислоты","две никелевые пластины","щелочной раствор","чистую воду","две железные пластины"],"answer":[0,1]}}}]}

Применение аккумуляторов

Аккумуляторы применяют очень широко. Они есть в телефонах, планшетах и ноутбуках, поэтому, возможно, аккумулятор используется и в устройстве, на котором вы изучаете этот урок.

Аккумуляторы используют во многих видах транспорта. В автомобиле они помогают запустить двигатель и питают электрическое оборудование при неработающем генераторе. В электромобилях аккумулятор снабжает энергией электродвигатель, который приводит машину в движение.

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
  Устройство поддерживает заданную силу тока и контролирует напряжение.
• С постоянным напряжением
  Устройство поддерживает заданное напряжение, а сила тока по мере зарядки обычно уменьшается.
• Со смешанным режимом
  Устройство меняет ток и напряжение на разных этапах зарядки. Подходящий режим зависит от типа аккумулятора.

По способу применения:

• Внешние
• Встроенные

По источнику питания и способу передачи энергии:

• Сетевые
  Получают энергию от бытовой электрической сети через подходящую розетку.
• Переносные
  Имеют собственный аккумулятор и могут заряжать другие устройства без доступа к сети.
• Автомобильные
  Получают энергию от электрической системы автомобиля через специальный разъем.
• Беспроводные
  Передают энергию с помощью переменного электромагнитного поля на небольшом расстоянии. Заряжаемое устройство должно поддерживать такой способ зарядки.
• Универсальные
  Поддерживают несколько способов подключения или зарядку разных типов устройств.

Генераторы

Получить электрический ток можно с помощью специального устройства — генератора.

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

Генераторы применяются во многих транспортных средствах. Они снабжают электроэнергией оборудование и могут заряжать аккумулятор во время работы двигателя.

Генераторы используют на гидроэлектростанциях, тепловых и атомных электростанциях. Они есть и на геотермальных электростанциях, которые используют внутреннюю энергию Земли. На некоторых таких станциях пар направляют на турбину, соединенную с генератором. Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения турбины, а затем — в электрическую.

{"questions":[{"content":"Одна из функций генератора в автомобиле — это [[choice-23]]","widgets":{"choice-23":{"type":"choice","options":["зарядка аккумулятора","разрядка аккумулятора","сообщение аккумулятору дополнительных электронов"],"answer":[0]}}}]}

Частые вопросы

Что нужно для возникновения электрического тока?

В проводнике должны быть свободные заряженные частицы и электрическое поле. Для длительного тока цепь должна быть замкнутой.

Что делает источник тока?

Источник тока разделяет заряды и поддерживает электрическое поле. Для этого он превращает энергию другого вида в электрическую.

Чем аккумулятор отличается от обычного гальванического элемента?

Оба устройства превращают химическую энергию в электрическую. Аккумулятор можно многократно заряжать, а обычный гальванический элемент для этого не предназначен.