ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК

§ 20. Правuла · безопасного пользования электрuческuм.u

npuбopaмu

~изнь современного человека сильно связана с использованием электрических приборов и установок. Тело человека' является хорошим проводником электрического

тока, который может вызвать в человеческом теле опасные и

необратимые изменения. Человек, подвергшийся действию электрического тока, получает не только значительные ожоги,

но и нарушения в работе нервной системы. Даже при сравни­тельно небольшом напряжении чiшовек может получить серьезные поражения организма, если он нах_одится, напри­

мер, во влажном цомещени_и, на влажной земле, касается про­

водов обеи~и руками и т. п. Чтобы предотвратить поражение электрическим током, не­

обходимо придерживаться определенных правил. 58 1. Не пользоваться неисправными электроприборами и

оборудованием. ~

2. Не пользоваться электрическими приборами (утюги, фены, плойки, обогреватели) в ванных комнатах и влажных помещениях.

3. Не играть под линиями электропередач. 4. Экспериментируя с электрическими установками, необ­

ходимо использовать источники тока с ЭДС не выше 36 В. 5. Выполняя лабораторные работы, включатьэлектрические

установки только после проверки и разрешения на то учителя.

б. Не касаться . частей электроустановок с поврежденной изоляцией.

7. Если товарищ поражен электрическим током, то в первую очередь необходимо, придерживаясь правил безопасности, отсоединить его от источника тока, вызвать врача и по возмож~

ности оказать пострадавшему первую медицинскую помощь.

§ 21. ЭлектрuческuQ ток . в разлuчных cpegax

Согласно определению электрический ток это направленное движение заряженных частиц. Таким образом, . создать электрический ток можно только в той среде, где есть

свободные заряженные частицы - носители электрического заряда.

· Создать поток таких частиц, которые будут двигатЬся в од­ном направлении, можно по-разному. Это может быть дейс­твие электрического поля, изменение магнитного поля, про­

явление инерции. В средах, где заряженные частицы связаны

с молекулами или атомами и не могут свободно двигаться, электрический ток практически невозможен. Среды, в которых есть свободные заряженные частицы, в свое время назвали

nроводниками - веществами, проводящими .электрический ток.

Электрический ток в металлах

Решающим в . исследованиях прИроды

эл·ектрического тока в металлах был опыт, осуществленный в 1916 г. американскими фи­зиками Р. Толменам и Т. Стюартом. В опыте исnользовалась катушка с большим количе­ством витков м·едного дровода, которая могла

вращаться вокруг своей продольной оси. Выводы ормотки катушки через nоДвижные контакты соединялись с чувствительным галь­

ванометром (рис. 1.57). При быстром вращении катушки стрелка

гальванометра была неподвижной. Но при рез-

Puc. 1.57. Схема опыта Толмена

u Стюарта

кой остановке . катушки стрелка отклонялась от нулевого деле­

ния, фиксируя кратковременный ток в цеnи. ТщательнЫе рассчеты показали, что частицами, образующими ток, были электроны. ПолучИв большую скорость при вращении катуш­ки, электроны некоторое время после остановки катушки nро­

должали · двигаться по инерции, образуя то~. Поскольку полученный в опыте ток ничем не отличался от электрического

тока в обычной цепи, то был сделан вывод об электронной при­роде электрического ток~ в металлах~

В кристаллиЧеской структуре металла электроны находятся в свободном состоянии; совершая только хаотическое тепЛовое движение. ~ели появляется электрическое поле, то электроны начинают смещаться в направлении силовых линий поля, со­здавая электрический ток (рис. 1.58).

При движении между узлами кристаллической решетки

металла электроны взаимодейству~

ют с ионами и отдают им часть

энергии, полученной под действием электрического nоЛя. Полученная ионами энергия увеличивает ампли­

туду их коЛебаний, что проявляет­ся как тепловое действие электри­

ческого тока. Отдавая часть энергии Puc. 1.58. Двuженuе

электронов в металле

59

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК

ионам, электроны уменьшают скорость своего упорядоченного

движения, что служит поводом утверждать, что существует

сопротивление проводника. Если проводник нагревать от вне­шнего источника тепла, то увеличивается амплитуда тепл_овых

колебаний ионов и степень их взаимодействия с электронами. Поэтому сопротивление металлического Проводника при повы­Шении температуры увеличивается. Типичным свойством ме­таллических проводников является то, что в большом интер­вале температур изменение их сопротивления происходит

пропорционально изменению температуры.

· Исследованиями голландского физика Камерлинга-Онесса установлено, что сопротивление металлического проводника

почти исчезает при температуре, близкой к абсолютному нулю. Исследуя зависимость электрических свойств ртути от температуры, он заметил, что при температуре 4,12 К ее со­противление практически равно нулю. Состояние проводника,

в котором он не имеет сопротивления, назвали сверхпроводи­м.остью. Возбужденный в таком проводнике электрическ-ий ток может существовать довольно длительное время.

60 . . .

~ В состоянии сверхпроводимости пр~водники практически - полностью теряют электрическое сопротивление.

Сверхпроводимость интересует ученых и инженеров, которые видят в ней средство для создания новых экономичных техно­логий . В первую очередь это касается передачи без потерь электроэнергии набольшие расстояния, создания сверхмощных электромагнитов для научных исследований, разработки прин­

ципиально новых сверхмощных компьютерных систем и т. п.

Электрический ток в вакууме

В вакууме, в котором практически отсутствуют свободные носители электрического заряда, создать_ электрический ток

можно при условии искусственного введения их в ограниченное

пространство, в котором существует электрическое поле. Сво­бодные заряженные частицы в вакууме можно получить при нагревании · металлических электродов · (термоэлектронная эмиссия) или при облучении их электромагнитным излучением (фотоэлектронная эмиссия).

Свободные электроны, появляю:Щиеся при эмиссии, накапли­ваются возле электрода, из которого они эмитировали, и обра­

зуют электронное облачко. Если температура электрода поддер­живается постоянной или поток электромагнитного излучения не изменяется, то электроны находятся в динамическом равно­

весии, при котором количество электронов, вылетающих из

элекТрода, равно количеству электродов, возвращающихся в него.

Если соЗдать электрическое поле, к электроду, из которого вылетают электроны, отрицательный

полюс источника тока, а к другому электроду- положительный

полюс, то электроны начнут двигаться упорядоченно.

Ток в вакууме создают свободные Электроны эмиссии.

Этим потоком можно управлять с помощью или магнитного полей, что ученые и использовали для созда­

. ния вакуумных электронных приборов. Например, при помощи элект­

рического поля поток электронов в

вакууме можно сформировать в уз­

кий пучок, управляя которым мож­

но создавать различные изобр8.же­ния на экране электронно-лучевой трубки или Дисплея, которые при­

меняются в электронных осцилло­

графах или в некоторых моделях

телевизоров (рис. 1.59). ·

Puc. 159. Электронно­лучевая трубка

Электрический ток в жидкостях

Если в стакан с дистиллированной водой опустить два

электрода,. входящих в электрическую цепь, то тока в цепи не

будет. Аналогичный результат поЛучим, если электроды опус­тим в керосин, спирт илИ Другую чистую жидкость. Это свиде­тельствует о том, что в таких жидкостях отсутствуют свободные носитЕши электрического заряда и они тока не провоДят.

Если повторить опыт с водой, влив в нее небольтое коли­чество серной кислоты, то полученный раствор будет иметь свойства проводника (рис. 1.60).

Puc. 1.60. Исслеgованuе электрического тока в растворе электролита ввоgе

61

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК

f-\ В растворах и расплавах электролитов ток образуют поло­\W/ жительные и отрицательные ионы.

62

Какова же природа свободных носителей заряда в растворе кислоты? На уроках химии вы узнали, что при растворении в

воде кислот, щелочей или солей (электролитов) происходит элеК'rролитическая диссоциация. Сложные молекулы электро-

+ - г--

~·0~®+ ~ ~$+

4>:--е~ ~+е ~

Puc. 1.61. Схема gвuженuя ' uонов в растворе

лита распадаются на положительные

и отрицательные ионы, которые при

наличии электрического поля будут двигаться вдоль линий напряженнос­

ти ЭТОГО ПОЛЯ (рис. 1.61). Положительные ионы (катионы) бу­

дут двигаться к отрицательному элект­

роду, а отрицательные (анионы) - к

положительному. Т. е. в растворе Элек­

тролита будет возникать электрический ток. На электродах ионы нейтрализу-

электролuта nog geucтвu- неиu тральных ются и оседают в виде

ем электрического поля атомов или молекул.

~ Ток в растворах и расплав~ электролитов соnровождается \W/ выделением вещества на электродах. -Таким образом, при прохождении то~а в растворах элект­

ролитов происходит выделение вещества на электродах. Это

явление используется для рафинирования металлов, добывания алюминия, покрытия поверхности детал~й машин защитными

материалами, изготовления копий деталей сложной формы

и т. п.

Электрич,еский ток в газах

В обычном состоянии все газы являются ди.электриками (не­

проводниками электричества). Известно, что при размыкании

электродов выключателя ток в цепи прекращается, хотя меж­

ду контактами · будет существоват~ разность потенциалов. Это

объясняется тем, что все газы в нормальном состqян'и:и имеют

нейтральные молекулы, которые не могут образовать направ­

ленного потока под действием электрического поля. Но несмо­тря на это при определенных условиях и в газц может возник­

нуть электрический ток. Например, еслИ взять две металлические пластины, между

которыми находится воздух, и присоединить их через гальва­

нометр к источнику тока (рис. 1.62), то при обычных условиях тока в цепи не будет, поскольку воздух не проводит электричество.

Puc. 1.62. Установка gпя uсслеgованuя электропровоgностu возgуха

Если же в промежуток между пластинами внести пламя спиртовкИ, . то стрелка гальванометра покажет наличие тока в · цепи (рис. 1;62). Об этом явлении в физике пр~нято говорить как о несамостоятельном разряде в газе. Несамостоятельный

разряд будем наблюдать и тогда, когда спиртовку заменим спе­циальной лампой - источником ультрафиолетового. излучения. Образование электрического тока в газах объясняется ·тем, что 63 под действием пламени или электромагнитного излучения про­

исходит ионизация, вследствие чего появляютсЯ свободные электроны. Соединяясь с нейтральными молекулами, они мо-гут образовывать отрицательные ионы. Таким образом, в про­странстве между пластинами в нашем опыте кроме электронов

находятсЯ также нейтральные молекулы, положительные и отрицательные ионы.

Электрический ток в rазах - это поток отрицательных и ~. положительных ионов и свободных электронов. · \W) -Под действием электрического поля зар-яженные частицы начинают упорядоченно двигаться, . образуя · электрический ток. Он прекратится, если убрать ионизатор .

Если напряжение между электродами постепенно увеличи­вать, то в определенный момент энергия носителей зарядов

становится достаточной, чтобы, сталкиваясь с нейтральными молекулами, образовывать новые ионы и свободные электроны . Процесс приобретает лавинообразный характер, когда коли­чество свободных носИтелей заряда резко увеличивается. в этот . момент в цепи резко увеличивается сила тока, а также

температура газа, и он начинает излучать свет .

Электрический разряд в газе возможен и без наличия иони­

затора; Ведь в воздухе всегда находятся заряженные частицы,

образующиеся под действ~ем космического и радиоактивного излучения, ультрафиолетовоГо излучения Солнца и т. п. При

64

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК

значительной разности потенциалов (большая напряженность

электрического поля) они приобретают большую скорость и

энергию, достаточную для ионизации нейтральных молекул . В таких условиях возникает са.мостоятелъный разряд.

В природе самостоятельными разрядами являются молния

(рис. 1.63), коронный и тлеющий разряды .

Puc. 1.63. Молния

Puc. 1.64. Сварка металла npu помощu электрuческо\1

gyru

Среди различных видов электрического разряда особое место занимает электрическая дуга, которую применяют для сварки

металлических изделий (рис. 1.64). Если два проводника, соединенных с источником тока,

свести вместе, то в месте их касания начнет выделяться

значительное количество теплоты при резком увеличении

температуры. Это приведет к появлению в газе значительного количества свободных электронов, которые будут поддерживать

ток в цепи. При силе тока в несколько сотен и даже тысяч ампер температура в дуге может достигать 3500 ... 7000 К. В таком состоянии газ ярко светится, а электроды-:- плавятся.

Электрическая дуга широко применяется во многих об­ластЯх техники и производства для сварки (соединения)

металлических деталей, для плавки . чистых металлов. Всему

миру известны достижения ученых Института электросварки

им. Е.О. Патона НАН Украины. Благодаря их исследованиям процесс электросварки применяется в различных производ­

ствах, включительно с космической отраслью.

Евгений Оскарович Патон (1870-1953)- украинский инженер, основатель Института эЛектросварки НАН Украины, . провел исследован·ия в области расчета

1 и прочности · сварных конструкций, механизации· сварочных процессов, научных основ электрической сварки. •