Откуда берётся ток
Следует отметить, что электрический ток может образоваться не только в металлическом проводнике, но и в других веществах. Например, атмосферная энергия появляется в дождевых облаках, но использовать её не представляется возможным. Для получения электричества, применяемого в хозяйственных нуждах, катушки медных генераторных установок, подходят идеально.
Электрический ток в металлах создаётся упорядоченным движением электронов. Термин «Электричество» впервые был введён Уильямом Гилбертом в XVI веке, но естествоиспытатель ограничился только получением электрических разрядов статического электричества. Два столетия спустя, Майкл Фарадей уже создал действующую модель динамо-машины, появление на свет которой обязано именно эффекту образования электричества в металлах.
Учёный усовершенствовал ранее известный физический опыт, при котором ток в металлах создавался движением магнитного поля вокруг статичного металлического объекта. Первый генератор представлял собой конструкцию, состоящую из вращающего постоянного магнита и медной катушки. Такая машина позволяла получить относительно небольшое напряжение в проводнике. В то время доподлинно ещё не было известно какими частицами создаётся ток в металлах. Только в 1913 году учёным удалось доказать электронную природу этого явления.
Проведение опытов по определению причин возникновения напряжения в металлах были начаты русскими учёными Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Спустя 3 года физики Р. Толмен и Б. Стюарт значительно усовершенствовали методику, что позволило провести количественные измерения.
Для получения точных результатов учёным пришлось создавать специальные машины, благодаря применению которых и удалось определить причину возникновения тока. Если кратко изложить суть экспериментов, проведённых с целью доказать электронную природу появления тока, то получится конспект следующего содержания:
- Необходимо подготовить катушку, которая может вращаться вокруг своей оси.
- Поставить изделие на твёрдую поверхность, например, на пол.
- Выход проводников этой электрической машины подключить к гальванометру.
- Раскрутить катушку (скорость вращения должна быть значительной).
- Резко затормозить устройство.
В результате эксперимента возникает электрический импульс, который можно зарегистрировать измерительным прибором. Обусловить появление напряжения в цепи могло только наличие заряженных частиц, которые называются электронами. На эти элементы оказывает воздействие, как и на любое твёрдое тело, сила инерции, которая и заставляет их «выходить» из проводника после резкой остановки катушки.
Природа носителей тока в металлах
Носители тока в металлах – свободные электроны (электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки). Это представление основывается на электронной теории проводимости металлов, а также на ряде опытов, подтверждающих ее положения.
Опыт Рикке
Электрический ток пропускался в течение года через три последовательно соединенных с тщательно отшлифованными торцами цилиндра (медь, алюминий, медь) одинакового радиуса. В результате, никаких, даже микроскопических следов переноса вещества не обнаружилось: следовательно, ионы в металлах не участвуют в переносе электричества, а перенос заряда в металлах осуществляется частицами, которые являются общими для всех металлов. Такими частицами могли быть открытые Д. Томсоном (1897 г) электроны.
Опыты Стюарта и Толмена
(идея Мандельштама и Папалекси)
Катушка с большим числом витков, замкнутая на чувствительный гальванометр, приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси, а затем резко тормозилась.
Если в металле имеются подвижные, слабо связанные с решеткой носители тока, то при резком торможении проводника эти частицы должны по инерции смещаться вперед, как смещаются вперед пассажиры, стоящие в вагоне при его торможении. Результатом смещения зарядов должен быть импульс тока, что и наблюдалось: по направлению тока можно определить знак носителей тока, а зная размеры и сопротивление проводника, можно вычислить удельный заряд носителей. Оказалось, что значения удельного заряда и массы носителей тока и электронов, движущихся в вакууме, совпали. Таким образом, было окончательно доказано, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.
В узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ
,
обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.
По теории Друде-Лоренца электроны обладают такой же энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного газа. Средняя скорость теплового движения электронов определяется по формуле
м/с(при Т=300К).
Тепловое движение электронов, являясь хаотическим, не может привести к возникновению тока. При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, т.е. возникает электрический ток. Среднюю скорость упорядоченного движения электронов можно оценить по формуле
ϳ
=
ne
при плотности тока ϳ
=107 А/м2(допустимая для медных проводников)
n =
8∙ 1028 м-3, = 7,8 ∙10-4 м/с. Значит, << т.е. даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов, обуславливающего электрический ток, значительно меньше скорости их теплового движения. Поэтому при вычислениях результирующую скорость ( + ) можно заменять скоростью теплового движения .
Электромагнетизм
Магнитное поле и его характеристики
Обнаружение магнитного поля
Магнитное поле –силовое поле в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты.
Магнитное поле обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током или постоянные магниты.
Характерная особенность магнитного поля– магнитное поле создается только движущимися зарядами и действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды.
Электрическое поле создается и действует как на неподвижные, так и подвижные заряды.
Характер воздействия магнитного поля на ток зависит от формы проводника, по которому течет ток, от расположения проводника и от направления тока.
Чтобы охарактеризовать магнитное поле, надо рассмотреть его действие на определенный
ток. Для исследования магнитного поля используется контур, линейные размеры которого малы по сравнению с расстоянием до токов, образующих магнитное поле. Ориентация контура в пространстве характеризуется направлением нормали к контуру. Направление нормали определяется
правилом правого винта: за положительное направление нормали принимается направление поступательного движения винта, головка которого вращается в направлении тока, текущего в рамке.
За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положительная нормаль к свободно подвешенной рамке с током, или направление, совпадающее с направлением силы, действующей на северный полюс магнитной стрелки, помещенный в данную точку. Следовательно, на магнитную стрелку действует пара сил, поворачивающая её так, чтобы ось стрелки, соединяющая южный полюс с северным, совпадала с направлением поля.
Формула расчета
Точный расчёт удельного заряда (em) в металлах можно определить по следующей формуле:
Em=lu0Rq
Где:
- l — сила тока, мгновенно возникающая в проводнике при остановке катушки;
- u 0 — начальная линейная скорость витков проволоки;
- R — сопротивление цепи;
- q — заряд.
Проведение опытов Р. Толменом и Б. Стюартом позволили упорядочить ранее полученные сведения от других учёных. Несмотря на это, электрические проводники активно использовались в электрических изделиях с начала XIX века, доказательство электронной природы тока в металлах, позволило ускорить появление сложных устройств.
Электрический ток в проводниках
В проводниках имеются свободные носители зарядов, которые под действием силы электрического поля приходят в движение и создают электрический ток.
В металлических проводниках носителями зарядов являются свободные электроны. С повышением температуры хаотичное тепловое движение атомов препятствует направленному движению электронов и сопротивление проводника увеличивается. При охлаждении и стремлении температуры к абсолютному нулю, когда прекращается тепловое движение, сопротивление металла стремится к нулю.
Электрический ток в жидкостях (электролитах) существует как направленное движение заряженных атомов (ионов), которые образуются в процессе электролитической диссоциации. Ионы перемещаются в сторону электродов, противоположных им по знаку и нейтрализуются, оседая на них. — Электролиз. Анионы — положительные ионы. Перемещаются к отрицательному электроду — катоду. Катионы — отрицательные ионы. Перемещаются к положительному электроду — аноду. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах. При нагревании сопротивление электролита уменьшается из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы.
Электрический ток в газах — плазма. Электрический заряд переносится положительными или отрицательными ионами и свободными электронами, которые образуются под действием излучения.
Существует электрический ток в вакууме, как поток электронов от катода к аноду. Используется в электронно-лучевых приборах — лампах.
Применение этого явления
Сообщение о проведённых опытах быстро получило широкое распространение не только в научных кругах. Называть такое явление открытием века, конечно, было нельзя, но при расчёте схем приборов высокого класса точности, без учёта поведения электронов уже невозможно было обойтись.
Благодаря движению электронов в металлах удаётся зарядить аккумуляторы. Строительство линий электропередач также осуществляется с учётом движения электронов в металлах. В общем, практически любые электрические приборы работают на проводниках, в которых наличие этого явления обязательно.
Опыт Мандельштама и Папалекси
Электронную природу тока в металле первыми экспериментально доказали российские физики Мандельштам и Папалекси в 1913 г. Для того, чтобы выяснить, какие частицы создают электрический ток в металлах, они — без подключения внешнего источника — регистрировали ток в катушке из металлического провода, которую сначала сильно раскручивали вокруг собственной оси, а затем резко останавливали. Поскольку у электрона есть масса, то он должен подчиняться закону инерции. Поэтому в момент остановки атомы решетки останутся на месте, а свободные электроны по инерции, какое-то время, продолжат движение в прежнем направлении. То есть в цепи должен появиться электрический ток. Эксперименты подтвердил это предположение — после остановки катушки исследователи регистрировали бросок тока в цепи.
Рис. 2. Опыт Мандельштама и Папалекси.
Этот эксперимент в 1916 г. повторили американцы Стюарт и Толмен. Им удалось повысить точность измерений и получить отношение заряда электрона eэ к значению массы электрона mэ:
$$ {e_э over m_э } = 1,8*10^{11} Кл/кг $$
Этот фундаментальный результат совпал с полученными данными из других экспериментов, поставленных на основе измерения других параметров. Впервые эту величину в 1897 г. измерил англичанин Джозеф Томсон по отклонению пучка электронов в зависимости от напряженности электрического поля.
