2. Движение ионов в электрическом поле, созданном источником тока

анод

Рис. 16(б)

3. Рекомбинация ионов на катоде и аноде, образование электрически нейтральных атомов

катод

анод

Электрически нейтральные

атомы

Рис. 16(в)

Заметим, что электрон, отданный ионом хлора на аноде, и электрон, полученный ионом натрия на катоде – не один и тот же. Однако все электроны абсолютно одинаковые, неотличимые один от другого. Таким образом, пока в цепи существует ток, до плюса источника тока дойдёт ровно столько электронов, сколько ушло от его минуса. Если бы можно было поставить на пути электронов (рис. 15) наблюдателя А для учёта частиц, прошедших через поперечное сечение проводника, то на любом месте трассы (электрической цепи) при установившемся постоянном токе за одно и то же время наблюдатель насчитал бы одно и то же число пролетевших мимо него электронов.

Наблюдатель В насчитал бы за то же время такое же количество проплывших мимо него ионов (рис. 17). Отметим, что при распаде молекулы NaCl ионы движутся в разные стороны, поэтому наблюдатель В учитывает только один из них. Однако было бы неправильным утверждать, что число носителей заряда (электронов, ионов), прошедших через поперечное сечение цепи, везде одинаковое. Существуют ионы веществ с двумя или даже с тремя элементарными положительными (+) или отрицательными (-) зарядами. Такие ионы в одиночку переносят заряд за двоих или за троих. При этом число ионов, прошедших в растворе мимо наблюдателя В будет соответственно в 2 или в 3 раза меньше числа электронов, прошедших мимо наблюдателя А. Значит, правильнее учитывать не число частиц, прошедших через поперечное сечение проводника, а переносимый ими заряд.

Приборы для измерения тока и напряжения

Измерение силы тока в электрической цепи осуществляется специальными приборами, называемыми амперметрами; графическое обозначение амперметра представлено на рис. 18. При измерении силы тока амперметр включается в цепь последовательно.

На рис. 18 показано протекание электрического тока в том случае, если цепь не разветвляется.

Сделаем два важных уточнения:

1. Амперметр имеет малое сопротивление, чтобы свести к минимуму погрешность измерения силы тока.

2. Величина сопротивления R проводника должна быть такой, чтобы ток, протекающий через источник, не был больше допустимой величины. В противном случае может быть нарушена работа источника тока.

Как следует из (23), величина сопротивления, представленного, например, медным проводом, очень мала, поэтому для ограничения электрического тока в широком его диапазоне в электрических цепях используют специальные конструктивно оформленные проводники, называемые резисторами (обозначаются буквой R). При сравнительно малых размерах (единицы миллиметров) они имеют сопротивление от единиц Ом до десятков миллионов Ом.

При ветвлении цепи (рис. 19) естественно предположить, что токи в отдельных ветвях, складываются и образуют исходный ток I.

В электрической цепи соединение проводников, подобное изображённому на рис. 19, называется параллельным соединением. Таким образом, при параллельном соединении проводников общий ток в цепи равен сумме токов в отдельных ветвях.

Рис. 19

Измерение напряжения осуществляют прибором, называемым вольтметром. Вольтметр позволяют судить, насколько большую работу производит поле на участке цепи по перемещению электрического заряда. Отметим чрезвычайно важную особенность: вольтметр не вносит существенных искажений в работу по перемещению заряда. В процессе измерений он подобен вертолёту, зависающему над контролируемым участком автомобильной дороги (рис. 20) и не мешающему движению автомобилей. При измерениях вольтметр подключается параллельно исследуемому участку электрической цепи. Мы уже знаем, что при параллельном соединении между точками А и В (рис. 20) часть тока пойдёт через резистор R, а часть – через вольтметр. Чтобы как можно меньше искажать работу поля в электрической цепи, вольтметр должен отнимать для исследования как можно меньший ток. Как этого достичь? Следует создать такое сопротивление движению зарядов через вольтметр, чтобы большая часть заряда шла через резистор R. В то же время сопротивление вольтметра не должно быть настолько велико, чтобы ток через него оказался слишком мал. При очень малом токе работа поля будет также чрезвычайно малой, настолько малой, что прибор её даже не зарегистрирует.

Рис. 20

Подведём итог изложенному в главе "ВВЕДЕНИЕ". Мы рассмотрели электризацию тел, дали этому явлению объяснение, связанное с наличием и переносом электрических зарядов. Пришли к мысли о том, что электрические заряды, как и явления, с ними происходящие, удобно рассматривать с помощью модели атома, предложенной Эрнестом Резерфордом и уточнённой Нильсом Бором. В соответствии с этой моделью атом состоит из ядра, начинённого положительно заряженными частицами (протонами) и вращающихся вокруг ядра отрицательно заряженных элементарных частиц (электронов). Электрон имеет минимальный отрицательный заряд. В нормальном (обычном) состоянии атомы электрически нейтральны, то есть суммарный электрический заряд равен нулю, положительный и отрицательный заряды взаимно скомпенсированы, уравновешены между собой. Если создать условия, нарушающие такое равновесие, то атом становится ионом. Если в атоме будет избыток электронов, то он становится отрицательным ионом; если недостаток электронов - положительным ионом. Отрицательные ионы образуют отрицательный заряд, положительные ионы образуют положительный заряд. Взаимодействие электрических зарядов осуществляется через особый вид материи – через электрическое поле. Электрическое поле неподвижных зарядов (электростатическое поле) в каждой своей точке описывается двумя характеристиками: силовой, называемой напряжённостью, и энергетической, называемой потенциалом. Разность потенциалов между двумя точками поля называют напряжением. Напряжение - есть работа по перемещению заряда из одной точки поля в другую. Далее мы определили понятие электрический ток как упорядоченное (направленное) движение частиц, несущих электрический заряд. Для возникновения и протекания электрического тока необходимы два условия:

1. Наличие свободных, не связанных между собой носителей заряда.

2. Присутствие силы, действующей на частицы в определённом направлении. Порождает такую силу электрическое поле. Изначально электрическое поле образуется источником тока, на полюсах которого действием сторонних сил происходит процесс разделения положительных и отрицательных зарядов. Под сторонними силами понимаются любые силы (за исключением электростатических сил), действующие на электрически заряженные частицы.

На примере медного проводника рассмотрели процесс протекания тока через проводник. Электрический ток в таком проводнике представляет собой упорядоченное (направленное) движение свободных электронов. Такое движение происходит под действием источника тока, точнее, его электрического поля, распространяемого по всему проводнику. При малой скорости направленного движения электронов в проводнике скорость распространения электрического поля по проводнику близка к скорости света. Рассмотрели закон Ома для участка цепи, утверждающий, что сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению на её участке и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.

Рассмотрели графическое изображение некоторых приборов, предназначенных для измерения тока и напряжения в электрических цепях:

• С илу электрического тока измеряют с помощью амперметра, изображаемого так ; амперметр подключают в цепь последовательно;

• Н апряжение на участке цепи измеряют с помощью вольтметра, изображаемого так ; вольтметр подключают параллельно участку цепи.

Напомним единицы измерения электрических единиц:

1. За единицу измерения силы тока в международной системе единиц (СИ) принят ампер (А). 1А равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на участке проводника длиной 1м силу взаимодействия, равную 2·10^-7 Н. Отметим, что в системе СИ единица измерения тока является основной, а заряд является производной величиной.

2. За единицу измерения электрического заряда в международной системе единиц (СИ) принят кулон (Кл). Заряд в 1 Кл определяют как ток силой 1 А, протекающий через поперечное сечение проводника за время 1 с. Заряд, равный одному кулону, содержат приблизительно 6*10¹⁸ электронов.

3 ) За единицу измерения разности потенциалов или напряжения в международной системе единиц (СИ) принят вольт (В). Считают, что напряжение U между двумя точками поля равно одному вольту (1 В), если при перемещении между ними электрического заряда в один кулон (1 Кл) совершается работа в один джоуль (1 Дж), то есть

4) За единицу измерения электрического сопротивления в международной системе единиц (СИ) принят Ом (Ом). 1 Ом – это сопротивление проводника, по которому протекает ток 1 А при напряжении на его концах, равном 1 В.

27