Landsberg-1985-T2

r л а в а 11/. постоянный ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

§ 39. Электрический ток и электродвижущая сила. Для рав­

новесия зарядов на проводнике необходимо, как мы знаем, чтобы разность потенциалов между любыми точками про­

водника равнялась нулю. Если это услqвие нарушено, то

равновесие не может иметь места, и в проводнике происхо­

дит перемещение зарядов, которое называется электричес­ ким током. Таким образом, для получения тока достаточно создать разность потенциалов (напряжение) между какими­

либо точками проводника.

Осуществим эти условия в следующем простом опыте,

понятном из схемы, показанной на рис. 70. Левая половина

схемы изображает электрическую машину,. создающую

Рис. 70. Опыт для выясиеиия поиятий о токе и э. д. с.: К - коиден­ сатор, Л - лампочка карманного фонаря, r - гальванометр, ЭМ­ электрическая машина, Э - электрометр, КЛ - ключ

разность потенциалов между обкладками А и В конденсатора еМIЮСТИ С; электрометр позволяет обнаружить и даже из­ мерять эту разность потенциалов. На правой половине схе­

мы показано, как осуществляется. соединение двух обкла­

док конденсатора с помощью проводника, состоящего из

соединительных проводов и лампочки. Для того чтобы

сделать наглядными процесс создания напряжения между

обкладками конденсртора и процесс соединения обкладок

проводником, мы поместили в схему ключ. Повернув его

влево, мы заряжаем конденсатор (создаем напряжение меж­

ду его обкладками); повернув его вправо - осуществляем

94

соединение обкладок с проводником. Заставим враrцаться

электрическую машину (рукой или моторчиком) и пОСта­

вим ключ влево. Конденсатор начнет заряжаться, и электро­

метр покажет возникаюrцее между обкладками напряже-·

ние; Перебросим ·ключ вправо. Лампочка на мгновение

вспыхнет, а листки электрометра опадут, указывая, что

напряжение между обкладками конденсатора упало до

нуля,Т. е. поле в конденсаторе исчезло. Вновь повораЧИlзая

ключ влево, мы повторим зарядку конденсатора, а пере­

кладывая ключ опять вправо - вновь будем наблюдать вспышку лампочки, и т. д.

Что происходит в этом опыте? Заряжая с помоrцью элек­

трической машины конденсатор, мы производили разделе­

ние электрических зарядов. На одном полюсе машины, на­

пример а, и, следовательно, на соеди-ненной с ним обкладке

А появлялся избыток электронов; на другом полюсе Ь

(и обкладке В) - соответствуюrций недостаток электронов.

Между полюсами (а следовательно, и между обкладками конденсатора) возникJJ.O напряжение (разность потенциа-

лов), для чего, как мы знаем, требуется затратить работу

(§ 38). В описываемом опыте эту работу производили муску­

лы руки или моторчик, враrцаюrцие машину. Когда провод­

ник присоединяется к: обкладкам, на концах его имеется раз­

ность потенциалов, и в проводнике возникает движение за­

рядов: электроны OT'~дeCTa, где они имеются в избытке (А),

потекут к месту, где их недостает (В). Заряд на обкладках

быстро уменьшается, напряжение между ними падает, поле

в конденсаторе исчезает, а в проводнике ПРОIiСХОДИТ движе­

ние зарядов (электрический ток), которое и проявляется в накале лампочки. Разряд конденсатора и протекание тока

занимают малую долю секунды. Чтобы сделать явление

более длительным, надо многократно повторять его, быст­

ро перекладывая ключ из левого в правое положение и об­

ратно, т. е. то заряжая, то разряжая конденсатор.

Конденсатор мы ввели только для того, чтобы с полной

ясностью выделить две стороны процесса, Qбусловливаю­ rцeгo электрический ток: а) создание и поддерживание напря­ жения (разности потенциалов) между двумя какими-либо точками~ б) создание проводяrцей цепи, по которой проис­

ходит перенос зарядов между этими точками.

Вторая половина процесса осyrцествляется просто с

помоrцью ключа, замыкаюrцего разорванную цепь. Первая в нашем случае обеспечивалась работой электрическ.QЙ ма­ шины, разделяюш.еЙ заряды. Конденсатор же служил ~ДЛЯ

наглядного разделения всего сложного процесса на две

9S

стадии, последовательно протекающие одна за другой. Для

существа дела эти две последовательные стадии совершенно

не необходимы: обе стороны процесса могут идти одновре­ менно и непрерывно, и, таким образом, роль конденсатора

чисто иллюстративная. Можно обойтись без него, непосред­ ственно соединив точки с и d, т. е. осуществив замкнутую

цепь от одного полюса машины к другому. В такой цепи

во все время работы машины идет непрерывный электри­

ческий ток, ибо, несмотря на непрерывный. переход элек­

тронов от а через провода и нить лампочки к Ь, разность потенциалов между Ь и а все время восстанавливается благодаря работе машины. Правда, обычная электростати­

ческая машина не могла бы поддерживать лампочку в све­ тящемся состоянии. Машина разделяет за единицу време­ ни лишь небольшие количества электричества, так что

мощность ее, достаточная для питания отдельных, доволь­

но частых вспышек, неспособна поддерживать непрерыв­ ныIй накал лампочки. Для регистрации непрерывного сла­ бого тока пришлось бы использовать более чувствитель­ ный указатель (например, гальванометр). Итак, в этом

опыте существенно необходимыми являются электрическая машина и проводник, соединяющий ее полюсы.

Из разобранного примера мы видим, что для поддержа­

ния в цепи проводников непрерывного тока необходимо,

чтобы в этой цепи работало какое-то устройство, в котором

все время происходят nроцессы, осуществляющие разделе­ ние электрических зарядов и тем самым поддерживающие

напряжение в цепи. Это устройство называют источни­

ком или генератором электрического тока, а действующие

внем причины, обусловливающие разделение зарядов,

получили название сторонних сил.

Сторонние силы, т. е. силы неэлектростатического про­

исхождения, действуют лишь внутри источника тока. Раз­

деляя заряды, эти силы создают разность потенциалов

между концами остальной части цепи. В этой части движе­

ние зарядов обусловлено электрическим полем, возникаю­

щим в проводнике вследствие разности потенциалов между

его концами.

При перемещении электрического заряда по замкн.у­

той цепи работа, совершаемая электростатическими сила­

ми, равна нулю (§ 20). Следовательно, суммарная работа

всех сил, действующих -на заряд при таком перемещении,

равна работе лишь сторонних сил. Поэтому электродви­ жущей силой <f} источника тока называется отношение работы А, произведенной сторонними силами при переме-

96

щении положительного заряда q по замкнутому контуру тока, к этому зар яду:

А

!i=-. (39.1 )

q

Следует иметь В виду, что назв~ние «электродвижущая си­ ла» (э. д. с.) нельзя понимать в буквальном смысле, по­

скольку ее размерность отличается от размерности силы

или работы. Из сравнения формул (21.1) и (39.1) следует,

что э. д. с. С выражается в вольтах. Для того чтобы еще

более ясно представить весь разбираемый вопрос, восполь­ зуемся аналогией между электрическим током и течением

ходимо создать между точками трубы некоторую разность'

давлений. Эта разность давлений и движет воду. В водо­

проводе, например, эта разность давления создается с по­

мощью водонапорной башни, уровень воды в которой выше,

чем любая точка водопроводной сети. Разность уровней (или напор) вполне эквивалентна разности потенциалов (напряжению) электрической цепи, а наполненный водой

бак на вершине башни играет роль заряженного конденса­

тора в разобранном нами примере. И подобно тому как при

электрическом токе конденсатор разряжается и разность

потенциалов падает, стремясь к нулю, так и бак постепенно опорожняется, а разность уровней стремится к нулю, и во­

дяной ток прекращается, подобно электрическому. Элек­

трический ток будет более или менее кратковременным, в

зависимости от емкости конденсатора и силы тока; совер­

шенно так же водяной ток прекратится тем быстрее, чем меньше емкость бака и чем больше расход воды. И так же

как для поддержания непрерывного электрического тока

было необходимо обеспечить какое-то устройство (генера­

тор), являющееся источником «электродвижущей (электро­

разделительной) силы» (в нашем случае электрическая машина), так и для непрерывной работы водопровода не­

обходимо иметь устройство, нагнетательный насос, кото­

рый поддерживает нужную разность уровней, несмотря на

непрерывное течение воды, и является источником «водо­

движущей (точнее, водоподнимающей) силы».

И здесь роль водонапорного бака совершенно вспомога­ телЬНЩI. Можно было бы обеспечить работу водопровода

без бака с помощью нагнетающего насоса. Однако ввиду

неравномерности потребления ВОДЬ! В ВОДОПРОВ9де техни-

чески удобнее иметь «запас напора»"с помощью высоко рас­

положенного вместительного бака, пуская насос в ход лишь

время от времени.

Не останавливаясь на рассмотрении практически при­

меняемых генераторов, мы опишем пока простой опыт, на­

глядно показывающий процесс возникновения э. д. с. Возьмем высокий стакан с дистиллированной водой и

введем в него два металлических электрода J и 2, соеди­

ненных друг с другом проводами через чувствительный

прибор для измерения тока - гальванометр (рис. 71). Те­ перь будем бросать в воду один за другим небольшие стеК­

лянные шарики. мы увидим, что все время, пока шарики

~AJI""".

~"/д(fPЦ/("

Рис. 71. Генератор тока (роль СТОРОНННХ сил играет сила тяжести)

в стакане падают, прибор об"наруживает электрический ток,

протекающий в проводах. Нетрудно понять, что здесь про­ исходит. При соприкосновении с водой стеклянные шарики

заряжаются отрицательно, а часть молекул "воды приобре­

тает положительный заряд (ср. рис. 13). Под влиянием си­

лы тяжести отрицательно заряженные шарики падают на

металлическую пластинку 2 и заряжают ее отрицательно,

а положительные ионы воды, поднимаясь вверх, заряжают

пластинку J положительно. В результате между пластин­

ками 1 и 2 возникает разность потенциалов (напряжение)

и создается электрическое поле, под действием" которого

в проводах происходит перемещение электронов от 2 к 1, т. е. ЭJIектрнческнй ток.

~I

· Таким образом, этот простойприбор представляет собой

генератор электрического тока, в котором роль сторонних

сил играет сила тяжести, перемещающая отрицательно за­

ряженные шарики вниз, к пластинке 2, несмотря на то что

взаимное притяжение положительных и отрицательных за­

рядов стремится воспрепятствовать их удалению друг от

друга. Преодолевая это притяжение, сила тяжести разде­

ляет заряды и тем самым обусловливает возникновение на­

пряжения между пластинками 1 и 2.

Разобранный опыт позволяет нам уяснить еще одно

очень важное обстоятельство. Если бы жидкость, в кото­ рую мы бросаем шарики, была идеальным диэлектриком *),

то, разорвав цепь между пластинками 1 и 2 и подключив

концы проводов К стержню и корпусу электрометра, мы

могли бы прямо измерить напряжение между электродами 1 и 2, которое по мере падения шариков и накопления за­ рядов на электродах все время возрастало бы. До каких пор

продолжался бы этот процесс накопления зарядов и нара­

стания напряжения ме.жду электродами? Очевидно, что по

мере роста заряда и усиления поля между электродами все

более возрастают силы электрического поля, препятствую­ щие падению шариков. Если бы жидкость была идеаль­

ным диэлектриком, то в конце концов силы электрического

поля уравновесили бы силу тяжести, падение шариков и

нарастание разности потенциалов между электродами прек­

ратились бы. мы видим, таким образом, что разность по­ тенциалов на зажимах разомкнутого генератора (в данном

случае генератором является стакан с падающими шарика­

Ми) возрастает до тех пор, пока создаваемые ею электри­

ческие силы не уравновесят сторонние силы. Это имеет место

и в случае любого другого генератора электрического тока.

Поэтому в качеС11UJе меры электродвиЖ!flЦеu силы, aeiic11UJY- ющей в генераторе, следует принять ту разность noтен­ циалов, которая создается ею на зажимах разомкнутого

генератора.

Необходимо подчеркнуть, что э. д. с. генератора щше­

ряется разностью потенциалов на его зажимах при усло­

вии, что цепь разомкнута. Если источник тока посылает

в какую-либо цепь ток, то напряжение на электродах за­

висит от силы этого тока и оно тем меньше, чем больше сила

тока. Поэтому один и тот же источник, в зависимости от

*) Дистиллированная вода не является хорошим диэлектриком для

этой цепи. Стержень и корпус электрометра оказываются соединенны­

ми проводящим (хотя И слабо) столбом воды, и между ними не сможет

установиться разность потенциалов.

силы отбираемого тока, может обладать различным напря­

жением на электродах. Максимальное из этих напряжений, существующее при разомкнутой цепи, и показывает Э. д. с.

источника.

Сказанное сохраняет смысл и в механической аналогии.

Предположим, что водопроводная сеть отключена, и спро­ сим себя, до какого уровня насос может накачивать воду в

башню? Очевидно, это будет происходить до тех пор, пока

силы давления столба воды в башне, противодействующие работе насоса, не уравновесят силу, с которой насос гонит воду. Таким qбразом, высота столба воды или, точнее, дав­

ление этого столба при отключенном водопроводе являет­

ся мерой «водоподъемной силы» насоса. Если же водопро­

водная сеть включена, т. е. происходит не только приток

воды в башню, но и ее отток, то уровень воды и давление всегда будут ниже, чем при отключенном водопроводе.

§ 40. Признаки электрического тока. Электрический ток,

как мы говорили выше, есть процесс движения зарядов в те­

ле, между участками которого создана разность потенциа­

лов. Однако природа «носителей заряда», т. е. тех заряжен­ ных частиц, движение к\)-торых составляет электрический ток, в разных случаях может быть совершенно различна. Наиболее простым и наглядным является тот случай, когда

этими носителями являются просто небольшие заряженные

крупинки вещества, например стеклянные шарики в опыте,

изображенном на рис. 71. Но такие случаи очень редки и не.

типичны для явления электрического тока. В подавляющем

большинстве случаев прохождения тока через различные

тела носителями заряда являются либ<J ионы вещества (по­

ложительно или отрицательно заряженные молекулы или

атомы), либо свободные электроны. В первом случае говорят, что вещество обладает ионной nроводu.мостью или что меха­ низм проводимости является ионным. Во втором случае го­ ворят 06 электроН/шй проводимости. Известны и случаи

смешанной проводимости, когда носителями заряда яв­

ляются и ионы и электроны одновременно.

Во всех случаях электронной и ионной проводимости

перемещение отдельных электрически заряженных частиц

непосредственно не наблюдается. Однако электрический ток

вызывает различные явления, которые не имеют места при

JIOКОЯЩИХСЯ зарядах, и по ЭТИМ сопутствующим явлениям

или признакам тока можно всегда определить наличие ТОКа.

Познакомимся с этими явлеflИЯМИ.

"00

Соединим'С источником тока приборы, изображенные на рис. 72. ГIри замыкании ключей будут происходить следую­

щие явления.

1. Нить лампочки раскаляется и начинает светиться

(рис. 72, а). Это значит, что ток вызывает нагревание про­

водника, по которому он проходит, т. е. электрический ток nроuзводит тепловое деаствие. Отметим, что в этом опыте

lfагревается не только нить, но и все остальные проводники, только менее заметно.

Рис. 72. Различные действия тока: а) све;гится электрическая лампоч­

ка накаливания; б) поворачивается перпендикулярно к проводу С током магнитная стрелка; в) выделяются водород и кислород ИЗ подкисленной воды, налитой в U-образный стеклянный сосуд

.. -

2. ~агнитная стрелка отклоняется от первоначального

положения (рис. 72, б) и остается отклоненной до тех пор,

пока ключ замкнут. Электрический ток nроuзводит маг­

нитное действие.

3. На металлических электродах 1 и 2 (рис. 72, В) выде­

ляются газы, которые поднимаются в виде пузырьков и на­

капливаются в верхней части обеих половин U-образного

сосуда, заполненного подкисленной водой. Исследуя эти

газы, можно убедиться, что на электроде, соединенном с по­

ложительным полюсом элемента, выделяется кислород, а

на электроде, соединенном с отрицательным полюсом,­

водород. Выпуская через краны оба газа в резиновую труб­

ку и погружая ее конец в мыльную воду, можно наполнить

смесью этих газов, так называемым гремучим газом, мыль­

ные пузыри. При поднесении спички пузыри взрываются.

Мы видим, что при прохождении электрического тока через

-~01

подкисленную воду происходит разделение"ее на составные

ча<;:ти. Электрический ток nроuзводит химическое действие.

Опыт показывает, что химическое действие тока наблю­

дается не во всех проводниках. Электрический ток в метал­

лах не выiыыаетT никаких химических изменений. Наоборот,

в растворах-серной кислоты, поваренной соли, селитры и

во многих других веществах ток вызывает выделение состав­

ных частей. Поэтому принято делить все проводники на две

группы: nР080дникu первого рода, в которых электрический

ток не вызывает химических действий (к ним относятся все

металлы, а также уголь), и nроводники второго рода, которые

под действием электрического тока разделяются на состав­

ные части. Проводники второго рода называют еще элекmро­ литаАtи, а само явление разложения вещества током­

электРОЛUЗО1ft (от греческого слова «лио» - разлагаю).

Б Кл

~'-~11-

~, 2 ,~,.,•• ~•••.J

1 1- 1

Рис. 73. Действие электрического тока на магнитную стрелку не за­

висит от свойств проводника, по которому течет ток. Ток, создаваемый

батареей гальванических элементов Б, при замкнутом ~люче КЛ про­ ходит через твердый (проволока J), жидкий (раствор проводящей жидкости 2) и газообразный (трубка с разреженным газом 8) провод­

ники, вызывая около каждого из них откдонение магнитной стрелки.

Стрелка устанавливается перпендикудярно к проводнику

Нагревание проводников при прохождении через них

данного тока может быть больше или меньше в зависимости от свойств проводника. В нашем опыте нить лампочки силь­ но накаливается (свыше 1500 ОС), а другие провода той же

цепи нагреваются чуть заметным образом. Некоторые ве­

щества (например, свинец) можно привести в такое состоя­

ние (получившее название сверхnроводящего), при котором

они практически совсем не нагреваются током (§ 49). Та­

ким образом, и тепЛовое, действие тока проявляется в за­

висимости от свойств проводника.,

Магнитно: же действие тока проявляется всегда, неза­

висимо от своиств проводников; магнитная стрелка, постав­

ленная параллельно с любым проводником (рис. 73), по IЮТОРОМУ идет ток определенной силы, всегда испытывает

102