Электричество в нашей жизни: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Нажатием поршня мы лишь привели в движение всю массу воды, которая заполняет трубу. Отдельные частицы воды двигались, очевидно, со скоростью, равной скорости движения поршня. Наружу вышли те частицы воды, которые находились у выходного конца трубы.

Нечто похожее происходит и в металлическом проводнике со свободными электронами при подключении его к источнику тока. Свободные электроны под действием своеобразного «электрического напора» — электрического напряжения — тотчас начинают упорядоченно двигаться во всех участках проводника. Вот почему при включении лампочки, удалённой даже на десятки километров от электростанции, не приходится ожидать, пока электричество «дойдёт» до лампочки.

Что же заставляет свободные электроны непрерывно следовать вдоль проводника в определённую сторону?

Обратимся снова к примеру. Представим себе два сосуда, соединённых внизу трубкой с краном. Закроем кран и наполним сосуды водой до разных уровней.

Если теперь мы откроем кран, то вода начинает течь из сосуда с более высоким уровнем в сосуд с меньшим уровнем воды. Чем выше уровень воды в сосуде, тем больше её давление на дно сосуда. Разность уровней и есть причина возникновения разности давлений воды у концов соединительной трубки, то-есть силы, заставляющей воду перетекать из одного сосуда в другой. Как только уровни выравниваются, ток воды прекращается.

Приведённый пример помогает нам уяснить причину возникновения электрического тока. Разность уровней воды в сосудах можно уподобить разности «электрических уровней» — напряжению на полюсах источника электрического тока. Момент открывания крана в соединительной трубке соответствует замыканию электрической цепи выключателем.

Следует, однако, подчеркнуть коренное отличие тока жидкости от электрического тока. В первом случае движущая сила — это разность давлений в жидкости, тогда как причиной движения свободных электронов по проводнику служит электрическая сила притяжения электронов к положительно заряженному полюсу источника тока и отталкивание от отрицательно заряженного полюса.

Приходя на положительный полюс источника тока, электроны нейтрализуют его положительный заряд. Понятно, что без постоянного возобновления этого заряда ток тотчас же прекратился бы. Роль любого источника тока в том и состоит, чтобы поддерживать на концах проводника разноимённые заряды, вновь и вновь «перекачивая» на отрицательный полюс электроны, которые пришли на положительный полюс источника под действием электрических сил из внешней цепи. Так, например, в батарейке карманного фонаря это достигается благодаря химическим процессам, протекающим в ней. Отметим, кстати, что и для создания постоянного тока жидкости в сообщающихся сосудах мы также должны всё время перекачивать жидкость из одного сосуда в другой, искусственно поддерживая разность уровней.

Итак, причиной электрического тока в проводнике служит разность электрических уровней полюсов источника тока, к которому присоединён проводник. Эта разность электрических уровней и есть напряжение в цепи. Напряжение измеряется в особых единицах — вольтах.

3. ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Опытным путём установлено, что не все вещества проводят электрический ток.

Фарфор и стекло, разные смолы, пластмассы, слюда, дерево, резина, масло, обычный сухой воздух — очень плохие проводники электричества, их называют изоляторами.

Несравненно лучшую проводимость имеют металлы: серебро, медь, алюминий.

Однако и вещества, хорошо проводящие электрический ток, оказывают ему сопротивление. Причина этого кроется в том, что движение «свободных» электронов в веществе не происходит вполне свободно. Электроны всё время встречают на своём пути атомы и сталкиваются с ними. Движение электронов тормозится и они теряют свою энергию. Так возникает сопротивление потоку электронов, то-есть электрическому току.

Электрическое сопротивление можно измерить или вычислить. Единица электрического сопротивления называется омом. Сопротивление проводника тем больше, чем он тоньше и длиннее. Например, нить горящей электрической лампочки накаливания, рассчитанной на напряжение в 120 вольт, обладает сопротивлением в 300–350 омов. Сопротивление электрической плитки составляет 50–70 омов.

От столкновения с электронами атомы вещества начинают энергично колебаться. А так как теплота — это энергия колебаний атомов, то проводник, по которому проходит ток, нагревается. Чем больше сопротивление проводника и чем сильнее ток, тем больше выделяется тепла.

Основываясь на законах теплового действия тока, мы строим самые разнообразные электротепловые приборы. Электросварочные аппараты, электрические лампочки накаливания, электрические плитки, утюги, чайники, инкубаторы, электросушилки — всё это приборы и аппараты, использующие тепловое действие электрического тока.

Законы теплового действия тока установил русский физик Э. X. Ленц.

Наряду с тепловым действием электрический ток может оказывать также химические действия. На использовании химических действий тока основаны многие отрасли электрохимического производства.

Когда электрический ток проходит по металлическому проводнику, то никаких изменений в самом веществе металла не происходит. Совсем иное наблюдается при прохождении тока через растворы солей, кислот, щелочей. Такие жидкие проводники электричества называют электролитами. Погружённые в электролит пластины, к которым подводится ток, называются электродами.

При растворении солей, кислот и щелочей в воде их молекулы расщепляются на частицы, несущие положительные и отрицательные заряды. Эти частицы называются ионами, а само расщепление молекул — электролитической диссоциацией.

Если присоединить к электродам источник тока, то положительные ионы начинают двигаться к отрицательному электроду (катоду), а отрицательные ионы — к положительному электроду (аноду) (рис. 1). Другими словами, в электролите возникает электрический ток. Но этот ток отличен от тока в металлическом проводнике: там двигаются свободные электроны в одном направлении, здесь же мы наблюдаем одновременно два встречных потока ионов — более тяжёлых частиц. Так например, в растворах солей положительные ионы — это атомы металла, потерявшие один или несколько электронов.

При прохождении тока через растворы солей положительные ионы металла достигают катода. Но на катоде имеется избыточный отрицательный заряд — электроны, непрерывно поступающие сюда от отрицательного полюса источника тока. Ионы металла нейтрализуются этими электронами, превращаются в обычные атомы металла и оседают на катоде.

Часто прохождение тока через электролит сопровождается вторичными реакциями — образованием возле электродов новых соединений.

Электролитическим способом добываются при переработке руды цветные металлы: медь, алюминий, свинец, цинк, магний и другие. Химическое действие тока используется для получения водорода, хлора и каустика из водного раствора поваренной соли, выделения так называемой «тяжелой воды», используемой в производстве атомной энергии. Электролитическим методом производятся химические удобрения, лечебные препараты и многие другие продукты, необходимые в народном хозяйстве. При помощи электролиза производится никелировка, хромирование, посеребрение металлических предметов.

Русским академиком Борисом Семёновичем Якоби в 1837 году был найден электролитический способ получения металлических оттисков с предметов — гальванопластика.

Электрический ток обладает ещё одним важным свойством: он воздействует на находящуюся вблизи магнитную стрелку.

Каждый может легко проделать такой опыт. К одному из металлических выводов батарейки электрического фонарика плотно прикрутите оголённый провод (рис. 2). Затем возьмите обычный карманный компас и поместите его под проводом. Если теперь прикоснуться другим концом провода к свободному металлическому язычку батарейки, то магнитная стрелка компаса отклонится в сторону.