§ 34. Электрический ток. Источники электрического тока

ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

В любом окружающем нас теле частицы находятся в непрерывном беспорядочном тепловом движении. Например, в металлах свободные электроны непрерывно мечутся между узлами кристаллической решётки с колоссальными скоростями (сотни километров в секунду). Однако такое хаотическое движение не приводит к переносу электрического заряда сквозь проводник: через любое поперечное сечение за одно и то же время вправо и влево пролетает в среднем одинаковое количество электронов.

Картина кардинально меняется, когда на это хаотическое движение накладывается упорядоченный дрейф частиц в одну сторону:

• Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение электрически заряженных частиц.

При возникновении тока заряженные частицы продолжают хаотически метаться, но под действием внешней силы начинают согласованно смещаться вдоль проводника (подобно рою мошкары, несущемуся общим строем под порывом ветра).

УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ДЛИТЕЛЬНОГО СУЩЕСТВОВАНИЯ ТОКА

Чтобы в проводнике возник и мог непрерывно течь электрический ток, требуется одновременное выполнение двух фундаментальных условий:

1. Наличие свободных заряженных частиц: В веществе обязательно должны присутствовать носители заряда, способные беспрепятственно перемещаться по всему объёму тела. В металлах носителями служат свободные электроны; в электролитах (водных растворах и расплавах солей, кислот и щелочей) — положительные и отрицательные ионы; в газах — положительные ионы и электроны. В диэлектриках свободные заряды отсутствуют, поэтому электрический ток в них не возникает.
2. Наличие электрического поля внутри проводника: Чтобы заставить свободные заряды двигаться упорядоченно в заданном направлении, на них должны действовать электрические силы. Это организующее электрическое поле создаётся и постоянно поддерживается источником электрического тока.

НАПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА: ПРАВИЛО И РЕАЛЬНОСТЬ

На заре изучения электричества (в конце XVIII века), задолго до открытия электрона и строения атома, учёные условились принять международное соглашение:

• За направление электрического тока условно принято направление движения положительно заряженных частиц.
• Во внешней замкнутой цепи ток течёт от положительного полюса источника тока («+») к отрицательному («-»).

Это историческое правило неизменно используется во всей мировой физике, электротехнике и схемотехнике.

Однако в наиболее распространённых проводниках — металлах — носителями тока являются отрицательно заряженные электроны. Электрическое поле отталкивает их от минуса и притягивает к плюсу. Следовательно, в металлическом проводнике электроны в действительности движутся от «-» к «+», то есть навстречу общепринятому направлению тока! Это никак не нарушает правильность расчётов, так как перенос отрицательного заряда в одну сторону физически и математически полностью эквивалентен переносу равного положительного заряда в противоположную сторону.

РОЛЬ ИСТОЧНИКОВ ТОКА И РАБОТА СТОРОННИХ СИЛ

Если соединить металлическим проводником два заряженных тела с противоположными знаками, электроны мгновенно перетекут от отрицательного тела к положительному. Заряды быстро нейтрализуются, электрическое поле исчезнет, и ток прекратится. Кратковременный импульс не годится для освещения, работы двигателей или электроники.

Чтобы ток в цепи протекал непрерывно, заряды на полюсах нужно постоянно поддерживать и разделять. Эту непрерывную работу выполняют источники электрического тока:

• В источниках тока происходит постоянное разделение разноимённых электрических зарядов.
• Разделение зарядов осуществляется силами неэлектрического происхождения (сторонними силами) — химическими, механическими, тепловыми или световыми.
• Сторонние силы совершают работу против сил кулоновского притяжения и отталкивания, накапливая на одном полюсе положительный заряд («+»), а на другом — отрицательный («-»).

Источник тока выполняет роль «электрического насоса», непрерывно перекачивающего заряды и поддерживающего электрическое поле в проводниках замкнутой цепи.

ВИДЫ ИСТОЧНИКОВ ТОКА И ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

В зависимости от того, какой вид энергии преобразуется в энергию электрического поля, различают несколько основных типов источников тока:

• Механические источники: Механическая энергия движения превращается в электрическую. К ним относятся лабораторная электрофорная машина (разделение зарядов трением и индукцией при вращении дисков) и мощные электромашинные генераторы электростанций, где гигантские турбины вращаются потоками воды (ГЭС), пара (ТЭС, АЭС) или ветра.
• Термоэлементы (термопары): Внутренняя (тепловая) энергия напрямую преобразуется в электрический ток. Если спаять два конца проволок из разных металлов (например, меди и константана) и нагреть место их спая, между свободными концами возникает разность потенциалов. Термопары незаменимы для измерения сверхвысоких температур в металлургических печах и в ядерных реакторах.
• Фотоэлементы (солнечные батареи): Энергия квантов света (излучения) выбивает электроны из кристаллической решётки полупроводников (чаще всего кремния), создавая ток. Солнечные батареи питают космические спутники, орбитальные станции, уличные фонари и калькуляторы.
• Химические источники: Энергия химических реакций превращается в электрическую энергию. К этой важнейшей группе относятся одноразовые гальванические элементы (батарейки) и многоразовые аккумуляторы.

УСТРОЙСТВО СУХОЙ БАТАРЕЙКИ (ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ)

Самым популярным портативным химическим источником тока является сухой солевой гальванический элемент (обычная пальчиковая батарейка):

1. Цинковый стаканчик (корпус): Выполняет роль отрицательного электрода («-»). Вступая в реакцию с наполнителем, цинк окисляется и отдаёт электроны корпусу.
2. Угольный стержень: Расположен по центру и снабжён сверху металлическим колпачком. Служит положительным электродом («+»).
3. Смесь оксида марганца(IV) (MnO₂) и измельчённого графита: Окружает угольный стержень. Она служит деполяризатором, связывающим выделяющийся водород и предотвращающим быстрое падение тока при разряде.
4. Пастообразный электролит: Пространство между цинком и оксидом марганца заполнено густой желеобразной пастой из раствора хлорида аммония (нашатыря, NH₄Cl) с крахмалом. Пастообразная консистенция не даёт электролиту вытекать, делая элемент удобным и безопасным в быту («сухим»).

Гальванические элементы относятся к устройствам одноразового действия: по мере растворения цинка и истощения запаса реактивов батарейка вырабатывает свой ресурс и подлежит утилизации.

АККУМУЛЯТОРЫ: МНОГОРАЗОВЫЕ НАКОПИТЕЛИ ЗАРЯДА

В отличие от одноразовых батареек, аккумуляторы (от латинского accumulator — собиратель, накопитель) способны циклически накапливать и отдавать энергию благодаря обратимости химических реакций:

• Разрядка: Аккумулятор работает как химический источник тока. Химическая энергия превращается в электрическую, обеспечивая питание нагрузки, а активная масса электродов постепенно видоизменяется.
• Зарядка: Через разряженный аккумулятор пропускают постоянный электрический ток от внешнего генератора или сети в обратном направлении. Электрический ток заставляет химические реакции пойти в обратную сторону, полностью восстанавливая исходное состояние электродов и плотность электролита. Аккумулятор накапливает («аккумулирует») энергию и снова готов к работе.

Классический свинцово-кислотный аккумулятор состоит из свинцовых решётчатых пластин, погружённых в раствор серной кислоты (H₂SO₄). При зарядке одна группа пластин покрывается оксидом свинца PbO₂ (положительный полюс), а вторая восстанавливается до чистого губчатого свинца Pb (отрицательный полюс).

Современные технологии: В современных смартфонах, ноутбуках и электромобилях применяются литий-ионные аккумуляторы. Покрытие электродов проводящими нанокристаллами увеличивает эффективную площадь контакта с электролитом в сотни раз, что позволяет безопасно заряжать современные устройства колоссальными токами всего за несколько десятков минут.