§ 34. Электрический ток. Источники электрического тока

упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц:

• 1. В металлических проводниках — представляет собой направленное упорядоченное движение свободных электронов.
• 2. Причина возникновения — действие электрического поля внутри проводника на свободные заряженные частицы.

обязательные физические факторы для возникновения тока:

• 1. Наличие свободных заряженных частиц — электронов (в металлах) или положительных и отрицательных ионов (в электролитах и ионизированных газах).
• 2. Наличие электрических сил — электрического поля, создаваемого источником тока, которое заставляет свободные заряды непрерывно двигаться в определённом направлении.

исторически принятое соглашение в физике:

• 1. Каноническое направление — за направление тока условно принято направление, по которому движутся (или могли бы двигаться) положительные заряды: во внешней цепи строго от положительного полюса источника к отрицательному («+» к «–»).
• 2. Реальное движение электронов — в металлах отрицательно заряженные электроны под действием кулоновских сил движутся в противоположную сторону: от отрицательного полюса к положительному («–» к «+»).

специальные устройства, в которых совершается работа по разделению нейтральных молекул на положительно и отрицательно заряженные частицы за счёт сторонних сил неэлектрического происхождения.

• 1. Полюсы источника — места, к которым подсоединяются внешние проводники; на положительном полюсе («+») накапливается избыток положительного заряда, на отрицательном («–») — избыток отрицательного.
• 2. Превращение энергии — механическая, химическая, внутренняя или лучистая энергия превращается в энергию электрического поля.

• 1. Электрофорная машина — механическая энергия вращения дисков превращается в электрическую за счёт трения и электростатической индукции.
• 2. Термоэлемент (термопара) — внутренняя (тепловая) энергия непосредственно преобразуется в электрическую при нагревании места спая двух разнородных металлов.
• 3. Фотоэлемент — лучистая энергия света (квантов излучения) превращается в электрическую за счёт фотоэффекта в полупроводниках.
• 4. Гальванический элемент (батарейка) — одноразовый химический источник, где химическая энергия окислительно-восстановительных реакций превращается в электрическую.
• 5. Аккумулятор — перезаряжаемый химический источник тока многоразового действия; восстанавливает свой исходный химический состав при подзарядке пропусканием тока от внешнего генератора.
• 6. Электромеханический генератор — промышленная машина электростанций (ГЭС, ТЭС, АЭС), преобразующая механическую энергию вращения турбины в электрическую энергию.

• 1. Цинковый сосуд (корпус) — служит отрицательным электродом («–»); при химической реакции цинк растворяется, оставляя свободные электроны в корпусе.
• 2. Угольный стержень с металлической крышкой — служит положительным электродом («+»).
• 3. Деполяризатор и электролит — угольный стержень окружён порошковой смесью оксида марганца(IV) (MnO₂) и измельчённого графита; пространство заполнено густым желеобразным раствором соли — хлорида аммония (NH₄Cl).

• 1. Конструкция — простейший кислотный аккумулятор состоит из свинцовых электродов, погружённых в раствор серной кислоты (H₂SO₄).
• 2. Зарядка — пропускание постоянного тока от внешнего источника вызывает протекание химических реакций, в результате которых один электрод покрывается оксидом свинца(IV) (PbO₂), становясь положительным («+»), а второй восстанавливается до металлического свинца (Pb), становясь отрицательным («–»).
• 3. Нанотехнологии в аккумуляторах — покрытие пластин проводящими нанокристаллами повышает активную площадь поверхности в сотни раз, увеличивая рабочий ток и сокращая время зарядки до нескольких минут.

Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение электрически заряженных частиц (электронов в металлах, ионов в растворах и расплавах электролитов, электронов и ионов в газах).

Для длительного и устойчивого существования электрического тока в проводнике необходимы два обязательных физических условия:

• 1) Наличие свободных заряженных частиц в веществе проводника (свободных электронов или ионов), способных перемещаться по всему объёму.
• 2) Наличие сил, действующих на свободные заряды в определённом направлении, т. е. наличие электрического поля внутри проводника, которое непрерывно поддерживается источником тока.

Исторически на заре развития электродинамики за направление электрического тока было условно принято направление движения положительно заряженных частиц. Это каноническое правило действует в науке и технике и поныне.

Во внешнем проводнике, присоединённом к источнику тока, электрический ток направлен от положительного полюса источника тока («+») к отрицательному полюсу («–»). (При этом сами свободные электроны в металлических проводниках под действием поля физически перемещаются в противоположном направлении — от минуса к плюсу).

Внутри источников тока за счёт действия сторонних неэлектрических сил совершается работа по пространственному разделению разноимённых зарядов, в результате чего:

• В электрофорной машине — механическая энергия превращается в электрическую.
• В термоэлементах — внутренняя (тепловая) энергия нагревателя превращается в электрическую.
• В фотоэлементах — лучистая световая энергия превращается в электрическую.
• В гальванических элементах и аккумуляторах — химическая энергия превращается в электрическую.
• В генераторах электростанций — механическая энергия турбины превращается в электрическую.

Устройство бытового сухого гальванического элемента (батарейки):

• 1) Внешний цинковый цилиндрический стакан (сосуд), выполняющий роль отрицательного электрода.
• 2) Центральный угольный стержень с металлической контактной крышкой, служащий положительным электродом.
• 3) Окружающая угольный стержень увлажнённая порошкообразная смесь диоксида марганца (MnO₂) и размельчённого графита.
• 4) Пространство между цинковым стаканом и смесью, заполненное пастообразным желеобразным раствором электролита — соли хлорида аммония (NH₄Cl).
• Сверху элемент герметично заливается изоляционной смолой или пластиковой шайбой.

В сухой гальванической батарейке:

• Отрицательным полюсом («–») является металлический цинковый корпус (донышко батарейки). В ходе химической реакции цинк окисляется и растворяется, посылая положительные ионы Zn²⁺ в электролит и оставляя свободные электроны на стенках корпуса.
• Положительным полюсом («+») является выступающий угольный стержень с металлической контактной крышкой, на котором концентрируется высокий положительный потенциал.

Простейший свинцово-кислотный аккумулятор представляет собой химический источник тока многоразового действия:

• В химически стойкий резервуар с электролитом — водным раствором серной кислоты (H₂SO₄) — погружены две системы параллельных пластин-электродов, изготовленных из пористого свинца.
• Для приведения в рабочее состояние аккумулятор подвергают процессу зарядки: через него пропускают ток от внешнего генератора.
• В результате электрохимических реакций поверхность положительного электрода превращается в диоксид свинца (PbO₂), а отрицательный электрод восстанавливается до чистого губчатого свинца (Pb). При замыкании цепи нагрузки реакции протекают в обратном направлении, создавая ток до полной разрядки аккумулятора.

Благодаря возможности многократной перезарядки аккумуляторы широко применяются:

• 1) В автомобильном, водном и авиационном транспорте — стартерные аккумуляторные батареи для запуска ДВС, питания бортовых сетей, световых приборов и навигационных систем, а также тяговые аккумуляторы современных электробусов и электромобилей.
• 2) В железнодорожном транспорте — для автономного освещения и вентиляции пассажирских вагонов на стоянках.
• 3) В портативной микроэлектронике и быту — литий-ионные и полимерные аккумуляторы питают мобильные телефоны, смартфоны, ноутбуки, дроны, фонари, шуруповёрты и электросамокаты.
• 4) В энергетике и медицине — промышленные стационарные батареи в системах бесперебойного электропитания (ИБП) узлов связи, серверов, космических станций и реанимационных отделений больниц.

Да, говорить о наличии электрического тока в стержне в этот момент абсолютно правомерно.

• В момент соприкосновения пальца со стержнем возникает замкнутая проводящая цепь «электроскоп — рука — тело человека — Земля».
• Под действием разности потенциалов свободные заряженные частицы (электроны) приходят в упорядоченное направленное движение: избыточные электроны со стержня и лепестков стекают через тело в землю (или, если прибор был заряжен положительно, электроны из земли устремляются в стержень для его нейтрализации).
• Любое упорядоченное движение зарядов по определению является электрическим током, хотя в данном случае этот ток является кратковременным (импульсным).

Да, в данном случае имеет место конвекционный электрический ток.

• Электрический ток — это любое направленное перемещение электрических зарядов в пространстве. Заряженные частицы вовсе не обязательно должны двигаться внутри твёрдого металлического провода под действием стационарного поля: механический перенос зарядов макроскопическими телами (каплями дождя, частицами пыли, ионами воздуха) также создаёт электрический ток.
• Падающая наэлектризованная дождевая капля переносит свой избыточный заряд из верхних слоёв атмосферы к поверхности Земли. Совокупное движение миллиардов таких капель образует вертикальный нисходящий ток зарядов между грозовым облаком и землёй.