§ 37. Действия электрического тока

физические явления и эффекты, возникающие в окружающей среде и проводниках при протекании электрического тока, по которым судят о его наличии, величине и направлении:

• 1. Тепловое действие — выделение внутренней (тепловой) энергии в проводнике при прохождении тока.
• 2. Химическое действие — выделение составных частей растворённых или расплавленных веществ на электродах.
• 3. Магнитное действие — возникновение магнитного поля вокруг проводника с током и силовое взаимодействие с магнитами.

физический процесс нагревания проводника при протекании электрического тока:

• 1. Микроскопический механизм — свободные электроны под действием электрического поля ускоряются и соударяются с колеблющимися положительными ионами кристаллической решётки металла, передавая им часть кинетической энергии. Амплитуда колебаний ионов возрастает, что означает увеличение внутренней энергии и температуры проводника.
• 2. Практическое применение — бытовые электронагревательные приборы (чайники, утюги, бойлеры, электроплиты), лампы накаливания, контактная точечная и шовная электросварка металлов.

жидкий раствор или расплав химического соединения (солей, кислот, щелочей), распадающегося на подвижные ионы и способного проводить электрический ток.

• 1. Носители заряда в электролитах — положительно и отрицательно заряженные ионы (катионы и анионы).
• 2. Природа тока — встречное направленное движение разноимённых ионов под действием внешнего электрического поля.

проводящие элементы, погружённые в электролит и соединяющие его с полюсами источника тока:

• 1. Анод — электрод, соединённый с положительным полюсом источника тока («+»); к нему притягиваются отрицательные ионы (анионы), отдающие электроны (окисление).
• 2. Катод — электрод, соединённый с отрицательным полюсом источника тока («–»); к нему притягиваются положительные ионы (катионы), принимающие электроны (восстановление).

совокупность электрохимических окислительно-восстановительных реакций, протекающих на поверхностях электродов в электролите под действием постоянного электрического тока:

• 1. Принцип явления — нейтрализация ионов на электродах с осаждением или выделением чистых химических элементов (металлов, газов).
• 2. Применение — гальваностегия (защитные и декоративные металлические покрытия: никелирование, хромирование, золочение), гальванопластика (высокоточное снятие копий с рельефных матриц), электрометаллургическое получение чистого алюминия, магния, меди.

фундаментальное свойство электрического тока создавать в окружающем пространстве магнитное поле:

• 1. Проявления — намагничивание железных и стальных сердечников внутри катушки с током (электромагниты), отклонение магнитной стрелки вблизи провода с током (опыт Эрстеда), силовое втягивание или поворот рамки с током в магнитном поле.
• 2. Особенность — магнитное действие сопутствует абсолютно любому электрическому току (в металлах, жидкостях, газах и вакууме) без исключений.

чувствительный электроизмерительный прибор для обнаружения малых токов и определения их направления:

• 1. Принцип действия — основан на взаимодействии постоянного магнита и легкой подвижной катушки (рамки) с током: при появлении тока в рамке магнитное поле поворачивает её, отклоняя связанную с ней стрелку на угол, пропорциональный силе тока.

Тепловое действие тока наглядно демонстрируется в классическом лабораторном опыте (рис. 82 учебника):

• Тонкая металлическая проволока (железная, никелиновая или нихромовая) горизонтально закрепляется между двумя изолированными стойками штатива и подключается через ключ к источнику тока.
• При замыкании ключа и пропускании тока проволока быстро нагревается, испытывает тепловое расширение, удлиняется и заметно провисает под собственной тяжестью.
• При дальнейшем увеличении тока проволока раскаляется докрасна и может расплавиться, что наглядно доказывает выделение внутренней тепловой энергии за счёт работы электрического поля.

В растворах и расплавах электролитов электрический ток образуют положительные и отрицательные ионы:

• Под действием электрического поля положительно заряженные ионы (катионы) направленно движутся к отрицательному электроду (катоду), а отрицательно заряженные ионы (анионы) — к положительному электроду (аноду).

• Электрод, соединённый с положительным полюсом источника тока («+»), называют анодом.
• Электрод, соединённый с отрицательным полюсом источника тока («–»), называют катодом.

• Тепловое действие тока используют:
• В бытовых и промышленных электронагревателях (электроплиты, духовки, чайники, утюги, водонагреватели, тепловентиляторы, фены).
• В освещении — классические лампы накаливания.
• В машиностроении и металлургии — контактная точечная и шовная электросварка металлов, электродуговая резка, электрические плавильные печи.
• Химическое действие тока используют:
• В гальваностегии — нанесение защитных антикоррозионных и износостойких слоёв цинка, хрома, никеля, серебра и золота на детали.
• В гальванопластике — изготовление точнейших металлических копий рельефных предметов, клише, медалей и грампластинок.
• В электрометаллургии — промышленное получение чистого алюминия, меди, натрия, калия, хлора и водорода.

Примеры проявления магнитного действия тока:

• 1) Электромагниты: стальной или железный гвоздь, обмотанный изолированным проводом, при включении тока в катушке намагничивается и мгновенно притягивает к себе мелкие железные предметы — скрепки, булавки, опилки (рис. 84 учебника); при выключении тока предметы отпадают.
• 2) Опыт Эрстеда: магнитная стрелка компаса, расположенная параллельно прямому проводнику, поворачивается перпендикулярно проводу при замыкании цепи.
• 3) Поворот рамки с током: легкая проволочная рамка, подвешенная на штативе и помещённая между полюсами подковообразного магнита, стремительно поворачивается при замыкании ключа (рис. 86 учебника).
• 4) Электромагнитные реле, звуковые динамики и электродвигатели.

В работе гальванометра используют магнитное действие электрического тока — явление механического силового взаимодействия постоянного магнита и легкой подвижной катушки (рамки) с током: возникающий вращающий магнитный момент отклоняет рамку со стрелкой пропорционально величине протекающего тока.

• Обычная водопроводная вода и водные составы жидкостных огнетушителей содержат растворённые минеральные соли и являются электролитами — отличными проводниками электрического тока.
• Попадание струи воды на электрооборудование, находящееся под напряжением, образует непрерывную токопроводящую струю прямо к человеку, вызывая смертельное поражение электрическим током.
• Кроме того, вода вызывает масштабные короткие замыкания, сопровождающиеся взрывным разбрызгиванием раскалённого металла и распространением огня.
• Сухой кварцевый песок и углекислотные / порошковые огнетушители являются диэлектриками (изоляторами); они эффективно перекрывают доступ кислорода к очагу горения, не проводя электрический ток и не создавая опасности для человека.

Нет, для классического теплового действия тока (нагревания однородных проводников по закону Джоуля — Ленца) направление тока значения не имеет.

• Независимо от того, в какую сторону направлено электрическое поле и куда дрейфуют свободные электроны (слева направо или справа налево), они непрерывно ускоряются полем и соударяются с узлами кристаллической решётки проводника.
• При каждом соударении кинетическая энергия упорядоченного движения электронов передаётся ионам металла, увеличивая хаотическую энергию их тепловых колебаний. Количество выделившейся теплоты зависит только от силы тока, сопротивления и времени ($Q = I^2Rt$), но не от знака или вектора направления тока.

Идея данного способа (называемого гальванопластикой, открытой русским академиком Б. С. Якоби) основана на химическом действии тока при электролизе:

• 1) Раствор медного купороса ($ ext{CuSO}_4$) диссоциирует на положительные ионы меди ($ ext{Cu}^{2+}$) и отрицательные сульфат-ионы ($ ext{SO}_4^{2-}$).
• 2) Восковой слепок с нанесённым электропроводящим графитовым слоем подключают к отрицательному полюсу источника тока (он становится катодом). Медную пластину-донор подключают к положительному полюсу (анод).
• 3) Под действием электрического поля положительные ионы меди ($ ext{Cu}^{2+}$) устремляются к катоду (графитированному слепку), принимают от него электроны и осаждаются в виде атомов чистой металлической меди, в точности повторяя мельчайшие микронеровности и рельеф исходного изделия.
• 4) После наращивания слоя меди нужной толщины осаждённую металлическую оболочку аккуратно отделяют от воска, получая идеальную монолитную медную копию оригинала.