Електричний струм - статті
Безпритульні електрони метушаться всередині металу. Як змусити їх рухатися в заданому напрямку?
Ми входимо в кімнату, натискаємо на клавішу вимикача і запалюємо електричну лампу, що висіла над столом. Що ж відбувається в настільки звичною нам ситуації? Ви скажете: «Це зовсім просто! Замкнувся ланцюг електричного струму. Струм тече по нитці лампи, нагріває її, і лампа світиться ». Ваш відповідь правильна, проте без роз'яснення терміна «електричний струм» оп не зрозумілий.
Розкриємо підручник фізики. Там написано, що електричним струмом називають впорядковане (спрямований) 'рух електричних зарядів. Нова загадка! Що неї таке електричний заряд? Наша ланцюжок питань виникла цілком закономірно, однак ми вхопилися за неї не з того кінця. Насправді вивчення електричних явищ почалося з того моменту, коли виявилося, що за певних умов два тіла, наприклад два легких паперових кульки, підвішених на шовкових нитках, взаємно притягуються або відштовхуються один від одного. Відштовхування спостерігається, наприклад, якщо спочатку натирати вовняною ганчіркою ебонітову паличку, а потім торкнутися цієї паличкою спочатку однієї кульки, а потім іншого. Для того щоб пояснити це явище і багато інших, в науку було введено поняття про електричний заряд - деякої порції електрики, що має або позитивний, або негативний знак.
Досліди показали, що однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні - притягуються один до одного (рис. 2).
Не будемо тут викладати численні подальші досліди, які підтвердили, що уявлення про існування позитивних і негативних електричних зарядів дозволяє правильно витлумачити результати багатьох спостережень. Вчені навчилися вимірювати електричні заряди і поки не виявили в природі існування порції заряду меншою, ніж 1,6 * 10 ^ -19 Кл.
Одиниця електричного заряду носить ім'я французького фізика Кулона. Заряд, що дорівнює мінус 1,6 • 10 ^ -19 Кл, має елементарна частинка, названа електроном. Зарядом плюс 1,6-10 ^ -19 Кл мають елементарні частинки позитрон і протон.
Досліди показали, що будь-які заряди завжди кратні елементарному заряду, або позитивного, або негативного (рис. 3).
Отже, спочатку були виявлені електричні заряди, а вже потім почали вивчати їх рух і супутні цьому руху явища. Направлений рух заряджених частинок назвали електричним струмом. Струм, поточний через лампочку кишенькового ліхтаря, в який вставлена батарейка, не змінюється ні за величиною, ні за спрямуванням, тому такий струм називають постійним.
Металева нитка лампочки має кристалічну структуру і складається з позитивно заряджених частинок - іонів, між якими рухаються електрони. Іон - це атом, що втратив хоча б один електрон. Ви, звичайно, знаєте, що кожен атом речовини складається з позитивно зарядженого ядра і оточуючих це ядро електронів. Сумарний заряд всіх електронів дорівнює по абсолютній величині заряду ядра. Тому повний заряд атома дорівнює нулю - атом нейтральний. Отже, кристалічна решітка металу складається з «міцно зчепилися між собою» іонів. Іони решітки заряджені однойменною зарядом і, здавалося б, повинні відштовхуватися один від одного. Як же утворюється решітка? Тут справа в тому, що між іонами діють не тільки електричні сили відштовхування, а й сили ІНШОЇ, що не електричної природи. Ці сили і утримують іони, в результаті чого утворюється кристалічна решітка.
«Зчепилися» іони, що становлять кристалічну решітку, не можуть переміщатися по металу і тому не здатні утворити спрямований рух електричних зарядів - електричний струм.
Звичайно, іони не варті, як укопані, в вузлах кристалічної решітки. Вони, як би «пританцьовують» на місці тим сильніше, чим вище температура металу. Такий рух притаманне атомам будь-якої речовини. Воно називається тепловим. Доторкаючись до нагрітого тіла, ми фактично відчуваємо пальцями це рух.
Тепловий рух іонів в металі не утворює електричного струму, але істотно впливає на рух відірвалися від атомів електронів. А саме це рух електронів, які називаються вільними, і утворює електричний струм.
Чому відірвалися від атомів електрони в металі називаються вільними? Справа в тому, що ці електрони «забувають свій атом» і вільно переміщаються між іонами кристалічної решітки металу. Їх рух вельми схоже з рухом молекул газу, укладеного в посудину. Тому іноді вільні електрони в металі називають "електронним газом" Для того щоб вільні електрони утворили електричний струм, треба змусити їх рухатися переважно в одну сторону. Цю функцію бере па себе батарейка кишенькового ліхтаря. Вона змушує електрони <убегать» от отрицательного полюса к положительному; при этом положительный полюс «проглатывает» прибегающие к нему электроны, а отрицательный полюс «выбрасывает» электроны в провод, соединяющий батарейку с лампочкой.
Батарейка, яку називають джерелом електрорушійної сили, здатна виконувати цю роботу, тому що всередині її відбувається хімічна реакція. Резуль-1 атом реакції є поділ позитивних і негативних зарядів, т. Е. Подолання електричних сил взаємного тяжіння цих зарядів. Коли запаси речовин, що беруть участь в хімічній реакції всередині батарейки, вичерпуються, лампочка ліхтаря поступово гасне. Отже, в металі електричний струм утворюється вільними електронами. Якщо немає ніяких зовнішніх причин, які змушують електрони рухатися в одному напрямку, то електрони переміщаються до всіх можливих боку, натикаючись на іони кристала, один па одного і безперервно змінюючи напрямок руху. У металі панує хаос і в середньому число електронів, що рухаються назустріч один одному, однаково. Такий рух електронів, як і «тремтіння» іонів, також є тепловим. Чим вище температура металу, тим в середньому швидше рухаються електрони і сильніше «тремтять» іони.
На малюнку ми зобразили розташування електронів (представляючи їх у вигляді біжать чоловічків) в довільно обраний момент часу. Стрілки показують напрямки руху електронів. Довжина стрілок пропорційна швидкості руху електронів. Ви бачите на малюнку стрілки різної довжини, так як швидкості електронів не однакові ні по модулю, ні за спрямуванням. Проте, при заданій температурі металу можна знайти середню швидкість електронів, якщо скласти довжини всіх стрілок, не враховуючи їх напрямки, і розділити на число електронів. При кімнатній температурі ця середня швидкість дорівнює приблизно 10 ^ 7 см / с. Зверніть увагу па це число - електрони рухаються дуже швидко!
Тепер складемо швидкості всіх електронів, враховуючи, напрямок швидкостей. Для того щоб це зробити, треба знати, як складаються два вектора, так як швидкість - величина векторна. Правило додавання векторів, зване правилом паралелограма, легко зрозуміти, подивившись на малюнок 5.
Склавши по черзі всі швидкості електронів металу (як вектори!), Ми отримаємо дуже невелику сумарну швидкість, багато меншу, ніж середня швидкість електронів. Повторюючи цю операцію для різних моментів часу, ми зможемо переконатися в тому, що сумарна швидкість електронів приймає всілякі випадкові напрямки і залишається настільки малою, що її можна вважати рівною нулю. Отже, сумарна швидкість електронів, що здійснюють в металі тепловий рух, в середньому дорівнює нулю. Малі відхилення цієї швидкості від нуля можна розглядати як спрямоване переміщення зарядів, т. Е. Як електричний струм. Однак величина і напрямок цього струму хаотично змінюються. Такий струм називають флуктуаційна. Флуктуації струму в провідниках є однією з причин шумів, що виникають в електронній апаратурі.
Для отримання не флуктуаціоіного струму треба до хаотичного руху електронів (від нього не можна позбутися!) Додати спрямований рух. Такий рух можна створити, якщо подіяти на всі електрони з силою заданого напрямку, тобто створити в металі електричне поле. У прикладі, з якого ми почали, в електричному ланцюзі кишенькового ліхтаря електричне поле створюється батарейкою - джерелом електрорушійної сили. Тепер до кожної стрілкою Про треба додати стрілку - вектор Н, збігається з напрямком сили. На малюнку 6 показано для п'яти електронів. Тут стрілки Про відповідають швидкостям електронів при відключенні батарейки. Стрілки Е, отримані складанням (за правилом паралелограма) швидкостей Я і О, показують швидкості електронів при включенні батарейки. Ясно, що якщо скласти швидкості всіх електронів і визначити середню швидкість, то вона виявиться приблизно однаковою Н. Напрямок Н протилежно напрямку електричного струму, так як електрони мають негативний заряд, а за напрям струму вибирається напрямок зарядів