3.2 Электрический ток

Электрический ток в металлических проводниках, жидкостях и газах. Закон Ома. Электропроводимость биологических тканей. Действие электрического тока на живой организм. Ионизация молекул. Плазма и ее использование в химии. Электрокинетические явления (электрофорез, электроосмос).

Литература: [1, с. 54–75]; [2, с. 269–309]

Электрическим током называется направленное движение электрически заряженных частиц. За направление тока принято считать направление движения положительных зарядов. Основной характеристикой электрического тока является сила тока I, численно равная заряду, протекающему через поперечное сечение проводника в единицу времени:

(3.2.1)

Единицей измерения силы тока в СИ является ампер (А): 1А=1Кл/с. Если сила тока и его направление с течением времени не изменяются, такой ток называют постоянным.

Пусть на концах некоторого проводника длины l имеется разность потенциалов Δφ=φ₁– φ₂ (φ₁> φ₂ ).

Рисунок 3.4

Данная разность потенциалов создаст внутри проводника электрическое поле с напряженностью . В проводнике возникнет направленное движение электрических зарядов (электрический ток) от большего потенциала к меньшему. С течением времени движение зарядов приведет к выравниванию потенциалов во всех точках. Электрическое поле в проводнике исчезнет и ток прекратится. Таким образом, первым необходимым условием существования электрического тока является наличие разности потенциалов Δφ не равной нулю. Для ее поддержания необходимо специальное устройство, с помощью которого будет происходить разделение зарядов на концах проводника. Такое устройство называют генератором или источником тока. В качестве источника тока используются гальванические элементы, аккумуляторы, термоэлементы, фотоэлементы и т.д. Источник тока выполняет одновременно и второе условие возникновения электрического тока – он замыкает электрическую цепь, по которой можно было бы осуществлять непрерывное движение зарядов. Ток течет по внешней части цепи – проводнику и по внутренней – источнику тока.

Рисунок 3.5

Источник тока имеет два полюса: положительный (+) с более высоким потенциалом и отрицательный (–) с более низким потенциалом. На отрицательном полюсе создается избыток электронов, а на положительном – недостаток.

Разделение зарядов в источнике тока производится с помощью сил имеющих неэлектрическую природу (механическую, химическую, тепловую и т.д.), так как электрические силы могут только соединять, но не разделять разноименные заряды. Поэтому эти силы называют сторонними.

Разделению и переносу зарядов внутри источника тока препятствуют внутреннее электрическое поле, направленное от плюса к минусу и механические силы сопротивления среды источника тока (например, вязкость электролита в аккумуляторе). Поэтому работа А сторонней силы по разделению зарядов равна:

А = А_ист + А^' (3.2.2)

где А_ист = q(φ₁– φ₂ ) работа против сил электрического поля; А^' – работа совершаемая против механических сил сопротивления среды источника.

Работа, совершаемая сторонней силой по перемещению вдоль данного участка цепи единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) и обозначается ε. В частности для источника тока:

(3.2.3)

Используя (1.10.2) для источника тока получим:

(3.2.4)

Если полюса источника разомкнуты, то А^'=0 и

ε = φ₁– φ₂ (3.2.5)

т.е. ЭДС источника тока при разомкнутой внешней цепи равна разности потенциалов, которая создается на его полюсах.

Разность потенциалов на полюсах источника тока, замкнутого внешней электрической цепью называется напряжением источника тока U. Напряжение источника тока меньше ЭДС на величину :

(3.2.6)

Кроме того, на любом участке внешней электрической цепи существует некая разность потенциалов, она называется падением напряжения (напряжением) U на данном участке цепи.

Очевидно, что напряжение и ЭДС измеряются также как и разность потенциалов в вольтах.

Как известно носителями зарядов в металлах являются свободные электроны. Таким образом, ток в металлических проводниках это направленное движение свободных электронов (несмотря на то, что за направление тока принято направление движения положительно заряженных частиц).

Еще в 1826 году немецкий физик Ом опытным путем установил, что сила тока в проводнике пропорциональна напряжению U между концами проводника:

I = kU (3.2.7)

где k – коэффициент пропорциональности, называемый электропроводностью или проводимостью проводника. Величина

(3.2.8)

обратная проводимости, называется электрическим сопротивлением проводника. Тогда

(3.2.9)

Выражение (3.2.9) называется законом Ома для участка цепи (не содержащего источник тока). Единица измерения сопротивления получила название Ом. Из (3.2.9) следует, что: 1 Ом = 1 В/А.

Сопротивление, оказываемое току металлическим проводником, обусловлено столкновением свободных электронов с ионами металла. Оно зависит от формы, размеров и вещества проводника:

(3.2.9)

где l – длина проводника, S – площадь его поперечного сечения, ρ - удельное сопротивление, коэффициент пропорциональности, характеризующий материал из которого изготовлен материал. Единица измерения удельного сопротивления Ом·м.

Опыт показывает, что ток всегда вызывает некоторое нагревание проводника. Нагревание обусловлено переходом кинетической энергии движущихся по проводнику электронов с ионами кристаллической решетки в теплоту. Данное количество теплоты определяется законом Джоуля - Ленца

(3.2.10)

где I – сила тока в проводнике, R – сопротивление, t – время прохождения тока через проводник. Именно на тепловом действии тока основана работа ламп накаливания, электропечей, электросварки, бытовых электронагревательных приборов и т.д.

В отличие от металлов ток жидкостях это направленное движение ионов. Вещества растворы, которых проводят электрический ток, получили название – электролиты. Многие кислоты, соли и щелочи в растворах обладают способностью к диссоциации (распаду молекул на положительные (катионы) и отрицательные (анионы) ионы). Этот процесс обусловлен колебанием атомов в молекуле электролита и тем, что молекулы растворителя и электролита являются электрическими диполями (молекулы растворителя разрывают молекулу электролита на части). Такой процесс называют электролитической диссоциацией. В отсутствии внешнего электрического поля катионы и анионы в растворе движутся хаотично. При наличии поля (например, если опустить в раствор электроды источника тока) в растворе возникает электрический ток. Катионы упорядоченно движутся по полю от плюса к минусу, анионы против направления внешнего электрического поля. Подходя к электродам ионы, нейтрализуются и оседают на электродах или же выделяются вблизи электродов в виде газа. Такой процесс называется электролизом. Количественные закономерности электролиза были установлены английским физиком Фарадеем

m = kq = kIt (3.2.11)

где m – масса вещества, выделяющаяся на электроде, q – заряд, прошедший через раствор, I – сила тока в растворе, t – время, k - электрохимический эквивалент, постоянная для данного вещества величина.

(3.2.12)

где M – молярная масса вещества, z – валентность, F=eN_А=96500 Кл/моль – постоянная Фарадея (e – элементарный заряд, N_А – постоянная Авогадро). Электролиз нашел широкое практическое применение. Так получают и очищают от примесей некоторые металлы и газы. Посредством электролиза различные изделия покрывают слоем металла. На электролизе основана зарядка аккумуляторов. Практическое использование электрохимических процессов дало толчок развитию современной области промышленности – электрохимии.

Все жидкости животных и растительных организмов являются растворами электролитов, а, следовательно, хорошими проводниками электрического тока. Прохождение тока через живой организм сопровождается химическими реакциями и перераспределением электрических зарядов, что вызывает в нем разнообразные раздражения. Интенсивность раздражения определяется в основном силой тока. Постоянный ток уже в несколько сотых долей ампера вызывает в организме человека сокращение мышц (человек не в состоянии выпустить оголенный провод), параличи, расстройство дыхания и кровообращения. Более сильные токи могут оказаться смертельными. Сила тока, проходящего через организм, зависит от его сопротивления. У человека оно в основном определяется сопротивлением кожи (удельное сопротивление кожи достигает 10³ Ом·м). Сопротивление человеческого тела весьма значительно. При сухой неповрежденной коже рук сопротивление от конца одной руки до конца другой достигает 15000 Ом. По электропроводимости живой организм очень неоднороден. В нем можно выделить хорошо проводящие участки (нервные ткани, биологические жидкости) и участки с низкой проводимостью (кожа, костная ткань, оболочки клеток).

Природа электрического тока в газах значительно отличается от тока в металлах и жидкостях. Газ в естественном состоянии состоит из нейтральных молекул (атомов) и не проводит электричества. Для того чтобы газ начал проводить электрический ток хотя бы часть его молекул необходимо ионизировать (превратить в ионы и свободные электроны). Ионизаторами газа могут служить интенсивное нагревание, радиоактивные излучения, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение и некоторые другие факторы. При наличии внешнего электрического поля в ионизированном газе возникает электрический ток, обусловленный направленным движением разноименных ионов и электронов. Процесс прохождения электрического тока через газ называют газовым разрядом. Различают несамостоятельный и самостоятельный газовый разряды. Несамостоятельный газовый разряд, ток, который прекращается после прекращения действия ионизатора. Самостоятельный газовый разряд – ток, который продолжается и после прекращения действия внешнего ионизатора. Ионы и электроны необходимые для поддержания самостоятельного разряда, создаются самим разрядом в результате внутренних процессов (например, самоионизации газа при сильных электрических полях). В зависимости от давления газа и напряженности электрического поля выделяют несколько видов самостоятельного разряда.

Искровой разряд возникает при давлениях близких к нормальному и напряженности электрического поля порядка 10⁶ В/м. Он имеет вид ярко светящегося разветвленного канала (стримера) и сопровождается сильным треском. Газ в канале нагревается до очень высокой температуры (порядка 10⁴ К). Треск обусловлен звуковыми волнами, возникающими при резком расширении нагревающегося в канале газа. Примером природного искрового разряда является молния – электрическая искра, проскакивающая между облаками или облаком и землей.

Коронный разряд возникает при давлениях близких к нормальному в неоднородном электрическом поле, вблизи заостренных частей электродов. Представляет собой слабое свечение газа, сопровождающееся легким шипением. В природе коронный разряд возникает, например, около проводов высокого напряжения, у вершин матч и других остроконечных предметов.

Тлеющий разряд наблюдается в газах при низких давлениях (около 10 Па) и большой напряженности электрического поля. Имеет вид светящегося столба. Цвет свечения зависит от вида газа. Примером в естественных условиях является полярное сияние. Тлеющий разряд возбуждается в верхних слоях атмосферы потоками заряженных космических частиц, собираемых магнитным полем Земли в зонах земных полюсов. В быту – лампы дневного света.

Ионизированный газ с высокой концентрацией заряженных частиц, но в целом не имеющий избыточного заряда (концентрации положительных и отрицательных частиц равны) называется плазмой. Плазма – наиболее распространенное (из известных науке) состояние вещества во Вселенной. При температуре порядка 10000 К и выше все вещества представляют из себя плазму. Говорят, что плазма это четвертая фаза состояние вещества, наряду с твердым, жидким и газообразным. Выделяют низкотемпературную (10⁴ – 10⁵ К) и высокотемпературную плазму. Все звезды представляют собой сгустки высокотемпературной плазмы. Низкотемпературная плазма представляет особый интерес для химии. В такой плазме наряду с процессами разрушения вещества идут процессы образования новых соединений, не существующих в обычных условиях.

Существенную роль в жизнедеятельности растений и животных играют электрокинетические явления. Они происходят в двухфазных системах (жидкость – твердое тело, жидкость – газ). Основными из них являются электрофорез и электроосмос.

Электрофорез – движение заряженных дисперсных частиц (взвешенные твердые частицы, капельки жидкости, пузырьки газа) в жидкой среде под действием постоянного электрического поля.

Электроосмос – движение жидкости через капилляры или пористые тела под действием внешнего электрического поля.