§ 24. Електричний струм. Джерела електричного струму

Ви дізнаєтесь

Електричний струм. Джерела електричного струму

Електричний струм. Оскільки людина не може безпосередньо бачити процес проходження електричного струму, то, щоб зафіксувати його, використовують спеціальні прилади або індикатори, зокрема гальванометри (мал. 101).

Проведемо дослід. Наелектризуємо кулю на електрометрі (мал. 102, а). Доторкнемося до неї індикатором (металевим провідником із неоновою лампочкою). Побачимо короткочасний спалах лампочки (мал. 102, б). Якщо ж неонову лампочку закріпити на стержні з діелектрика й торкнутися зарядженої кулі електрометра, то лампочка не засвітиться.

Який висновок зробимо? Електричний струм спостерігається у провідниках і відсутній у діелектриках. Тобто електричний струм можливий за наявності в речовині електрично заряджених частинок, які можуть переміщуватися (такі частинки ще називають носіями струму).

Електричний струм — це процес напрямленого руху заряджених частинок.

Залежно від середовища розрізняють особливості проходження електричного струму, зокрема в металах, рідинах і газах, де носіями струму можуть бути вільні електрони, позитивні й негативні йони. Ці особливості детальніше розглянемо згодом. У § 24-35 дослідження електричного струму будемо здійснювати за допомогою металевих провідників, у яких носіями струму є вільні електрони.

Які ще висновки ми можемо зробити з досліду? Дослід демонструє наявність короткочасного електричного струму в певному напрямі. А що потрібно, щоб струм тривав певний час?

Для цього нам необхідно з’ясувати умови, за яких виникає електричний струм. Що змушує заряджені частинки рухатись у певному напрямі?

Як відомо, рух і взаємодія електрично заряджених частинок можливі завдяки дії електричного поля. Справді, під дією електричного поля рух заряджених частинок, які можуть вільно переміщуватися в середовищі, набуде впорядкованого (напрямленого) характеру, що й означатиме появу в цьому середовищі електричного струму.

·|

Отже, для виникнення й існування електричного струму необхідна наявність носіїв струму та електричного поля, дія якого створює й підтримує їхній напрямлений рух.

Джерела електричного струму. У прикладі, який ми розглядали на початку параграфа, кулю зарядженого електрометра з’єднали провідником із Землею (оскільки металевий провідник з неоновою лампочкою тримали рукою, а, як відомо, тіло людини також є провідником). У провіднику електричне поле, а разом з ним і електричний струм, припиняється, як тільки весь заряд кулі, що утворює електричне поле, перейде в Землю. Щоб електричний струм у провіднику протікав як завгодно довго, потрібно в ньому весь час підтримувати електричне поле, тобто забезпечувати на одному кінці провідника надлишок заряду певного знака, а на другому — його нестачу. Такий сталий розподіл зарядів на кінцях провідника створюється та підтримується джерелом електричного струму.

Джерело електричного струму — це пристрій, в якому відбувається перетворення певного виду енергії (механічної, хімічної, теплової, світлової) в електричну.

У кожному джерелі струму виконується робота з розділення позитивно та негативно заряджених частинок, які накопичуються на полюсах джерела. Відповідно до цього полюси умовно позначають знаками «+» і «-». Історично склалося так, що за напрям електричного струму приймають напрям руху позитивно заряджених частинок, тобто напрям від позитивно зарядженого полюса джерела струму до негативно зарядженого. (Незважаючи на те, що найчастіше вільними носіями струму є електрони і їх напрям руху протилежний (мал. 103)).

Узагальнимо умови, необхідні для утворення та існування електричного струму:

1.    Наявність у певному середовищі електричних зарядів, які б мали можливість у ньому рухатися.

2.    Наявність у певному середовищі електричного поля, енергія якого витрачається на переміщення зарядів.

3.    Щоб струм існував постійно, потрібно утворити замкнене електричне коло, що буде складатись із джерела струму, споживачів електричної енергії, вимикачів та інших елементів, з’єднаних провідниками.

Хімічні джерела струму. Найпоширенішими джерелами струму є хімічні. Перше найпростіше хімічне джерело струму, яке не втратило свого практичного значення й дотепер, створив у 1799 р. італійський фізик Алессандро Вольта й назвав його гальванічним елементом на честь одного із засновників вчення про електрику Луїджі Гальвані.

Найпростіший гальванпший елемент можна виготовити, якщо взята дві пластинки — цинкову та мідну й опустити їх у розчин сірчаної кислоти. Між пластинами й сірчаною кислотою будуть відбуватися хімічні реакції, у результаті яких одна з пластан набуде позитивного заряду,

інша — негативного. Ці пластинки називаються електродами (полюсами) джерела струму, до того ж кожний з електродів має свою назву: позитивно заряджений електрод називається анодом, негативно заряджений — катодом. Якщо полюси з’єднати провідником, то по ньому проходитиме електричний струм (мал. 104, а). Із часом гальванічний елемент виходить із ладу, оскільки закінчується запас речовин, необхідних для хімічних реакцій.

Гальванічніелементи (мал. 104, б) можуть відрізнятися формою й наповненням, але конструктивно будь-який гальванічний елемент складається із двох електродів та електроліту. Електролітом слугує, як правило, рідка або желеподібна суміш хімічних речовин, які вступають у хімічні реакції з речовинами електродів. Електродами є різні метали. Найчастіше електроди занурені в окремі електроліти, відокремлені один від одного мембранами (сепараторами). Унаслідок хімічних реакцій на електродах накопичуються заряди відповідного знака. На малюнку 105 зображено внутрішню будову цинково-марганцевого елемента.

Гальванічні елементи — хімічні джерела струму, у яких відбуваються хімічні реакції, завдяки яким виконується робота з розподілу зарядів, тобто хімічна енергія перетворюється в електричну.

Різновидом гальванічних джерел струму є електричні акумулятори (від латин, «акумуляторе» — нагромаджувати). Найпростіший акумулятор складається з двох свинцевих пластин (електродів), уміщених у розчин сірчаної кислоти. Щоб акумулятор став джерелом струму, його по-

трібно зарядити. У процесі зарядки внаслідок хімічних реакцій один електрод акумулятора стає позитивно, а другий — негативно зарядженим. Після заряджання акумулятор можна використовувати як самостійне джерело струму. Акумулятор працює до того часу, поки свинцеві пластини не відновляться до початкового (чистого) стану. Потім акумулятор можна знову зарядити.

Як акумулятори, так і гальванічні елементи можна об’єднувати в батареї (мал. 106): акумуляторну або батарею гальванічних елементів.

Інші види джерел струму. Прикладом джерела електричного струму, в якому механічна енергія перетворюється в електричну, є електрофорна машина. Під час обертання її дисків відбувається розділення електричних зарядів.

Перетворення теплової енергії в електричну відбувається в термоелементах. Найпростішим термоелементом є два спаяні дроти з різних металів. Якщо нагріти місце спаювання, то в провіднику виникне електричний струм. Особливо ефективним у термоелементах є поєднання металевих провідників і напівпровідників.

Джерелами струму, в яких в електричну енергію перетворюється енергія світла, є напівпровідникові пристрої, що називаються фотоелементами.

Вибір джерел струму визначається сферою їх застосування. Так, в автомобілях використовують досить важкі, проте дешевші кислотні акумуляторні батареї. У мобільних телефонах — легкі й безпечні, проте дорожчі літій-іонні акумулятори. Джерела електричного струму з фотоелементами використовуються для освітлення й обігріву будинків, живлення автомобілів, побутових пристроїв (мал. 107).

Підбиваємо підсумки

Електричним струмом називають впорядкований (спрямований) рух заряджених частинок.

Основними умовами існування електричного струму є:

1.    Існування вільних носіїв заряду.

2.    Наявність джерела струму (джерела зовнішнього електричного поля).

3.    Замкненість провідників, по яким протікає струм.

Джерела електричного струму — це пристрої, в яких

відбувається перетворення різних видів енергії в електричну.

Джерела електричного струму за особливостями перетворення енергії, що відбуваються в них, розподіляють на два основні види: хімічні та фізичні. У хімічних джерелах електричну енергію отримують завдяки окис-лювально-відновлювальним хімічним реакціям. Фізичні джерела забезпечують перетворення інших видів енергії (механічної, теплової, світлової) в електричну.

За напрям електричного струму приймають напрям руху позитивно заряджених частинок.

Л знаю, вмію nta можу пояснити

1.    За яких умов виникає та існує електричний струм? Дайте визначення електричного струму.

2.    Як визначають напрям електричного струму?

3.    Що називають джерелом електричного струму?

4.    Назвіть види джерел електричного струму.

5.    Які перетворення енергії відбуваються в джерелах електричного струму?

ПОЯСНІТЬ

1.    Що необхідно зробити, щоб на двох електрометрах, з'єднаних металевим провідником, підтримувати рівні за значенням і протилежні за знаком електричні заряди?

2.    Чи можливо отримати електричний струм без джерела струму? Поясніть за допомогою прикладів.

3.    Що спільного в гальванічному елементі й акумуляторі та чим вони відрізняються?

4.    Найчастіше вільними носіями струму є електрони. Чому за напрям струму прийнято напрям руху позитивних зарядів?

шШШ ШЛЯШ

Найпростіший гальванічний елемент ви можете виготовити в домашніх умовах. Для цього вам будуть потрібні лимон, мідний дріт і залізний цвях.

Виготовте джерело струму та переконайтеся, що воно працює, з’єднавши його провідниками із гальванометром (мал. 108).

Які ще, на вашу думку, овочі та фрукти можна використовувати для цього? Чи можна в такий спосіб отримати джерело, від якого можна було б зарядити мобільний телефон?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Засєкіна