§ 22. Електричний струм. Дії електричного струму. Основні елементи електричного кола. Напруга

Для роботи електроприладів потрібний електричний струм. Деякі з них, наприклад ліхтарики, електронні годинники, аудіоплеєри, радіоприймачі та телефони, використовують електроенергію гальванічних елементів, батарей гальванічних елементів або акумуляторів. Інші, наприклад лампи, холодильники, телевізори, пилососи, працюють від електромережі, тобто одержують електроенергію по проводах від електростанції.

Що ж таке електричний струм і що потрібно, щоб він виникнув та існував протягом потрібного часу? Слово «струм» означає рух або течію чогось. Що може переміщатися у провідниках, які з'єднують батарею гальванічних елементів з лампою, холодильник - з електростанцією?

Ви вже знаєте, що явище електризації тіл зумовлене наявністю в них електрично заряджених частинок - електронів, а також позитивних і негативних йонів, які завжди перебувають у стані теплового безладного руху (мал. 134). Є багато речовин, у яких за певних умов заряджені частинки можуть вільно рухатися, тобто пересуватися на великі відстані в усьому об’ємі тіла. Наприклад, здавна в техніці широко застосовуються металеві провідники, у яких носіями електрики є вільні електрони. Якщо на всі вільні заряджені частинки подіяти певною силою в одному напрямку, то до їхнього безладного руху додасться ще рух у напрямку прикладеної сили. У цьому разі кажуть, що в тілі виникає електричний струм.

Електричний струм — це впорядкований (напрямлений) рух заряджених частинок.

Щоб надати зарядженим частинкам напрямленого руху, в об’ємі провідника утворюють електричне поле. Під дією електричного поля вільні заряджені частинки рухаються в напрямку прикладених до них електричних сил, тобто у провіднику виникає електричний струм (мал. 135). Якщо, наприклад, кулю зарядженого електрометра з’єднати провідником із Землею, то в провіднику виникне електричне поле, а разом з ним і електричний струм, який припиниться, як тільки весь заряд кулі, що утворює електричне поле, перейде в Землю.

Щоб електричний струм у провіднику проходив 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 джерелами електричного струму.

Джерелами електричного струму називають пристрої, у яких відбувається перетворення енергії певного виду на електричну енергію.

У кожному джерелі струму виконується робота з розділення позитивно і негативно заряджених частинок, які накопичуються на полюсах джерела.

Відповідно до цього полюси умовно позначають знаками «+» і «-».

Людина у своїй практичній діяльності використовує різноманітні джерела електричного струму, які за видом перетворюваної енергії можна поділяти на: хімічні (гальванічні елементи, акумулятори), світлові [фотоелементи, сонячні батареї), теплові [термоелементи), механічні [електрофорна машина, генератори електричного струму різного роду).

Якщо до гальванічного елемента за допомогою провідників приєднати електричну лампочку (мал. 136), то під дією електричного поля заряджені частинки у провіднику починають рухатися, виникає електричний струм, лампочка світиться.

Гальванічні елементи. Перше найпростіше хімічне джерело струму, яке не втратило свого практичного значення й тепер, створив у 1799 р. італійський фізик Алессандро Вольта і назвав його гальванічним елементом на честь засновника вчення про електрику Луїджі Гальвані. Цей елемент давав напругу близько 1 вольта (1 В). З метою одержання вищої напруги, Вольта побудував батарею (так званий вольтів стовп) з 20 цинкових, 20 мідних і 20 суконних кружечків, покладених один на одного (мал. 137).

У гальванічних елементах відбуваються хімічні реакції, завдяки яким виконується робота з розподілу різноманітних зарядів, тобто хімічна енергія перетворюється в електричну.

Щоб отримати найпростіший гальванічний елемент (мал. 138), потрібно воду додати у сірчану кислоту. Обережно! Не повторювати! У ньому відбувається перерозподіл позитивно і негативно заряджених частинок речовини, унаслідок чого обидві пластинки електризуються, і між ними утворюється електричне поле.

Ці пластинки називають електродами (полюсами) джерела струму.

Гальванічний елемент складається із цинкової посудини І, заповненої желеподібною сумішшю хімічних речовин (мал. 139). У суміш уставлено вугільний стержень 2. Зверху посудину залито шаром смоли 3.

У результаті хімічних реакцій цинкова посудина стає негативно зарядженою (негативний електрод), а вугільний стержень - позитивно зарядженим (позитивний електрод). Між електродами виникає електричне поле. Якщо позитивний і негативний електроди з’єднати провідником, то в ньому виникне електричний струм.

Кілька гальванічних елементів можна з’єднати в батарею. Якщо треба одержати більшу напругу, то використовують послідовне з’єднання елементів: окремі елементи приєднують один до одного різнойменними полюсами. На малюнку 140 зображено батарею з трьох елементів, у якій стержень першого елемента з’єднано із цинковою посудиною другого, а вугільний стержень другого - з посудиною третього елемента. Цинкові посудини ізольовано одну від одної. Від цинкової посудини першого елемента і вугільного стержня третього виведено дві жерстяні смужки, які є полюсами батареї: перша - негативним, друга - позитивним.

Якщо хочуть одержати джерело, яке дає більший струм, використовують паралельне з’єднання елементів: окремі елементи з’єднують у батарею однойменними полюсами, тобто корпус - з корпусом, а стержень -зі стержнем.

Акумулятори. Акумулятор (з латин, accumulatio - нагромаджую) - це хімічне джерело, у якому електрична енергія нагромаджується внаслідок пропускання електричного струму крізь кислотний або лужний розчин.

Акумулятори бувають кислотні та лужні. Кислотний акумулятор складається з однорідних електродів (мал. 141), наприклад свинцевих пластин, уміщених у розчин сірчаної кислоти. У лужних акумуляторах електроди виготовлено з різнорідних металів, наприклад заліза і нікелю, й опущено в розчин їдкого лугу. Для того щоб акумулятор став джерелом струму, його треба «зарядити». Із цією метою через нього пропускають струм від якого-небудь іншого джерела. У процесі заряджання внаслідок перебігу хімічних реакцій один електрод стає зарядженим позитивно, а інший - негативно. Коли акумулятор зарядиться, його можна використовувати як самостійне джерело струму. Полюси акумуляторів позначають знаками «+» і «-». Під час заряджання позитивний полюс акумулятора з’єднують з позитивним полюсом джерела струму, негативний - з негативним.

Акумулятори використовують для запуску автомобільних двигунів (мал. 142), освітлення автомобілів і залізничних вагонів. Акумулятори живлять електроенергією підводні човни під час автономного плавання, мобільні телефони, смартфони тощо. Наукова апаратура та радіопередавачі на штучних супутниках Землі, космічних кораблях і станціях також живляться від установлених на них акумуляторів, які заряджаються за допомогою сонячних батарей.

Сонячні батареї. Під дією світла, що падає на поверхню пластин з деяких речовин, наприклад селену або кремнію, у них відбувається перерозподіл позитивних і негативних електричних зарядів (мал. 143). На цьому ґрунтуються будова та дія сонячних батарей (мал. 144).

У сонячних батареях відбувається пряме перетворення енергії сонячного випромінювання в електричну енергію.

В Інституті фізики напівпровідників Національної академії наук України розроблено сонячні батареї з KKД 18 %, що наближається до максимально можливого. А вчені Національного технічного університету «Київський політехнічний інститут» використали сонячні батареї для створення фотоелектричної станції потужністю 5 кВт.

Термоелементи. Якщо дві дротини, виготовлені з різних металів, спаяти, а місце спаювання потім нагріти, то у дротинах виникне електричний струм (мал. 145). Таке джерело струму називають термоелементом, або термопарою. У ньому внутрішня енергія нагрівника перетворюється в електричну енергію.

Електрофорна машина. Два диски з органічного скла (з розміщеними по колу металевими смужками) обертаються у протилежних напрямках. Унаслідок тертя дротяних щіток об смужки на кондукторах (полюсах) машини накопичуються заряди протилежних знаків (мал. 114, див. с. 83). Механічна енергія обертання дисків перетворюється на електричну енергію. На теплових, атомних, вітряних і гідроелектростанціях електричний струм виробляють за допомогою різних генераторів електричного струму (з латин, generator - виробник, створювач). Про типи генераторів, їх будову та дію ви дізнаєтеся згодом.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1.    Що таке електричний струм?

2.    Що потрібно створити у провіднику, щоб у ньому виник і протягом певного часу існував електричний струм?

3.    Що називають джерелом електричного струму?

4.    Які джерела електричного струму ви знаєте?

5.    Хто перший створив гальванічний елемент? Яке походження цієї назви?

6.    Чим відрізняється акумулятор від гальванічного елемента?

7.    Яка енергія перетворюється на електричну в сонячних батареях? Термоелементах?

8.    Наведіть приклади застосування різноманітних джерел електричного струму.

Це матеріал з підручника фізика 8 клас Сиротюк