§ 23. Электрический ток. Электрическая проводимость материалов

Наверное, многие школьники на вопрос «Что бы вы взяли с собой на необитаемый остров?» сразу ответят: «Мобильный телефон и компьютер», — но через некоторое время, конечно, сообразят: «Ой, там же нет электричества!..»

Трудно представить, но еще сто лет назад большая часть нашей страны была похожа на такой остров: электричеством могли пользоваться немногие. Сегодня же каждый назовет не менее десяти электрических бытовых устройств, без которых нам уже сложно представить свою жизнь: стиральная машина, лампа, телевизор и т. д. Эти устройства называются электрическими, потому что их работа основана на действии электрического тока. А что такое электрический ток?

Даём определение электрического тока

Проведем опыт. Поставим на стол два электрометра (А и Б) и зарядим один из них, например электрометр А (рис. 23.1, а). Соединим кондукторы электрометров металлическим стержнем, закрепленным на пластмассовой ручке. По отклонению стрелок электрометров видим, что заряд электрометра А уменьшился, а незаряженный электрометр Б получил заряд (рис. 23.1, б). Это значит, что некоторое количество заряженных частиц (в данном случае электронов) перешло по стержню от одного прибора к другому. Физики говорят, что по стержню прошел электрический ток.

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.

Выясняем условия возникновения и существования электрического тока

Учитывая определение электрического тока, сформулируем первое условие его возникновения и существования в любой среде: в среде должны быть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться по всей среде. Такие частицы называют носителями тока.

Однако этого условия недостаточно для того, чтобы в среде существовал электрический ток. Для создания и поддержания направленного движения свободных заряженных частиц необходимо наличие электрического поля. Именно благодаря действию электрического поля движение заряженных частиц приобретает упорядоченный (направленный) характер, что и означает появление в данной среде электрического тока.

Учимся различать проводники, диэлектрики и полупроводники

Зная условия возникновения и существования электрического тока, нетрудно догадаться, что электрическая проводимость — способность проводить электрический ток — у разных веществ разная. В зависимости от этой способности все вещества и материалы делят на проводники, диэлектрики и полупроводники (о проводниках и диэлектриках уже шла речь в § 21).

Проводники — вещества и материалы, которые хорошо проводят электрический ток.

Проводниками являются металлы (как в твердом, так и в жидком состояниях), графит, водные растворы солей (например, поваренной соли), кислот и щелочей. Высокая электрическая проводимость проводников объясняется наличием в них большого количества свободных заряженных частиц. Так, в металлическом проводнике часть электронов, покинув атомы, свободно «путешествует» по всему объему проводника, и количество таких электронов достигает 10²³ в кубическом сантиметре.

Влажная земля, тело человека или животного хорошо проводят электрический ток, так как содержат вещества, являющиеся проводниками.

Диэлектрики — вещества и материалы, которые плохо проводят электрический ток.

Диэлектриками являются многие твердые вещества (эбонит, фарфор, резина, стекло и др.), жидкости (дистиллированная вода, керосин, спирт, бензин и др.) и газы (кислород, водород, азот, углекислый газ и др.). В диэлектриках почти отсутствуют свободные заряженные частицы.

Проводники и диэлектрики широко используют в промышленности, быту, технике. Так, провода, по которым подводят ток от электростанций к потребителям, изготовляют из металлов — хороших проводников. При этом на опорах провода размещают на изоляторах, — это предотвращает стекание электрического заряда в землю (рис. 23.2). Как вы думаете, почему провода, которые прокладывают в земле, покрывают слоем диэлектрика?

Существует много веществ (например, германий, силиций, арсен), которые называют полупроводниками. Обычно такие вещества плохо проводят ток и их можно отнести к диэлектрикам. Но если повысить температуру или увеличить освещенность, в полупроводниках появляется достаточное количество свободных заряженных частиц и полупроводники становятся проводниками. Полупроводники используются при изготовлении радиоэлектронной аппаратуры, солнечных батарей (рис. 23.3) и т. д.

Подводим итоги

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.

Для возникновения и существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и электрического поля, благодаря действию которого создается и поддерживается направленное движение этих частиц.

В зависимости от электрической проводимости все вещества условно делят на проводники (вещества, которые хорошо проводят электрический ток), диэлектрики (вещества, которые плохо проводят электрический ток) и полупроводники.

Контрольные вопросы    —

1. Что такое электрический ток? 2. Сформулируйте условия возникновения и существования электрического тока. 3. Какие вещества относят к проводникам, диэлектрикам, полупроводникам? Приведите примеры. 4. Почему металлы хорошо проводят электрический ток? 5. Приведите примеры использования проводников и диэлектриков.

Упражнение № 23

1.    Запишите названия нескольких предметов, изготовленных из материалов, являющихся: а) проводниками; б) диэлектриками.

2.    Каким требованиям должен соответствовать материал для изготовления корпусов розеток и выключателей?

3.    Почему трудно, а иногда практически невозможно зарядить электроскоп в помещении с высокой влажностью воздуха?

4.    Почему в опыте, описанном в пункте 1 § 23, кондукторы электрометров соединяли металлическим стержнем (см. рис. 23.1)? Для чего стержень был закреплен на пластмассовой ручке? Как изменятся результаты опыта, если вместо металлического стержня воспользоваться пластмассовым?

5.    Движутся ли свободные заряженные частицы в проводнике, когда в нем нет тока? Поясните свой ответ.

6.    Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и выясните, какие вещества являются лучшими диэлектриками и где их применяют.

7.    К двум соединенным металлическим пластинам А и Бподнесли наэлектризованную о шерсть эбонитовую палочку (см. рисунок).

1)    Какой заряд приобретет пластина А? пластина Б?

2)    Останутся ли пластины заряженными, если:

а)    разъединить пластины, не убирая палочки?

б)    убрать палочку, а потом разъединить пластины?