1.7. Направленное движение электрических зарядов
Как отмечалось ранее, проводники являются таковыми по причине наличия в них большого числа носителей заряда, способных относительно легко перемещаться в пределах рассматриваемого образца.
Металлы, как правило, являются хорошими проводниками тепла и электрического тока именно благодаря свободным электронам. Если металлический проводник (рис. 1.64) поместить в однородное электрическое поле напряжённостью Е, то на каждый свободный электрон (е = 1,6-10 - 19 Кл, me = 1-10 - 30 кг), в классическом представлении, будет действовать элементарная сила Кулона. Как и всякий материальный объект, электрон начнёт двигаться в направлении, противоположном направлению вектора напряжённости поля (элементарный заряд электрона принято считать отрицательным).
Если бы в распоряжении исследователей был маленький человечек, то он бы обнаружил, что через сечение проводника S, за которым он приставлен наблюдать, в одном направлении движутся электроны, что собственно и означает возникновение электрического тока.
Направлением тока условились считать направление движения положительных зарядов. Таким образом, электрический ток есть направленное движение носителей зарядов. В металлах направление тока принимается противоположным движению электронов проводимости.
Линии, вдоль которых перемещаются носители заряда, по аналогии с гидромеханикой называются линиями тока (рис. 1.65). Совокупность линий тока образует трубку тока, которая позволяет качественно и количественно охарактеризовать направленное движение носителей заряда. Движущиеся в электрическом поле носители не пересекают поверхность трубки тока. Поверхность проводника, расположенного в диэлектрической среде представляет собой трубку тока.
Выделим в проводнике физически малый объём (рис. 1.69) внутри которого направленно движутся со средней скоростью и носители заряда. В металлах электроны, будучи свободными частицами, в соответствие с законами термодинамики находятся в состоянии непрерывного хаотического теплового движения, причём средняя скорость lt; v gt; теплового движения определяется как
3kBT ' m„
2-v, «1**%
ь
^IQ
Рис.
1.64. Направленное движение носителей электрического заряда в проводнике
где kB = 1,4-10 23 Дж/К - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, me - масса электрона.
Рис. 1.69. Элементарный объём проводника
В отличие от спонтанно направленной скорости теплового движения скорость под действием силы Кулона и будет направленной, её называют средней дрейфовой скоростью.
Пусть в рассматриваемом металлическом проводнике в единице его объёма содержится n электронов. Выделим далее элементарную площадку dS, перпендикулярную вектору дрейфовой скорости, являющуюся основанием цилиндра с высотой udt. Все носители заряда, содержащиеся внутри этого цилиндра, через площадку dS за время dt перенесут заряд
dq = n - e - u - dS - dt.
Пронормируем уравнение относительно площади и времени
dq
= J = neu :
dSdt
где J - плотность тока, т.е. сила тока i = dq/dt, отнесённая к площади. Плотность тока величина векторная, что определяется направленными свойствами дрейфовой скорости r
J = neU.
Модуль плотности тока определяет величину заряда, переносимого электрическим полем в единицу времени через единицу площади. Направление вектора J совпадает с направлением дрейфовой скорости носителей заряда. Если в процессе участвуют несколько типов носителей заряда, например положительные и отрицательные ионы, то вектор плотности тока определяется в виде суммы
— i=n
J =Z nieiUi.
i=1
Используя понятие плотности тока, заряд, переносимый через площадку dS можно определить следующим образом
dq = J dS dt,
а силу тока, как
Кл
= А
i =
с
dq
dt
Сила тока является величиной скалярной, т.к. представляет собой частное от деления двух не векторных величин.
О силе тока в 1 ампер говорят тогда, когда через поперечное сечение проводника в течение одной секунды перемещается заряд в 1 кулон.Поскольку человечков микроскопических масштабов у исследователей под руками, как правило, не находится, то для обнаружения электрического тока в проводниках приходится довольствоваться наблюдением различных явлений, сопровождающих направленное движение носителей заряда.
Магнитное действие тока. Если медный проводник расположить параллельно магнитной стрелке, ориентированной по магнитному полю Земли, то присутствие проводника не повлияет на ориентацию стрелки. Стоит пропустить по проводнику ток силой i, стрелка - изменит свою ориентацию, она повернётся вокруг своей оси, что свидетельствует о наличии вращающего механического момента. Впервые такой опыт провёл в 1820 г. Эрстед, копенгагенский профессор физики (рис. 1.70).
Поменяв направление тока в проводнике, обнаружим, что северный и южный концы стрелки поменяются местами. Металлический проводник можно заменить жидким, поместив, например в стеклянную трубку раствор серной кислоты в воде, при этом эффект взаимодействия магнитной стрелки с током, протекающим в жидкости останется неизменным. Аналогичный эффект можно наблюдать и для тока текущего по газоразрядной трубке.
S
Магнитное действие тока наблюдается для проводников всех типов, из чего можно сделать вывод об общем признаке электрического тока создавать Рис. 1.70. Магнитная стрелка собственное магнитное поле.
и проводник с током Магнитное действие тока положено в основу
работы магнитоэлектрических приборов для количественного измерения величины силы тока. Между полюсами постоянного магнита помещается лёгкая рамка с намотанной на неё катушкой, ось которой соединена со спиральной упругой пружиной.
Протекание по катушке тока вызывает её поворот на определённый угол, пропорциональный силе измеряемого тока.Химическое действие тока. Химическое действие электрического тока можно наблюдать, пропуская его через водный раствор медного купороса CuSO4, в качестве электродов лучше всего использовать угольные стержни, но можно и из другого проводника, например, тривиальные гвозди.
|
| ? 1 |
| Си' | gt;-* |
|
| So, |
|
| |
CuS04
Соединив электроды с аккумуляторной батареей, и выждав некоторое время (несколько минут), можно обнаружить на отрицательном угольном электроде хорошо заметный невооружённым взглядом налёт блестящего слоя меди.
На положительном электроде станет выделяться остаток SO4, но он не обнаруживается, потому что в присутствии воды превращается в серную кислоту и молекулярный кислород (рис. 1.71)
2SO4 + H2O = 2H2SO4 + O2, т. е. в растворе появится серная кислота, а на положительном электроде будет выделяться газообразный кислород. При силе тока через раствор более 5 Рис. 1.71. Разложение током А положительный электрод будет покрыт пузырька-
медного купороса ми, которые коагулируя под действием силы Архи
меда всплывают на поверхность раствора.
Тепловое действие тока. Тут никаких специальных опытов ставить не требуется. Достаточно потрогать корпус любого работающего бытового устройства, чтобы стало ясно, при прохождении по проводникам электрического тока выделяется тепло. Пропуская через проводник ток, его можно нагреть до плавления металла и даже испарить, что собственно используется во всякого рода предохранителях, рабочий элемент которых выполняется и легкоплавких сплавов, с тем, чтобы при внезапном скачке силы тока расплавилась предохранительная вставка, а не основные проводники.