Мы-р-р-р...
Процессы...
Всё в этой
жизни со
временем
меняется.
Даже во сне.
Но этот
процесс
мне особенно
нравится...
Мыр -р-р...

РАДИОпроцессы

ПОСТОЯННЫЙ ТОК


*Уровень – простой, без привлечения зонной теории, электронной теории и квантовой механики.
*Я специально не нумеровал картинки, но разместил их именно в нужных местах, чтобы пытливый читатель (ежели таковые найдутся) сам догадался, что именно они иллюстрируют.
*Используемые сокращения: ЭП – электрическое поле, ЭМП – электромагнитное поле, Ек – кинетическая энергия, Еп – потенциальная энергия, U - внутренняя энергия, Т - термродинамическая температура, ЭДС – электродвижущая сила.


1. Что нужно знать, чтобы попытаться понять

Электрический заряд – это физическая величина, которая характеризует способность тел и микрочастиц создавать в пространстве электрическое поле (сокращённо ЭП) и участвовать в электрических взаимодействиях (в общем случае – электромагнитных). Следует помнить, что в природе существуют заряды 2-х типов – положительные и отрицательные. Электрон имеет отрицательный, а протон – положительный заряд. Электрический заряд – это неотъемлемое свойство микрочастиц. Не может быть заряд без частицы (ибо это свойство), но может быть частица без заряда – нейтрон, например. В обычном состоянии атом вещества электрически нейтрален, поскольку число протонов в ядре (+) равно числу электронов на его оболочках (-). Если атом потерял (не важно, по каким причинам) один или несколько электронов на внешних оболочках, то он становится положительным ионом, если же, наоборот,  притянул – отрицательным ионом. Поскольку молекулы состоят из атомов, они также могут становиться ионами.
Электрический заряд могут нести  элементарные частицы, атомы и молекулы. Значит,физическое тело, состоящее из громадного количества атомов и/или молекул, также может иметь электрический заряд.Этот факт известен с незапамятных времён. Ещё древние греки обнаружили, что при натирании янтаря (по-гречески «янтарь» – ἤλεκτρον) тканью он начинает притягивать к себе всякий мелкий сухой мусор. Теперь-то мы знаем, что янтарь таким образом наэлектризовывался. В природе существует наименьший (или элементарный) заряд – это заряд электрона или протона. Датой открытия электрона считается 1897 год, когда Томсоном был поставлен эксперимент по изучению катодных лучей. О кварках и их зарядах речи не веду, поскольку они в свободном состоянии принципиально не наблюдаются. Заряд любого тела кратен элементарному , и полученный телом заряд означает, что на него перешло некоторое количество электронов (отрицательный), или оно потеряло некоторое количество электронов (положительный). Для электрических зарядов справедлив закон сохранения: в замкнутой системе суммарный электрический  заряд остаётся постоянным.
Пространство вокруг электрически заряженных тел меняет свои свойства. Благодаря этому электрически заряженные тела взаимодействуют: разноимённо заряженные тела и частицы притягиваются, а одноимённо заряженные – отталкиваются. Область пространства вокруг заряженных тел принято называть электрическим полем - ЭП.
ЭП – это особая область пространства вокруг заряженных тел, в которой проявляются электрические (в общем случае – электромагнитные) взаимодействия. ЭП действует только на заряженные тела и частицы и обнаруживается только по действию на них. Действие ЭП на заряд определяется силой. Силовая характеристика ЭП – напряженность. Именно с помощью линий напряжённости изображают ЭП различных объектов.Великий английский физик Майкл Фарадей первым выдвинул идею об ЭП и предложил изображать его с помощью силовых линий.
В ЭП на заряженные тела или частицы (в дальнейшем ТОЛЬКО для краткости буду говорить –ЗАРЯДЫ, помня о том, что не может быть заряд без частицы!) действует сила (вспомним закон Кулона). Под действием силы, заряд может перемещаться, значит, совершается работа. Для того чтобы заряд мог перемещаться, он должен быть свободным: электрон не связан с атомом, ион не связан с другими ионами. Только свободные носители электрического заряда могут перемещаться под действием силы со стороны ЭП. Это очень важно! Работа (в физике!) всегда совершается за счёт энергии, следовательно, заряд в ЭП обладает неким запасом энергии. Я говорю не о какой-то абстрактной энергии вообще (о какой только энергии не услышишь сейчас от людей, которые о ней, с точки зрения физики, понятия не имеют! а никакой другой энергии в природе НЕТ!), а об энергии взаимодействия – потенциальной Еп, и об энергии движения – кинетической Ек. Энергетическая характеристика электрического поля называется потенциал.

2. Простейшая физическая модель постоянного тока
Представим себе кусок проводника в виде трубы с бесконечно тонкими стенками. Пусть в ней, трубе – находятся свободные носители заряда. Для определённости нам нужно условиться по поводу знака заряда этих свободных носителей: пусть он будет отрицательным. Все заряды совершенно одинаковые.
Если в «трубе» создать электрическое поле, то под его действием свободные носители заряда начнут двигаться УПОРЯДОЧЕННО – в одном направлении: возникнет электрический ток.
Дадим определение:
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК – это упорядоченное движение свободных носителей заряда под действием электрического поля. Это физическое явление.
СИЛА ТОКА равна суммарному электрическому заряду, переносимому через поперечное сечение проводника в единицу времени. Это физическая величина, которая имеет обозначение, единицу измерения и вычисляется по формуле и может быть измерена.

ВНИМАНИЕ! Я не уточняю (пока), чем и как создаётся электрическое поле в «трубе», в которой имеются (кстати, откуда они взялись – тоже пока не уточняю) свободные носители заряда.
Долго ли, коротко ли (как в сказке!) течёт (кстати, почему «течёт»?) электрический ток – не важно пока. Если ток течёт в одном направлении, то он называется ПОСТОЯННЫМ. При этом также не важно, уменьшается, возрастает или вообще как-то меняется сила тока со временем.
Силу тока можно выразить также через микропараметры вещества.
Следует чётко усвоить следующее.
ПОСТОЯННЫЙ электрический ток – это физическое явление, когда свободные носители заряда движутся в одном направлении. Скорость этого движения может меняться. При этом сила тока также может меняться.
Сила ПОСТОЯННОГО тока – это физическая величина. Её можно измерить или рассчитать. Для измерения силы тока используется прибор АМПЕРМЕТР, который включается «в разрыв» того участка цепи, где требуется измерить данную величину. Так вот, если показания амперметра не меняются со временем, это значит, что сила тока ПОСТОЯННА. Постоянной может быть и сила переменного тока, но о нём будет отдельный разговор.

 

3. Условия подержания тока
Для того чтобы электрический ток мог выполнить реальную и полезную (что очень важно!) работу, он должен протекать достаточно долго. А для этого необходимо выполнение двух условий:
I. электрическое поле должно поддерживаться длительное время;
II.должно происходить постоянное пополнение свободных носителей заряда на том «конце трубы», от которого они упорядоченно движутся.
Вспомним деление веществ на проводники и непроводники электрического тока. Иногда вместо «электрического тока» говорят «электричества», но это не совсем грамотно с точки зрения физики, поскольку при этом всё равно подразумевается электрический ток.
Маленькое (нелирическое) отступление. Как-то раз один студент принёс мне фильм, в котором некий кандидат «тех» наук пророчил очередной конец света, основываясь на собственных расчётах гравитационных полей звёзд и галактик (?!). Как он их подсчитал, одному ему известно. В основном это был псевдонаучный бред, распознать который вполне в состоянии человек и не имеющий учёного звания кандидата «тех» наук. Меня больше удивило другое. Этот кандидат «тех» наук несколько раз утверждал, что современная наука (в частности, физика) ложна и не состоятельна хотя бы по той причине, что она не даёт точного ответа на вопрос «что такое электричество?». Я лично думаю так: если кандидат «тех» наук не понимает, что это такое, то грош цена его «кандидатству». Да, многие выпускники школ не знают, что такое «электричество», но что с них взять (кроме анализов), если они не знают, кто из людей первым полетел в космос?!
Электричество – это обобщающее понятие, связанное со всевозможными электрическими и электромагнитными явлениями. Оно связано с самим существованием электрических зарядов, их движением и взаимодействием. Это просто ПОНЯТИЕ. Термин «электричество» ввёл в науку Уильям Гильберт, знаменитый английский  естествоиспытатель (физики тогда ещё не было) в 1600 году, когда он издал свой научный трактат «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле».

4. Добавим реализма в модель
Теперь вообразим кусок реального металлического проводника цилиндрической формы.
Это будет та же труба, но электроны, которые являются в ней свободными носителями заряда, уже не могут двигаться так хаотично (ежели нет ЭП) и свободно, как, допустим, мухи в банке. Мало того, что они будут сталкиваться друг с другом, на характер их движения будут влиять положительные ионы металла. Ионы расположены упорядоченно (кристаллическая решётка), сорваться со своих мест не могут (пока металл в твёрдом состоянии), но совершают хаотические колебания вблизи положения равновесия. Тем не менее, если нет ЭП, движение электронов довольно сильно напоминает движение молекул газа, поэтому свободные электроны в металле даже называют «электронным газом». Дело в том, что вещество даже в твёрдом состоянии – это, практически, пустота. Парадоксально, но факт. Размеры атомных ядер составляют несколько фемтометров, что более чем в 10 000 раз меньше размеров самого атома. Для справки: 1 фемтометр равен одной  квадриллионной от 1 метра. Я понимаю, что у кого-то от таких единиц измерения произойдёт некоторое «изменение сознания», поэтому попробую упростить. Ежели ядро атома увеличить (мысленно, конечно) до размеров рублёвой монеты (радиус её около 1 см), то ближайший электрон (на первой орбите) окажется на расстоянии более 100 м, а другие – того дальше! А между ними  - пустота. Да ещё между ионами в узлах решётки расстояния сравнимые с размерами самих атомов – это тоже пустота. Так что электрончикам (свободным) есть, где порезвиться!
Современная физика отказалась от электронных орбит и оболочек. Сейчас говорят об энергетических уровнях, но масштабы расстояний не изменились.
Ежели в металле создать ЭП, то электроны станут двигаться упорядоченно. Их движение ни в коем случае не будет напоминать даже движение демонстрантов по улице, не говоря уж о движении армейских подразделений на параде. Оно будет скорее «хаотично-упорядоченным». В школьном учебнике физики имеется весьма удачное сравнение этого движения с кучкой метущейся мошкары (хаотичная составляющая), которая смещается в определённом направлении под порывом ветра (упорядоченная составляющая). Говорят о средней скорости упорядоченного движения электронов, о скорости «дрейфа». Она довольно мала и составляет десятые доли сантиметра в секунду. Но при возникновении ЭП в проводнике, которое распространяется, как известно, со скоростью света, ВСЕ электроны по всей длине проводника почти мгновенно начинают свой дрейф – в проводнике возникает электрический ток. Ежели направление силовых линий ЭП не меняется, то направление дрейфа также остаётся постоянным, и ток будет ПОСТОЯННЫМ.
Выше возник вопрос: почему электрический ток «ТЕЧЁТ» по проводнику? Обратимся к истории. На заре серьёзного изучения электрических явлений учёные понятия не имели о заряженных частицах и характере их движения. Однако, электрический заряд (количество электричества) мог передаваться от одного тела к другому. Различные тела могли накапливать разное количество электричества, напрямую связанное с их размерами, т.е. объёмом. Возникла идея о некой электрической субстанции, электрическом флюиде, невидимой и невесомой жидкости, которая, подобно обычной воде, может течь от одного тела к другому, но не под действием силы тяжести, а под действием особой ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ силы. Способность тел накапливать большее или меньшее количество электричества (также как количество воды) определяется электрической ЁМКОСТЬЮ данного тела. Вот откуда произошли (я изложил всё это сильно упрощённо) и остались в физике, электротехнике и электронике соответствующие термины. Как мы увидим далее, сравнение электрического тока с потоком воды весьма уместно не только в этом случае.
Кстати, у меня возникла идея посвятить истории изучения электрических явлений отдельную статью.
Но вернёмся к постоянному току. Я обозначил пока ещё не всё, что нужно добавить в нашу примитивную модель. В процессе движения электроны притягиваются к положительным ионам, тормозятся, следовательно, отдают им частично или полностью свою кинетическую энергию (энергию движения - Ек). Скорость их движения уменьшается, значит, уменьшается и сила тока в проводнике (см. формулу). Ионы в узлах кристаллической решётки, в свою очередь, получают энергию, их колебания становятся более интенсивными, «размашистыми», что, опять же, приводит к усилению их влияния на движущиеся электроны. Иначе говоря, свободному и упорядоченному движению электронов в металле под действием ЭП «мешает» их взаимодействие друг с другом (одноимённые заряды) и взаимодействие с ионами в узлах кристаллической решётки (разноимённые заряды). Фактор, «мешающий» протеканию электрического тока в металле (да и вообще – в проводнике) назвали электрическим сопротивлением. Впервые ввёл понятие о «сопротивлении» русский физик-экспериментатор, электротехник-самоучка, академик Петербургской академии наук   (1761-1834). Он же открыл электрическую дугу и установил зависимость сопротивления  от поперечного сечения проводника.

Выстроим простую логическую цепочку:

  • - ЭП действует на электроны, «заставляет» их двигаться, увеличивает их Ек;
  • - электроны взаимодействуют с ионами в узлах кристаллической решётки металла (их масса в ДЕСЯТКИ ТЫСЯЧ раз больше массы электронов), тормозятся за счёт притяжения и отдают ионам часть своей Ек;
  • - ионы совершают хаотические колебания вблизи положений равновесия в узлах решётки; приток энергии от электронов выражается в усилении интенсивности колебаний, т.е. в увеличении их Ек, НО общая кинетическая энергия всех частиц, из которых состоит проводник – это часть его внутренней энергии U;
  • - возрастает U проводника, он нагревается, растёт его температура T.

Это действительно так. Протекание тока по проводнику всегда (в обычных условиях) сопровождается нагреванием проводника. Сильно или слабо, вредно или полезно – это другой вопрос.
Вообще-то, давно известно (далее я рассмотрю это подробнее), что протекание тока по проводнику (не утверждаю, что именно  по металлу!) сопровождается:
- нагреванием проводника;
- протеканием химических реакций;
- возникновением вокруг него магнитного поля.
Например, если ток течёт в жидком проводнике, то имеют место быть все ТРИ эффекта одновременно.

5. Вспомним основной закон

Сила тока, сопротивление и напряжение связаны известным законом Ома для участка электрической цепи. Сила тока является, как бы, именно силовой характеристикой, поскольку именно она фигурирует в формуле закона Ампера (сила, действующая на проводник с током в магнитном поле) и, опосредовано, в формуле силы Лоренца (сила, действующая на движущуюся заряженную частицу в магнитном поле).
Напряжение – энергетическая характеристика. Оно связано с потенциалом, точнее – с разностью потенциалов, а потенциал – с энергией (потенциальной, конечно).
Ради исторической справедливости следует отметить, что закон (названный позже «законом Ома») Георг Ом (немецкий физик-экспериментатор) установил опытным путём (выражаясь по-научному – эмпирически) в 1826г совсем не в таком ,виде, а именно:
, где Х – показания гальванометра (вольтметров и амперметров тогда ещё не было); а – величина, характеризующая свойства батареи гальванических элементов; l –величина, зависящая от длины соединительных проводников; b – некий параметр, учитывающий свойства всей экспериментальной установки.
Как видим, ничего похожего на то, к чему мы привыкли.
В современной трактовке закон Ома для полной (или замкнутой) электрической цепи выглядит так:
Отсюда должно быть понятно, что закон для участка цепи I=U/R является частным случаем закона для полной цепи.
В некоторых случаях следует уточнять, источником чего – напряжения или тока – является, например, аккумулятор в замкнутой электрической цепи.
Если r<<R – источником напряжения, если r>>R – источником тока.
В электрических цепях (далее, для краткости, просто – цепях) постоянного тока в абсолютном большинстве случаев r<<R, поэтому аккумулятор или батарейку можно называть источником напряжения. Правда, случаются (большей частью неожиданные и приводящие к нехорошим результатам) ситуации, когда r>>R – возникает короткое замыкание. Почему короткое? Если полюса источника соединить отрезком проволоки, как раз и возникнет ситуация, когда сопротивление внешнего участка цепи Rстанет много меньше(почти нулевое!) внутреннего сопротивление источника r. А поскольку r составляет сотые и тысячные доли Ома (здесь 1 Ом – единица сопротивления), то сила тока в цепи мгновенно возрастает в сотни и тысячи раз! Это и есть короткое замыкание.  Делать это ради проверки не рекомендую, т.к. источник – маломощная батарейка или аккумулятор – выйдет из строя.

6. Что происходит внутри источника?

Источник постоянного напряжения имеет два полюса «+и «-». Почему? Ответ прост. На отрицательном полюсе накапливаются «лишние» электроны, которые очень «желают перебежать» на положительный полюс.  Значит, главная задача источника: «отделить» каким-то образом  электроны от ионов и собрать их на одном полюсе. Само собой, на другом полюсе будет их недостаток. Вот почему «отрицательный» и «положительный».
Когда к источнику подключается внешний участок цепи (например, проводки с лампочкой), то в нём мгновенно возникает ЭП, которое приводит электроны в упорядоченное движение. Таким образом, ЭП источника «заставляет» двигаться электроны на внешнем участке цепи, и они при этом совершают некоторую работу, раскаляя нить накала лампочки. Пополнение электронов осуществляется также за счёт источника.
Кстати, в электротехнике за направление электрического тока принимается направление от «+» к «-», и это проистекает оттуда же, из истории.
Что происходит с электронами, когда они достигают положительного полюса? Ведь их количество на отрицательном полюсе хоть и огромно, но не бесконечно велико.

Проведу простую аналогию. Если взять два сосуда, соединить шлангом, разместить один выше другого и в верхний налить воды, то вода под действием силы тяжести потечёт в нижний. Сделаем «врезку» в шланг в виде маленькой водяной турбины. Её лопасти будут крутиться под действием тока воды – совершается работа. Вращение лопастей прекратится, когда иссякнет запас воды в верхнем сосуде. С точки зрения «электрической» это означает, что все электроны переместились с отрицательного полюса (верхний сосуд) на положительный полюс (нижний сосуд),электрический ток прекратился, лампочка погасла. Но ведь батарейка поддерживает ток длительное время! Лампочка не вспыхивает на мгновение, а потом гаснет. Она продолжает гореть достаточно долго. Как же заставить воду снова течь по трубке из верхнего сосуда в нижний, не доливая в него ничего?! Ответ прост: поставить между ними насос! Лучше, если он будет приводиться в движение вручную. Это, как мне кажется, позволит глубже понять то, что для перераспределения зарядов внутри источника работу должен совершать кто-то поСТОРОННИЙ. Тогда воду можно перекачивать из нижнего сосуда в верхний, и она снова потечёт по шлангу вниз. Вы скажете: бестолковая работа! А я скажу: никак нет! Это работа так называемых СТОРОННИХ сил.
Разберёмся, что в нашей «насосной станции» аналогично чему в замкнутой электрической цепи.
1-е: вода – это электроны.
2-е: шланг – это  провода, турбинка – это лампочка, то есть вся внешняя электрическая цепь.
3-е: сила тяжести – это электродвижущая сила;
4-е: верхний сосуд – это «отрицательный»полюс источника; нижний – «положительный».
5-е: насос с ручным приводом также является частью источника; он скрыт у него «внутри».
6-е: я едва не забыл поставить краник , например, между верхним сосудом и турбинкой – это аналог выключателя в электрической цепи.
У нас получилась целая водопроводная система, в которой «источник» имеет довольно сложное устройство:  два сосуда, насос и соединяющие шланги. Насос перекачивает воду вверх, иначе говоря, совершает работу против силы тяжести. А я и не утверждал, что источник будет устроен слишком просто!
Ещё раз подробно рассмотрим работу замкнутой «водяной цепи».
Итак, верхний сосуд наполнен водой. Открываем кран, и вода под действием силы тяжести устремляется вниз, вращает лопасти турбины (полезная работа) и попадает в нижний сосуд. Из него она устремляется к насосу, которым кто-то посторонний (только не я!) перекачивает воду снова в верхний сосуд. Далее цикл повторяется, и турбина вращается до тех пор, пока этот посторонний не устанет настолько, что перестанет качать воду из нижнего сосуда в верхний. Ток воды прекратится. Турбина перестанет вращаться.

Теперь опишу работа замкнутой электрической цепи.
Батарейка свежайшая. Замыкаем выключатель. Электроны под действием силы со стороны ЭП устремляются к положительному полюсу – в цепи возник электрический ток. Под его действием нить накала лампочки раскаляется, лампочка светится. В данном случае это и есть полезная работа (электрическая энергия преобразуется в тепло и свет). Далее электроны попадают на положительный полюс источника. ЭП внутри источника направлено в обратную сторону и не может переместить их на отрицательный полюс. Но всё-таки это происходит!! И происходит за счёт электрохимических реакций внутри источника. Именно здесь возникают силы неэлектрической природы, которые называют сторонними. Эти силы перераспределяют электрические заряды внутри источника. Но ничто не вечно в этом мире. Всем известно, что любая химическая реакция (если имеется конечное количество ингредиентов) со временем прекращается. Заряды больше не перераспределяются, ЭП исчезает, электрический ток прекращается. Правда, происходит это не мгновенно, а постепенно. Выключателем мы можем «разорвать» проводник – исчезнет ЭП, ток прекратится. Замкнём – всё начнётся снова.
Расставляя все «точки на i», напоминаю, что в электротехнике принято указывать направление тока в цепи обратное естественному, т.е. от «+» к «-». Это опять же дань историческим традициям, когда не знали реальной сути и «наобум» задали именно такое направление тока. Позже физики выяснили истину, но менять ничего не стали.

7. Источники постоянного напряжения (или тока)

Источник постоянного напряжения – это некое устройство, внутри которого происходит перераспределение электрических зарядов под действием сторонних сил. Сторонние силы – это любые силы неэлектрической природы, действующие на электрические заряды.


В батарейках и аккумуляторах разделение электрических зарядов происходит в процессе химических реакций. Как именно – вопрос серьёзный и выходит далеко за рамки данного повествования. Оставляю покабез ответавопрос о том, как и почему аккумулятор заряжается снова и снова, а батарейка – нет. В дальнейшем я планирую подробно разобраться в вопросе о батарейках и аккумуляторах, и это тема отдельной статьи.



Другой источник постоянного напряжения – солнечный элемент. Он выполняется из полупроводника (см. мою статью «Полупроводниковый диод») и вырабатывает электрический ток только тогда, когда на поверхность полупроводника падает свет. Не имеет значения, солнечный или от электрической лампы. Разделение зарядов внутри полупроводника происходит за счёт энергии фотонов (частиц света), падающих на поверхность полупроводниковой пластины.



Ещё один источник постоянного напряжения – термопара. Упрощённо: термопара – это два проводника из разных металлов, спаянных одним концом. Если, например, место спайки нагревать или охлаждать, то межу другими концами возникнет разность потенциалов – напряжение. Включаем лампочку и любуемся на её сияние. Разделение зарядов внутри термопары происходит за счёт разности температур между «горячим» и «холодным» концами термопары.

Генератор постоянного тока. В простейшем случае он представляет из себяпроволочную рамку (ротор), каждый конец которой соединён с полукольцом (коллектор). Ротор находится между полюсами постоянного магнита (статор). По полукольцам скользят токосъёмные щётки. Ротор надо вращать (опять сторонние силы!). Если параллельно нагрузке к щёткам подключить вольтметр, то его стрелка будет совершать колебания от нуля до максимального значения. Естественно, амперметр будет показывать то же самое. Это будет так называемое ПУЛЬСИРУЮЩЕЕ постоянное напряжение (и ток, соответственно).

А вот что покажет осциллограф:

В основе принципа действия данного генератора лежит явление электромагнитной индукции, открытое Майклом Фарадеем в 1831г. Он же изобрёл первый электромагнитный генератор (диск Фарадея), который представлял собой медный диск, вращавшийся между полюсами постоянного магнита. Он вырабатывал небольшое постоянное напряжение и сильный ток. Аппарат был несовершенным по многим причинам. Первым электрическим генератором, способным вырабатывать мощность для промышленности стала динамо-машина, а первую динамо-машину построил Ипполит Пикси в 1832г.
Знаменитый американский изобретатель Томас Эдисон был активным сторонником постоянного тока. В 1884 году он принял на работу молодого сербского инженера Николу Теслу, в обязанности которого входил ремонт электродвигателей и генераторов постоянного тока. Тесла предлагал для генераторов и силовых установок использовать переменный ток. Но Эдисон довольно холодно воспринимал новые идеи Теслы и между ними постоянно возникали споры. Тесла утверждал, что весной 1885 года Эдисон пообещал ему 50 тыс. долларов (по тем временам сумма примерно эквивалентная 1 млн. современных долларов), если у него получится конструктивно улучшить электрические машины постоянного тока, придуманные Эдисоном. Никола активно взялся за работу и вскоре представил 24 разновидности машины Эдисона на переменном токе, новый коммутатор и регулятор, значительно улучшающие эксплуатационные характеристики. Одобрив все усовершенствования, в ответ на вопрос о вознаграждении Эдисон отказал Тесле, заметив, что эмигрант пока плохо понимает американский юмор. Оскорблённый Тесла немедленно уволился. Вскоре Тесла открыл по соседству с Эдисоном собственную «Tesla ElectricLight Company». Эдисонначал широкую информационную кампанию против переменного тока, утверждая, что тот опасен для жизни.
Справедливости ради следует отметить, что постоянный ток не более и не менее опасен для жизни, чем переменный. О переменном токе будет другая история. Пока скажу лишь, что вырабатывается практически всеми генераторами электростанций на Земле, передается на большие расстояния по линиям электропередач, используется  всевозможными электродвигателями именно переменный ток, а вот для питания абсолютного большинства радиоэлектронных устройств – постоянный (см. мою статью «Блоки питания»).

8. Постоянный электрический ток в различных средах

Как уже было сказано ранее, электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов. Сила тока зависит от сопротивления металла, а сопротивление – от свойств конкретного металла, его геометрических размеров (поперечного сечения и длины), от температуры. Кстати, изучение зависимости сопротивления металлов от температуры привело к открытию сверхпроводимости. 8 апреля 1911 года голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил, что при 3К (около −270 °C) электрическое сопротивление ртути становится практически равным нулю. Это означает, что электрический ток может протекать по такому проводнику, не вызывая его нагревания. На графике показано, как сопротивление ртути резко падает до нуля вблизи 4К. Объяснить это явление просто тем, что ионы в узлах кристаллической решётки прекращают тепловые колебания (так должно быть именно при температуре абсолютного нуля!) невозможно – ведь положительный заряд у них всё равно остаётся, и он должен влиять на характер движения электронов! Но всякое влияние исчезает! Сопротивление металла равно НУЛЮ!! Для понимания явления сверхпроводимости необходимы знания квантовой механики, которую я в данной статье не затрагиваю. Опять же, справедливости ради следует отметить, что полной теории сверхпроводимости пока ещё не создано. Полной, значит объясняющей ВСЕ эффекты, связанные со сверхпроводимостью. На рубеже 90-х годов прошлого века были открыты высокотемпературные сверхпроводники (77К), которые нашли практическое применение в науке и технике. Металлы в твёрдом состоянии относят к проводникам I рода.

Бывают ли жидкие проводники электрического тока? Конечно, и они всем известны: растворы кислот, солей и оснований. Вспомним, что происходит с молекулами поваренной соли в воде. Под действием полярных молекул воды, молекулы поваренной соли распадаются на ионы Na+ и Cl-. Этот процесс называется электролитической диссоциацией. Ионы хаотично движутся, сталкиваются друг с другом и снова образуют нейтральные молекулы – этот процесс называется рекомбинацией. Затем нейтральные молекулы соли под действием полярных молекул воды снова распадаются на ионы и т.д. При постоянной температуре электролита в нём устанавливается динамическое равновесие, когда соотношение между распавшимися и воссоединившимися молекулами соли в единицу времени остаётся постоянным. При повышении температуры электролита больше молекул соли распадётся на ионы, при понижении – больше образуется нейтральных молекул. Если в электролит опустить два электрода и подсоединить их к источнику постоянного напряжения, то возникнет ЭП, под действием которого «+» и «-» ионы станут двигаться упорядоченно – возникнет электрический ток. Ионы движутся в противоположные стороны: отрицательные – к «+электроду» – аноду, положительные – к «–электроду» – катоду. Следовательно, электрический ток в электролитах – это упорядоченное движение «+» и «-» ионов. Их движение аналогично хаотично-упорядоченному дрейфу электронов в металлах. Как было отмечено выше, с повышением температуры в электролите образуется больше свободных носителей заряда – ионов, и его сопротивление уменьшается. При попадании на электроды ионы нейтрализуются – происходит выделение вещества – электролиз. В данном случае выделяются Na и Cl, которые тут же взаимодействуют с водой, в результате чего протекают различные химические реакции. На электроде может выделяться и чистый метал, если растворить, например, медный купорос. Электролитом может быть и расплав. Например, чистый алюминий получают электролизом глинозёмного расплава.
Я не хочу глубоко вдаваться в теорию электролиза, чтобы сильно не уходить в сторону от основной темы. Отмечу лишь, что этим вопросом серьёзно занимался тот же Майкл Фарадей, который и открыл известные из школьного курса физики законы электролиза.
В некоторых кристаллах (например, иодид серебра, диоксид циркония) ионы под действием ЭП также могут перемещаться внутри кристаллической решётки – это твёрдые электролиты.
Ещё раз напоминаю, что выше был описан ПОСТОЯННЫЙ ток в электролите. Электролиты относят к проводникам II рода.

Существует довольно большое количество химических элементов и соединений (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), которые по своей электропроводности занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Они и называются соответственно – полупроводники. Кроме того, их проводимость (количество свободных носителей заряда) довольно сильно зависит от различных внешних факторов: температуры, освещённости, давления, электромагнитного поля, а также от наличия примесей. Наиболее распространённым полупроводником является кремний Si, составляющий почти 30% земной коры.

Я снова не хочу повторяться (см. мою статью «Полупроводниковый диод») и лишь схематично опишу электрический ток в полупроводниках на примере Si. Атомы кремния имеют 4 электрона на внешней оболочке, следовательно, до её завершения не хватает столько же. Где их взять? Элементарно, у соседей. В кристалле чистого кремния каждый атом образует четыре парноэлектронных связи со своими четырьмя соседями. Таким образом, все четыре электрона на внешних оболочках каждого атома становятся как бы общими. Это ковалентные связи и при обычных температурах они довольно прочные. Однако, атомы совершают хаотичные колебания вблизи положения равновесия в узлах кристаллической решётки Si, в результате чего некоторые связи могут разрываться, и в «межатомное» пространство вылетают свободные электроны.
Далее –  ВНИМАНИЕ! Для упрощения понимания проводимости полупроводников физики придумали маленькую хитрость. Попробуем с ней разобраться.
Что остаётся на месте разорванной парноэлектронной связи, откуда улетел электрон? Ничего, конечно! Но электрон принадлежал ДВУМ атомам, следовательно, каждый из этих атомов потерял отрицательный заряд, равный ½ заряда электрона, и стал положительным ионом с зарядом, равным ½ элементарного. А это никак невозможно! Элементарный заряд НЕДЕЛИМ! Постановили назвать разорванную связь «дыркой» и приписать ей положительный элементарный заряд. Вот такой чисто умозрительный фокус. «Дырка» - это воображаемая частица (не путать с гипотетической!), образованная на месте разорванной парноэлектронной связи между атомами полупроводника. Её заряд равен элементарному со знаком «+». В обычном состоянии связи в полупроводнике обрываются непредсказуемо, соответственно хаотически образуются дырки (их название принято писать без кавычек) – это процесс диссоциации. Электроны движутся хаотично и иногда «влипают» на своё место, тем самым восстанавливая связи между атомами – это рекомбинация. При постоянной температуре устанавливается динамическое равновесие, концентрация электронов и дырок остаётся постоянной. При изменении температуры в ту или иную сторону концентрация свободных носителей заряда меняется примерно так же, как у электролитов. Чем выше температура полупроводника, тем выше его проводимость, ниже сопротивление.
Если в полупроводнике создать ЭП, электроны и дырки станут двигаться «хаотично-упорядоченно» в противоположные стороны. Вы скажите: как дырки образуются – понятно, но как они могут двигаться, да ещё упорядоченно?!
Для понимания воспользуемся наглядной аналогией. Можно даже провести этот опыт «вживую». Поставим в один ряд несколько стульев. Пусть на все, кроме первого, сядут люди. Люди – электроны, пустой первый пустой стул – дырка. Затем человек со второго стула пересаживается на первый – электрон движется, но дырка (пустой стул) оказалась уже на втором месте. Люди пересаживаются, поочерёдно сдвигаясь на одно место вперёд, а свободный стул в итоге оказывается последним. Отсюда должно быть понятно, что реально движутся электроны, а движение дырок – лишь иллюзия, ведь пустой стул никто не переставлял!
Пора делать окончательный вывод: электрический ток в полупроводниках – это упорядоченное движение электронов и дырок. С точки зрения механической их движение совершенно аналогично движению ионов в электролитах, но без всяких химических реакций.
В заключение добавлю, что в чистый полупроводник можно добавить примеси, которые могут резко увеличить число свободных электронов (донорные) или даже (!!!) дырок (акцепторные), и это делается при создании различных полупроводниковых приборов, начиная с простейшего – диода.


В обычном состоянии газы являются диэлектриками, поскольку в них практически отсутствуют свободные носители заряда. Но если я включил в моё правдивое повествование (не путать с «правдивыми» повествованиями Карла Фридриха Иеронима барона фон Мюнхгаузена) такой пункт, значит – ДА, газы могут быть проводниками. Дело только в том, что для этого необходимы особые условия. Общий смысл этих условий заключается в том, что при этом  молекулы газов начинают двигаться быстрее (возрастает их Ек), в результате чего столкновения молекул становятся настолько мощными, что при этом электронные оболочки и связи между атомами деформируются, разрываются, и образуются свободные электроны и ионы. Естественно, это диссоциация. Движение электронов и ионов хаотичное, иногда они сталкиваются, вновь образуются нейтральные молекулы – это рекомбинация.
Итак, для того, чтобы в газе образовались свободные носители электрического заряда, нужно газ нагреть, создать в газе высокую разность потенциалов, или подействовать на газ радиоактивным излучением. Любое из указанных воздействий на газ называется ионизатором, поскольку в результате образуются ионы. Если создать в газе ЭП, то движение электронов и ионов станет упорядоченным – возникнет электрический ток. Электроны и отрицательные ионы будут двигаться к аноду, положительные ионы – к катоду. Это постоянный ток.
Даю определение: электрический ток в газах представляет собой упорядоченное движение ионов и электронов. Иначе протекание электрического тока через газ называют газовым разрядом.
Примеры: молния, дуга электросварки, свечение ламп дневного света.
Я сознательно оставляю в стороне вопросы о типах газовых разрядов.
Но обязательно добавлю, что если газ нагреть до нескольких сотен градусов, то большинство его молекул будут ионизированы, и газ перейдёт в новое агрегатное состояние. Дело в том, что свойства частично и, тем более, полностью ионизированного газа настолько отличаются от газа обычного, что такое его состояние является совершенно новым, четвёртым агрегатным состоянием – ПЛАЗМОЙ.

Опять же вспомню древних греков, которые две с половиной тысячи лет назад не только предположили, что всё вокруг состоит из мельчайших частиц – атомов, но и точно знали, что в природе имеют место быть 4 состояния вещества: земля, вода, воздух и огонь. Любое пламя (горящей спички, газовой плиты, дуга электросварки, светящийся газ в лампе и, наконец, наше Солнце) – это плазма.

Вакуум физический – это абсолютная пустота. В нём нет ничего, в том числе и свободных носителей заряда, поэтому он – абсолютный диэлектрик. В действительности, как мы знаем, вакуум – это такое состояние, когда частицы (атомы, молекулы, ионы, электроны и всякие прочие) пролетают од одной стенки сосуда (баллона, ёмкости) до другой, НЕ СТАЛКИВАЯСЬ друг с другом. Это реальный вакуум. Главный вопрос: где взять свободные носители заряда, если в вакууме, практически, нет никаких частиц. Как их в эту пустоту запустить?
Снова не хочу повторяться. Подробно ток в вакууме описан в моей статье «Электронные лампы». Здесь я лишь обозначу главные моменты.
Имеется герметичный сосуд, из которого выкачан воздух. В сосуд впаяны два электрода. Один из них представляет собой обычную нить накаливания (как в лампочке), другой – просто плоская пластина. Если нить накаливания подключить к источнику тока, то она начнёт накаляться. Оказывается, что при нагревании металла с его поверхности начинают вылетать свободные электроны, Ек которых достаточна для того, чтобы преодолеть силы электрического притяжения. Электроны уносят с собой отрицательный заряд, а метал, соответственно, заряжается положительно. Вблизи поверхности металла образуется так называемое «электронное облако». Электроны в нём движутся хаотично (как упомянутая выше мошкара тёплым летним вечером вьётся кучками перед хорошей погодой), некоторые электроны «падают» в металл, на их место вылетают другие и т.д. При постоянной температуре металла устанавливается уже знакомое нам динамическое равновесие, когда в единицу времени среднее количество электронов вылетевших и «упавших» остаётся постоянным. Концентрация электронов в «облаке» также не меняется. Изменение температуры электрода приведёт к нарушению динамического равновесия, объём электронного облака и концентрация электронов в нём также изменятся.
Понятно уже, что для создания упорядоченного  движения электронов требуется ЭП. Создать его просто, достаточно подключить источник высокого напряжения (от нескольких десятков до сотен Вольт) «минусом» к подогреваемому электроду – он станет КАТОДОМ, «плюсом» ко второму плоскому электроду – он станет АНОДОМ. Между ними возникнет ЭП, которое (если достаточна напряжённость) будет «заставлять» электроны из «облака» лететь сквозь вакуум – возникнет постоянный ток.
Итак, постоянный ток в вакууме – это упорядоченное движение заряженных частиц создаваемых источником.
Имейте в виду, что частицами могут быть ионы и протоны, а не только электроны – всё зависит от источника.
До недавнего времени в телевизорах, мониторах, осциллографах и некоторых других радиоэлектронных устройствах использовались электронно-лучевые трубки, а ещё раньше вместо современных полупроводниковых приборов применялись разнообразные электронные лампы – радиолампы. В них и осуществлялся процесс протекания электрического тока (поток электронов) через вакуум. Но имеются устройства, создающие ионные и протонные пучки.

9. Подведём итоги

Электрический ток – это упорядоченное движение свободных носителей заряда. Ими могут быть электроны, положительные и отрицательные ионы, протоны и даже дырки (воображаемые частицы) – всё зависит от конкретного вещества и/или его состояния. В любом агрегатном состоянии в веществе может протекать электрический ток. Мало того, ток может быть даже в вакууме, если создать для этого условия.
Постоянный ток характеризуется тем, что свободные носители заряда «дрейфуют» в одном строго определённом направлении. Скорость «дрейфа» при этом может меняться по величине, но не по направлению.
Сила тока – это физическая величина, которую измеряют амперметром. Амперметр включается в электрическую цепь постоянного тока таким образом, чтобы через него в единицу времени «пробегало» столько же свободных носителей заряда, сколько и через другие элементы данного участка цепи, т.е. последовательно. Для этого цепь нужно «разорвать», и в разрыв включить прибор, соблюдая полярность. Если стрелка прибора будет колебаться, это значит, что сила тока меняется, но его направление – ток остаётся постоянным.
В настоящее время более модно использовать для измерения электрических величин цифровые приборы. Я считаю, что для начального уровня (школьная физика) они совершенно неприемлемы, т.к. понять принцип их действия школьник не в состоянии, да и наглядности измерения они не дают совершенно.
Мне рассказывали опытные люди, что приходящие на производство выпускники ВУЗов не знают и не умеют пользоваться электроизмерительными приборами. Но это уже совсем другая история…

© SEkorp /моя версия темы, 6 апреля 2016г/


НАЗАД на страницу РАДИОбиблиотека