Электрический ток

Что надо сделать, чтобы в проводнике, скажем, в нити накала электри­ческой лампы, заставить двигаться в одном направлении — упорядоченно — обилие свободных электронов? Следует создать в нем электрическое поле, подключив проводник, например, к гальваническому элементу.

Устройство простейшего гальванического элемента, являющегося хими­ческим источником тока, показано на рис. 9. Элемент состоит из цинковой и медной пластинок, называемых электродами, которые поме­щены в электролит — раствор соли или кислоты, например серной. В ре­зультате химической реакции, происходящей между электродами и электролитом, на цинковом электроде образуется избыток электронов, и он приобретает от­рицательный заряд, а на медном, наоборот, — недостаток электронов, и он приоб­ретает положительный заряд. Между электродами-полюсами такого источника тока появляется электрическое поле, создаваемое разноименными электрическими зарядами; между электродами действует электродвижущая сила (сокра­щенно э.д.е.), или напряжение — физическая величина, характеризующая количественную разность электрических зарядов. О разнице между э. д. с. и на­пряжением я расскажу тебе в пятой беседе.

Ты знаешь, что полюсы источника тока обозначают знаками плюс и минус. Их ты видел, например, возле Жестяных выводов батареи, предназначенной для питания лампы накаливания карманного электрического фонаря. Между прочим, эта батарея также состоит из гальванических элементов, только не жидкостных, как элемент, показанный на рис. 9, а сухих. Там их три. Не­сколько элементов, соединенных между собой в единый источник тока, и назы­вают батареей.

Запомни: отрицательный полюс элемента или батареи принято обозначать короткой линией, положительный — удлиненной линией, а электрическую лампу накаливания — кружком с перпендикулярными линиями внутри (рис. 9).

Как только проводник окажется подключенным к полюсам элемента или батареи, в нем возникнет электрическое поле, под действием которого элект­роны, как по мостику, переки­нутому через овраг, будут дви­гаться туда, где их недоста­ток, — от отрицательного полю­са через проводник к положи­тельному полюсу источника элек­трической энергии. Это и есть упорядоченное движение элект­ронов в проводнике, элект­рический ток. Ток течет че­рез проводник потому, что в по­лучившейся цепи (положитель­ный полюс элемента, проводни­ки, отрицательный полюс эле­мента, электролит) есть электро­движущая сила, электрическое напряжение.

Такую простейшую электри­ческую цепь можно разделить на два основных участка: внеш­ний и внутренний. К внеш­нему участку цепи относится все, что подключается к полюсам ис­точника тока (на рис. 9 — лампа накаливания и соединительные проводники), а к внутреннему участку — та часть цепи, которая заключена внутри самого источника тока.

Запомни: замкнутая электрическая цепь — обязательное условие для существо­вания в ней тока. В разомкнутой цепи ток не течет.

Можно сообщить разноименные заряды двум изолированным друг от друга телам, например шарикам, подвешенным на шелковых нитках. Шарики будут притягиваться друг к другу, но тока между ними не будет, так как их раз­деляет диэлектрик — воздух.

Достоверно установлено, что электроны в проводнике движутся от отрица­тельного полюса (где избыток их) к положительному (где недостаток в них), од­нако и сейчас, как в прошлом веке, принято считать, что ток течет от плюса к минусу, т. е. в направлении, обратном движению электронов. Ты можешь спросить: почему бы сейчас не нарушить эту традицию? Дело в том, что это потребовало бы переработки всех учебников, всей технической литературы, имеющей прямое или косвенное отношение к электротехнике и радиотехнике. Условное направление тока, кроме того, положено учетными в основу ряда сущест­вующих правил, связанных с определением многих электрических явлений. В то же время такая условность никаких особых неудобств не создает, если твердо помнить, что направление тока противоположно направлению движения электро­нов.

Пока элемент или батарея действует, во внешнем участке электрической цепи ток течет в одном и том же направлении. Такой ток называют постоянным. Его можно изобразить графически, как показано на рис. 10. Точка перекрещения осей обозначена нулем 0 и является исходной для графи­ческого изображения времени и величины тока в цепи.

О чем может рассказать этот график? Сначала (отрезок времени 0а) тока в цепи нет (ток равен нулю), так как к источнику тока не был под ключей внешний участок цепи. Ток появился, когда цепь замкнули (точка а). Он быстро возрос до некоторого значения (точка б) и не изменялся до тех пор, пока цепь была замкнута (точка в).

Рис. 10. Графическое изображение постоянного тока.

Когда цепь разомкнули, ток быстро умень­шился и исчез совсем (точка г). Если электрическую цепь снова замкнуть, в ней опять появится ток. Так примерно выглядит график тока, текущего через лампу карманного электрического фонаря, когда его включают на короткие промежутки времени.

На рис. 9 через соединительные проводники и нить накала лампы элект­роны движутся слева направо — от минуса к плюсу. Но если полюсы элемента поменять местами, электроны во внешнем участке цепи потекут справа налево, так как теперь минус окажется на правом участке цепи, а плюс — на левом. Изме­нится только направление движения электронов, но ток и в этом случае будет постоянным.

А если полюсы гальванического элемента менять местами очень быстро и к тому же ритмично? В этом случае электроны во внешнем участке цепи тоже будут попеременно изменять направление своего движения. Сначала они потекут в одном направлении, затем, когда полюсы поменяют местами,—в другом, обратном предыдущему, потом вновь в первом, опять в обратном и т. д. Во внешней цепи будет течь уже не постоянный, а как бы переменный ток.

Запомни: б сетях электрического освещения течет переменный ток, а не постоянный, как в электрическом карманном фонаре. Его вырабатывают машины, называемые генераторами переменного тока. Знаки электрических зарядов на полюсах генератора непрерывно меняются, но не скачком, как в нашем примере, а плавно. Заряд того полюса генератора, который в некоторый момент времени был положительным, начинает убывать и через долю секунды становится отрицательным; отрицательный заряд сначала возрастает, потом начинает убывать, пока снова не окажется положительным, и т. д. Одновременно меняется знак заряда и другого полюса. При этом напряжение и ток в элект­рической цепи также периодически изменяются.

Графически переменный ток изображают в виде волнистой линии — сину­соиды, показанной на рис. 11. Здесь вверх по вертикальной оси отложено одно направление тока, условно названное мною «туда», а вниз — другое направле­ние тока, обратное первому: «обратно».

О чем может рассказать этот график? Ток в цепи появляется в момент времени, обозначенный точкой а. Он плавно увеличивается и течет в одном направлении — «туда», достигая наибольшей величины (точка б), и так же плавно убывает до нуля (точка в). Исчезнув на мгновение, ток вновь появляется, плавно возрастает и протекает в цепи, но уже в противоположном направлении — «обратно». Достигнув наибольшего значения (точка г), он снова уменьшается до нуля (точка д). Итак, ток, опять последовательно возрастая и уменьшаясь, все время меняет свои направление и величину.

Рис. 11, Графическое изображение переменного тока.

При переменном токе электроны в проводнике как бы колеблются из стороны в сторону. Поэтому переменный ток называют также электриче­скими колебаниями: Одним полным, или законченным, колебанием тока принято считать упорядоченное движение электронов в проводнике, соответству­ющее участку графика от а до д или от в до ж на рис. 11. Время, в те­чение которого происходит одно полное колебание, называют периодом, время половины колебания — полупериодом, а наибольшее значение тока во время каждого полупериода — амплитудой (рис. 11).

Переменный ток выгодно отличается от постоянного тем, что он легко поддается преобразованию. Так, например, при помощи специального устрой­ства — трансформатора — можно повысить напряжение переменного тока или, наоборот, понизить его. Переменный ток, кроме того, можно выпрямить — преобразовать в постоянный ток. Эти свойства переменного тока широко исполь­зуют в электро- и радиотехнике.

Все то, о чем я рассказал тебе в этом немного затянувшемся отступле­нии, сейчас знает каждый старшеклассник и, разумеется, каждый радиолюбитель. Ты со дня своего рождения пользуешься благами электричества, иногда даже расточительно, не задумываясь над тем, что ученые всего-навсего каких-нибудь лет 100 назад только-только нащупали пути практического использования этого щедрого дара природы.

В. Г. Борисов. Юный Радиолюбитель