ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
(лектор Садиков Б.А.)
§ 1. Электрический ток проводимости
Электрическим током проводимости называют упорядоченное движение электрических зарядов.
Упорядоченное движение зарядов, как это было уже установлено в электростатике, получается, например, в проводнике, который соединяет заряженное тело А с незаряженным В (рис. 1а). Однако это движение зарядов практически прекратится в момент выравнивания потенциалов обоих тел, после чего заряды как-то распределятся между телами. Существенно отметить, что заряд, оказавшийся на проводнике, соединяющем тела, распределится вдоль проводника равномерно.
А |
В |
а) |
б) |
Рис. 1.
Упорядоченное движение будет существовать также в проводнике, соединяющем разноименно заряженные тела или пластины заряженного конденсатора (рис. 16). В этом случае движение сопровождается нейтрализацией зарядов, находившихся на пластинах конденсатора. Из этих примеров видно, что движение зарядов, то есть электрический ток в проводнике, возможно при наличии разности потенциалов, то есть тогда, когда в проводнике существует электрическое поле. Но в рассмотренных примерах ток не может быть длительным, так как в процессе перемещения зарядов потенциалы тел выравниваются, а электрическое поле в проводнике исчезает. Следовательно, для получения тока необходимо как-то поддерживать разность потенциалов между телами. Для этого можно было бы непрерывно заряжать тело А и разряжать тело В, или заряжать тело А положительным электричеством, а тело В — отрицательным. Такую заряд-
ку тел вообще можно осуществить с помощью других заряженных тел. Далее, можно было бы тело А (рис. 1а) непрерывно заряжать от электрической машины, а тело В заземлить для того, чтобы оно не могло зарядиться до потенциала электростатических машин. Практически более удобным оказался способ, заключающийся в обратном переносе зарядов от тела В к телу А. Но под действием сил того же электростатического поля обратный перенос зарядов невозможен, так как потенциал тела В всегда меньше (или равен) потенциала А.
Следовательно, такой перенос зарядов может быть совершен только с помощью сил неэлектростатического происхождения. Эти силы получили название сторонних сил, а их источники — сторонних источников. Так как сторонние источники переносят заряд от тела с меньшим потенциалом к телу с большим потенциалом, то они должны совершать работу, а следовательно, должны обладать энергией. Сторонними источниками являются электростатические машины, гальванические элементы, аккумуляторы, динамомашины и т. п.
Из изложенного вытекает, что для получения электрического тока проводимости в замкнутой цепи необходим сторонний источник неэлектростатического происхождения. На рис. 2а дана схема электрической цепи, в которой находится сторонний источник е. Здесь положительные заряды от точки А проводника переходят к точке В под действием электростатических сил поля, а от точки В к точке А под действием сторонних сил, действующих в источнике.
Действие электростатических и сторонних сил в замкнутой цепи можно представить на такой модели. Возьмем винтообразную наклонную плоскость (рис. 2б). Если вверху плоскости помещать шарики, то под действием силы тяжести они будут скатываться к основанию, это иллюстрирует движение зарядов под действием электростатических сил. Но для обеспечения непрерывного движения шариков последние должны быть подняты с основания на вершину плоскости. Такое перемещение возможно только под
действием сил, отличающихся от сил тяжести; это иллюстрирует действие сторонних источников неэлектростатического происхождения.
Итак, электрический ток существует тогда, когда в проводнике создано электростатическое поле, и при этом вдоль проводника, в направлении движения положительных зарядов, наблюдается непрерывное уменьшение потенциала. Таким образом, присоединяя электрометр Э к любой паре точек проводника (например, к точкам 1 и 2, рис. 2а), обнаружим отклонение стрелки электрометра.
Но для создания электростатического поля в проводнике необходимо, чтобы распределение электрических зарядов в однородном проводнике было бы неравномерным. Больший заряд, приходящийся на равные отрезки проводника, будет в тех участках проводника, которые имеют больший потенциал. Такое распределение зарядов вдоль проводника осуществляется в момент включения в цепь стороннего источника и оно сохраняется при установившемся процессе неизменным. А отсюда следует, что при установившемся токе количество электричества, протекающее за равные промежутки времени через сечение проводника в любом участке цепи, будет одинаковым.
δ = |
di |
, |
(3) |
|
ds |
||||
i |
где dsi —площадка, в пределах которой ток одинаков по величине и направлению.
Рис. 4.
Из определения плотности тока вытекает, что δ есть векторная величина, имеющая направление движения положительных зарядов. Так как площадка s изображается вектором, направленным нормально к площадке, то величина si есть проекция вектора площадки s на направление тока или на направление вектора плотности тока. Тогда из формулы (2) для величины тока получаем:
i = δ si = δ s cosϕ = δ s, |
(4) |
где φ — угол между векторами δ и s (рис. 4б). |
|
В общем случае (рис. 4в) вместо (4) имеем |
i = ∫δ |
ds. |
(5) |
|||
s |
|||||
§ 3. Признаки тока
Электрический ток не может быть наблюдаем непосредственно. Мы утверждаем, что существует ток в процессе выравнивания потенциалов соединенных между собой тел. А при наличии сторонних источников мы можем судить о существовании тока тогда, когда совершается работа сторонних источников, которые включены в цепь. Но ток сопровождается рядом легко наблюдаемых явлений. Так, при электрическом токе в жидкостях наблюдается выделение вещества на электродах, опущенных в жидкость. Ток в газах сопровождается свечением этого газа. При прохождении тока по проводнику последний нагревается. Наконец, в окружающем проводник с током пространстве появляется магнитное поле, которое может быть обнаружено по отклонению магнитной стрелки от равновесного положения, вызываемому действием этого поля.
Таким образом, электрический ток может быть обнаружен по химическому, свето-
вому, тепловому и магнитному его действию. Но |
|
если химическое действие обнаруживается при |
|
прохождении тока его через электролит, а свето- |
|
вое при прохождении тока через газ, то тепловое |
|
действие тока обнаруживается практически все- |
|
гда, а магнитное действие всегда, когда существу- |
Рис |
ет ток, независимо от того, существует ли он в |
жидкости, газе или твердом теле. С этой точки зрения все проводники являются равноценными.
Если, например, пропускать ток через трубку с раствором серной кислоты (рис. 5), то одновременно с выделением на электродах газа будет наблюдаться нагревание раствора (что можно установить по термометру) и отклонение магнитной стрелки NS, помещенной вблизи трубки.
Используя любой из указанных признаков тока, можно изготовить прибор для измерения тока. Приборы, измеряющие ток по химическому действию, получили название вольтаметров. Приборы, измеряющие ток по тепловому или магнитному действию, называются амперметрами, а измеряющие разности потенциалов — вольтметрами.