Возникновение, природа и применение электрического тока в металлах

Без электрического тока невозможно представить нашу жизнь. С его помощью человек работает, отдыхает и развлекается, готовит пищу, лечится, обогревает жильё. Электрический ток в металлах – это направленное движение заряженных частиц. Вот только частицы эти бывают разными, так как структура материалов различается. Например, в жидкостях или газах эту роль выполняют ионы, а в металлах ток создаётся движением электронов. Чтобы понять, как такое возможно, следует представлять, из чего «сделаны» эти материалы.

Оглавление:

• Природа металлов
• Кратко об интересных фактах
• Электрончики на службе

Природа металлов

Это вещества, обладающие высокой плотностью, теплопроводностью, а при нагреве — пластичностью. Главное их отличие от большинства неметаллов в том, что они имеют структурированную межатомную связь. Схематично это выглядит как объёмная решётка, в узлах которой размещены положительные ионы. Вокруг них вращается сколько-то электронов. Кстати, количество этих частиц у каждого металла своё. Из-за этого они и отличаются друг от друга. Однако у металлов есть общее свойство: их ионы жутко «рассеяны» и постоянно теряют свои электроны. Получив «свободу», такие отрицательно заряженные частицы хаотично перемещаются внутри кристаллической решётки.

В обычном состоянии металл не имеет потенциала или какого-то электрического заряда. Обусловлено это тем, что общий заряд электронов, находящихся «в свободном поиске», равен суммарному заряду положительных ионов решётки.

Доказательство тому, что электрический ток в металлах создаётся электронами, сделали в 1913 г. Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси. Они предположили, что эти частицы имеют вес, а значит, должны подчиняться законам механики.

В своих опытах учёные сильно раскручивали катушку из металлической проволоки, а затем резко останавливали её.

Находящиеся там свободные электроны после прекращения вращения, по закону инерции, должны были какое-то время перемещаться, создавая направленное движение. Так и получалось, что подтверждалось кратким щелчком в динамике телефона.

Более качественно данный опыт провели в 1916 году Р. Толмен и Б. Стюарт. Для измерения возникновения тока они использовали гальванометр.

Сообщения о сделанных открытиях побудили П. Друде к исследованиям в этой области. Вскоре он представил научному миру свою теорию о возникновении электрического тока, которая была расширена Х. Лоренцем и стала называться «классическая теория электричества». Она гласит: если к концам металлического проводника приложить разноимённо заряженные потенциалы, то в нём возникает электрический ток. Таким образом, природа электрического тока в металлах заложена в их особой структуре. А именно:

• наличием отрицательно заряженных, электронов, свободно перемещающихся между ионами;
• способностью этих заряженных частиц реагировать на электрический потенциал и являться его носителем.

Кратко об интересных фактах

1. Быстрота распространения электрического поля в металлах близка к скорости света. Это 300 000 км/с, а вот движение самих заряженных частиц невелико — меньше одного миллиметра в секунду.
2. Электроны при движении по проводнику никуда не «утекают», несмотря на то, что являются носителями тока.
3. Направление тока противоположно упорядоченному, направленному движению электронов.

Электрончики на службе

Способность твёрдых металлов передавать электрический ток стала очень востребована, так как во время этого процесса происходят дополнительные, полезные явления. Например, вокруг проводника с протекающим по нему током возникает магнитное поле.

Это свойство назвали магнетизм и применили его для:

1. Изобретения электрического двигателя. Впоследствии разработали множество модификаций этой машины. Сейчас они помогают человеку и на производстве, и в быту.
2. Создания электромагнитов. По этому принципу работает водяной насос «ручеёк». В его «теле» перемещается в изменяющемся магнитном поле металлический сердечник с закреплённой на конце мембранной. Или другой пример: кран с мощным электромагнитом.
3. Трансформации напряжения. Магнетизм и электрический ток не могут существовать друг без друга. Вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Так же и наоборот: если поместить проводник в изменяющееся магнитное поле, то на его концах возникнет разность потенциалов. Это свойство послужило для создания трансформатора. Зачем он нужен? Например, чтобы зарядить телефон. В сетевой розетке есть 220 В, а для заряда батареи надо только 5,5. Вот тут и пригодится электрическая схема на основе понижающего трансформатора. Если разобрать старую, тяжёлую телефонную «зарядку», то можно его там увидеть. Другой такой агрегат, только очень большой, постоянно гудит в своей будке, построенной почти в каждом городском дворе. Он подаёт в квартиры «положенные по прейскуранту» вольты.

Другое свойство, проявляющееся при движении электронов по проводнику — это нагрев. Формула Джоуля-Ленца гласит, что нагрев проводника (Q) прямо пропорционален произведению квадрата проходящего по нему тока (I), величины его сопротивления ® и времени (t). И выглядит это так: Q=I²R.

Такому полезному явлению человечество сразу нашло применение. Например, за окном трещит мороз, а в квартире пол с электрическим подогревом. Класс! А как приятно осознавать, что окончание написания конспекта задания не за горами, и на электроплите уже закипает чайник. Да, нагревательные приборы не поражают своей однотипностью. Вот основные из них: стиральная машина, утюг, плойка, лампа накаливания, тостер, кофеварка, электрочайник и т. д. Это только в быту, не меньше их и в производстве. Называть все займёт много времени.

Таким образом, понятно, какими частицами создаётся ток в металлах. Это трудяги — электрончики. Благодаря их работе, абсолютно вся техника, которой пользуется человек, оживает и начинает приносить ему пользу.