ТРИ ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
D се практические применения электричества основаны на трёх действиях, вызываемых электрическим током: тепловом, химическом и магнитном, О них мы и расскажем в этой главе.
Только в полном вакууме электроны движутся беспрепятственно. Проходя через вещество, они сталкиваются с атомами, молекулами или ионами. При этом электроны тормозятся и передают свою энергию частицам того тела, по которому идёт ток. Энергия частиц вещества увеличивается, скорость движения их возрастает, проводник нагревается.
Чем большее сопротивление оказывают частицы проводника прохождению электрического тока, тем больше энергии теряют электроны, тем сильнее нагревается проводник, так как вся потерянная электронами энергия превращается в тепло. Теперь нам понятно, почему спираль электрической печки сделана из нихрома, а шнур, протянутый к ней от штепселя, — из меди. При таком выборе материалов ток сильно разогревает спираль, обладающую большим сопротивлением, и почти совсем не нагревает подводящие провода.
Посмотрим на электрическую лампочку. Её вольфрамовая нить обладает большим сопротивлением. Проходя
но нити, электроны передают ионам вольфрама много энергии. Нить разогревается добела—лампочка светит.
Если ток слишком сильный, энергия, передаваемая ионам вольфрама, так велика, что ионы не удерживаются больше на своих местах. Правильное расположение их нарушается, нить плавится. Мы говорим, что лампочка «перегорела». Вольфрам применяется для изготовления нитей электрических лампочек потому, что это один
Из самых тугоплавких металлов. Он выдерживает температуру в 3000 градусов. Температура нити горящей лампочки значительно ниже — около 2100 градусов.
Чем длиннее проводник, тем больше столкновений испытывают в нём электроны, тем больше энергии они теряют. Поэтому сопротивление проводника тем больше, чем больше его длина.
|
Рис. 15. Сопротивление проводника зависит от его толщины |
Кроме того, сопротивление проводника зависит и от толщины его. Чем тоньше провод, тем больше его сопротивление. Чтобы понять, почему это так, проделаем следующий опыт. Припаяем к куску тонкой проволоки кусок толстой проволоки и присоединим их к полюсам аккумулятора (рис. 15). Сила тока и в толстом и в тонком проводе одинакова; и через ту и через другую проволоку проходит за секунду одинаковое число электронов. Но при этом в тонком проводе скорость упорядоченного движения электронов больше, чем в толстом, подобно тому как скорость реки в узком месте больше, чем в широком. Но ведь чем быстрее движется поток электронов, тем больше энергии отдаёт он при столкновениях частицам проводника. Значит, и сопротивление тонкого провода больше, чем сопротивление толстого. Благодаря этому в нашем опыте тонкий провод раскаляется током, а толстый — остаётся тёмным и едва тёплым.
Таким образом, если по проволоке идёт большой ток, то во избежание сильного нагревания проволоки надо, чтобы она была достаточно толстой.
Когда мы включаем какой-нибудь электроприбор — плитку, электрическую лампочку или утюг,— то сила тока в электропроводке в квартире определяется напряжением в сети и общим сопротивлением электрического прибора и подводящих проводов. Допустим, что включён утюг. Главную роль в этом случае играет сопротивление утюга, так как сопротивление проводов очень мало. Но иногда бывает так, что из-за плохой или нарушенной изоляции провода соединяются друг с другом и ток идёт по ним, минуя электроприборы. Такое соединение проводов называется коротким замыканием. При этом сила тока становится огромной, так как сопротивление проводов очень мало. Вследствие этого провода сильно нагреваются и может возникнуть пожар.
Чтобы предотвратить пожар от короткого замыкания, в цепь обычно включают предохранители, или, как их ещё называют, «пробки». В них имеется тонкая проволочка, по которой проходит электрический ток. Как только ток становится слишком большим, проволочка перегорает и разрывает цепь раньше, чем провода успевают разогреться.
Выделение тепла при прохождении тока широко используется для разнообразных целей (освещение, обогревание, плавка, сушка, закалка, сварка и др.).
Отдавая свою энергию частицам проводника, заряды, образующие ток, тормозятся. В промежутках между столкновениями поле снова ускоряет эти заряды, восстанавливает их прежнюю энергию. Значит, тепло выделяется за счёт работы электрического поля.
Но в случае постоянного тока поле не изменяется, так как постоянной остаётся величина создающих поле зарядов на электродах генератора.
Откуда же черпает поле энергию, расходуемую на перемещение электрических зарядов, на поддержание электрического тока?
Энергию полю доставляет генератор.
Посмотрите ещё раз на рисунок 9. Внутри аккумулятора электроны перемещаются от анода к катоду против того направления, в котором на них действуют силы электрического поля.
Чтобы поднять груз, надо совершить работу против действующей на него силы тяжести, надо затратить энергию. То же необходимо, чтобы перемещать заряды против действующих на них сил электрического поля. Эта работа осуществляется за счёт химической энергии аккумулятора. В результате этой работы электроны возвращаются на катод, заряды электродов поддерживаются постоянными, потери энергии поля возмещаются.
В динамомашине в энергию поля превращается механическая энергия (об этом рассказано дальше, см. стр. 49), в аккумуляторе и батарейке карманного фонаря — химическая. Таким образом, электрические генераторы — это преобразователи энергии из других форм её в энергию электрического п о л я.
Выше мы говорили о работе и мощности тока. Конечно, ток совершает работу — вращает вал электромотора, сваривает рельсы, превращает руду в металл. Но собственная энергия тока — энергия движущихся электронов — совершенно недостаточна для этого. Работа совершается за счёт энергии электрического поля, вырабатываемой генератором.
