Электрический ток

Рубеж XVIII-XIX веков ознаменовался важным открытием, имевшим огромные научные последствия. Речь идет об открытии первого источника постоянного тока — гальванического элемента, или элемента Вольта.

Гальваническим его назвали в честь врача Луиджи Гальвани, который случайно обнаружил, что при касании лапки лягушки двумя разными металлическими предметами её мышца сокращается. Отсюда он сделал неверный вывод о существовании особого «животного электричества».

Физик Алессандро Вольта доказал на опыте, что «животное» здесь ни при чем: он заменил лапку раствором соли или кислоты. При помещении в раствор серебряной и цинковой пластин на них возникали заряды разного знака (правильнее сказать, между пластинами появлялось электрическое напряжение). А при замыкании пластин проводом по нему тёк постоянный электрический ток. Для увеличения тока можно соединять много таких элементов друг с другом последовательно. Так в 1800 году появилась возможность создавать постоянный ток.

Вы можете сделать гальванический элемент, просто взяв яблоко или картофель и воткнув в него два гвоздя из разных металлов, например, медный и железный. От такого элемента могут работать, к примеру, маленькие электронные часы.

Но прошло еще 20 лет до настоящего рождения электродинамики — целостной теории электромагнитных явлений. Только после 1820 года сформировалась современная терминология, и были установлены основные законы электромагнетизма, в том числе законы постоянного тока.

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц: «носителей тока». Чтобы возник ток, необходимо, во-первых, наличие таких носителей — заряженных частиц, способных свободно перемещаться, а во-вторых, постоянное действие электрической силы, заставляющей заряды двигаться в определенном направлении.

Те вещества, в которых имеются носители тока, называют проводниками. Таковыми являются все металлы (носителями тока в них являются свободные электроны), электролиты — растворы солей, кислот, щелочей (носителями тока в них служат ионы). При определенных условиях ток может протекать и через газы.

Почему заряженные частицы в проводниках не могут перемещаться по инерции, без постоянно подталкивающей их силы? Могут, но только очень короткое время, а потом их движение прекращается, потому что в проводнике возникает сопротивление их движению. Движение зарядов в проводнике при протекании постоянного тока можно уподобить движению санок по снегу: хочешь, чтобы санки двигались равномерно — тащи за веревку. Такой «веревкой» для носителей тока является электрическая сила. Перемещая заряды по участку цепи, эта сила совершает работу. Мерой этой работы является напряжение на участке цепи. Для создания же напряжения нужно специальное устройство — источник тока, например, гальванический элемент.

Протекание постоянного электрического тока по цепи подобно циркуляции воды по трубам, например, отопительной системы. Из-за вязкости воды ее движение по трубам тоже связано с некоторым сопротивлением, и для создания и поддержания непрерывной циркуляции воды нужен насос — аналог источника тока.

Закон Ома связывает силу тока I, сопротивление R участка цепи и напряжение U на этом участке: U = I x R , или U = I/R.

 

Напряжение измеряют в вольтах (В), силу тока — в амперах (А), сопротивление — в омах (Ом).

 

Электрический ток представляет угрозу для человека, а степень угрозы определяется силой тока. Переменный ток опаснее постоянного, поскольку может вызвать нестабильную работу сердца. Безопасным считается переменный ток силой до 0,01 ампера, а ток силой 0,1 ампера уже смертельно опасен. Каким напряжениям соответствуют такие токи, зависит от сопротивления тела человека. Главное сопротивление обеспечивает наружный роговой слой кожи. Если кожа чистая и сухая, без повреждений, то даже подключение к напряжению в 1000 вольт может обойтись без последствий (особенно у жителей гор бывает такая «дубленая» кожа). У нервного человека кожа потеет, и ее сопротивление сильно падает, делая человека уязвимым для удара током. Порогом, после которого напряжение может стать опасным, признано значение в 50 вольт.

В 1911 году было сделано замечательное открытие: оказывается, при очень низких температурах возможно протекание тока абсолютно без сопротивления, а значит, источник тока в сверхпроводящем контуре не нужен. Это явление назвали сверхпроводимостью. Объясняется оно на основе квантовых законов. Переход обычного проводника в сверхпроводящее состояние происходит при определенной «критической» температуре, зависящей от рода вещества.

Сверхпроводники — идеальный материал для создания сильных электромагнитов: ведь в сверхпроводнике можно создавать большие токи, не затрачивая энергии. Правда, энергия требуется для охлаждения проводов электромагнита до сверхнизких температур. Сверхпроводящие магниты используют, например, в ускорителях, а также в маглевах — поездах на магнитной «подушке».