Электрический ток. Электрическая цепь. Гальванические элементы

Электричество - одно из самых удивительных и универсальных явлений в природе, без которого невозможно представить современную жизнь. От приводящих в действие наши гаджеты аккумуляторов до систем освещения и электродвигателей - электрический ток пронизывает практически все сферы нашей деятельности. Давайте погрузимся в увлекательный мир электричества и разберемся, как оно возникает, как течет по проводникам и как его можно использовать с пользой.

Представьте, что вы держите в руках небольшой фонарик. Когда вы нажимаете на кнопку, он начинает светиться. Вы когда-нибудь задумывались, как же это происходит?

Внутри фонарика есть источник питания, обычно это батарейка или аккумулятор, который создает разность потенциалов. Эта разность потенциалов заставляет электроны свободно двигаться по проводам, входящим в электрическую цепь фонарика. Электроны, двигаясь, встречают сопротивление, которое создает лампочка, и это выделяет энергию в виде света.

Итак, электрический ток – это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц, таких как электроны или ионы. Ток возникает под действием электрического поля.

Условия существования электрического тока:

• наличие свободных электрических зарядов;
• наличие электрического поля, которое обеспечивает движение зарядов;
• замкнутая электрическая цепь.

В зависимости от направления движения электронов различают два вида электрического тока: постоянный и переменный.

Постоянный ток – это ток, у которого направление движения электронов не меняется со временем. То есть, электроны постоянно текут в одном направлении – от плюса к минусу. Такой ток вырабатывают гальванические элементы и аккумуляторы.

Переменный ток – это ток, у которого направление движения электронов периодически меняется в зависимости от частоты данного тока. Электроны движутся то в одном, то в другом направлении, совершая возвратно-поступательное движение. Переменный ток вырабатывают электрогенераторы и другие устройства.

Как мы уже знаем, для того, чтобы электрический ток мог течь, необходимо создать замкнутый контур, по которому он будет двигаться. Этот контур называется электрической цепью. Дадим определение этому понятию:

В простейшем случае электрическая цепь состоит из следующих элементов:

• Источник тока (батарейка или электрогенератор), который создает разность потенциалов и заставляет ток течь 
• Проводник (например, медный провод), по которому ток течет 
• Потребитель (к примеру, лампочка), который использует энергию тока 

Когда вы замыкаете электрическую цепь, ток начинает течь от источника к потребителю по замкнутому контуру. Если разомкнуть цепь, ток прекращается.  

Уже очень скоро мы подробнее познакомимся с элементами электрических цепей и их обозначениями.

Где:

– сила электрического тока, [А]

– электрический заряд, [Кл]

– время прохождения заряда через поперечное сечение проводника, [с]

Подробнее про силу тока можно прочитать в этой статье

Вычисляется по формуле: 

Где:

– напряжение на участке электрической цепи, [В]

– работа электрического тока по перемещению заряда, [Дж]

– величина заряда, перемещаемого по участку цепи, [Кл]

Другими словами, напряжение – это движущая сила, которая заставляет электрические заряды двигаться по проводнику.

Подробнее про электрическое напряжение можно прочитать в этой статье

Подробнее про Закон Ома можно прочитать в этой статье

Все окружающие нас предметы состоят из атомов, а в центре каждого атома находится ядро, которое несет положительный электрический заряд. Вокруг ядра по орбитам вращаются электроны, которые несут отрицательный электрический заряд. Обычно в атоме число электронов равно числу протонов в ядре, и атом в целом является электрически нейтральным.

Однако в некоторых материалах, например в металлах, часть электронов не связана прочно с ядрами и может свободно перемещаться по всему объему материала. Эти свободные электроны и образуют электрический ток, когда на концах проводника создается разность потенциалов.

Источник тока – например, батарейка – создает разность потенциалов, которая заставляет свободные электроны в проводнике двигаться упорядоченно, образуя электрический ток.

Внутри батарейки происходят химические реакции, в результате которых на одном полюсе накапливается избыток отрицательных зарядов (электронов), а на другом полюсе – избыток положительных зарядов (положительных ионов). Это и создает разность потенциалов между полюсами батарейки.

Если соединить полюса батарейки проводником, то избыточные электроны будут стремиться перетечь с одного полюса на другой, создавая электрический ток.

Таким образом, батарейка служит источником электрической энергии, а электрическая цепь – это путь для движения электрических зарядов от одного полюса батарейки к другому.

Основные функции электрической схемы:

1. Наглядная демонстрация устройства и работы электрической цепи

2. Облегчение процесса анализа и проектирования электрических систем

3. Электрическая схема является основой для сборки и монтажа реальной электрической цепи

4. Проведение расчетов параметров цепи

Электрические схемы используются во многих областях – электротехнике, электронике, автоматике, робототехнике и других, где применяются электрические и электронные устройства.

Основными элементами электрической цепи являются:

1. Источник тока (батарейка, аккумулятор, генератор) – устройство, преобразующее другие виды энергии (химическую, механическую и т.д.) в электрическую.

2. Проводники – материалы, по которым свободно могут перемещаться электрические заряды (металлы, графит, морская вода и т.д.).

3. Потребители (лампочки, электродвигатели, нагревательные приборы) – элементы, преобразующие электрическую энергию в другие виды энергии (тепловую, механическую и т.д.).

4. Ключи, выключатели, реле – устройства для управления током в цепи (замыкание, размыкание, изменение направления тока).

5. Измерительные приборы (амперметр, вольтметр, омметр) – служат для измерения параметров электрического тока.

Одним из важнейших источников электрического тока являются гальванические элементы. Это устройства, в которых химическая энергия непосредственно преобразуется в электрическую. Принцип работы гальванических элементов основан на использовании окислительно-восстановительных реакций, протекающих между электродами, погруженными в электролит. Электроды изготавливаются из различных металлов или их сплавов, а электролитом служит ионная проводящая среда (раствор или расплав солей, кислот, щелочей).

Простейшим примером гальванического элемента является элемент Даниэля-Якоби, состоящий из двух электродов – медного и цинкового, погруженных в раствор сульфата меди и сульфата цинка соответственно.

На цинковом электроде происходит окислительный процесс:

Ионы цинка переходят в раствор, а высвобождающиеся электроны перемещаются по внешней цепи к медному электроду.

На медном электроде происходит восстановительный процесс:

Ионы меди из раствора восстанавливаются, осаждаясь на медном электроде.

Таким образом, на границе электродов и электролита возникает разность потенциалов, которая служит источником электрического тока. Этот ток можно использовать для питания различных потребителей, подключенных к гальваническому элементу.

Гальванические элементы могут быть первичными (одноразовыми) и вторичными (перезаряжаемыми). Первичные элементы, такие как солевые, щелочные, ртутные батарейки, после разрядки подлежат утилизации. Вторичные элементы, например свинцово-кислотные аккумуляторы, можно многократно заряжать и разряжать. 

Сегодня гальванические элементы повсеместно используются в современной электронике и электротехнике. Без них невозможно представить работу наших мобильных устройств, фонариков, пультов дистанционного управления и многого другого. Они являются неотъемлемой частью нашей жизни.

1. Никогда не пытайтесь заряжать одноразовые батарейки – это может привести к их взрыву. 

2. Соблюдайте полярность при установке батареек в устройства.

3. Не храните разряженные батарейки в технике, так как они могут протечь и повредить ее.

4. Утилизируйте использованные батарейки и аккумуляторы в специальных пунктах приема, чтобы не навредить окружающей среде.

Электрический ток, электрические цепи и гальванические элементы – это основа функционирования всей современной техники и технологий. Изучение этих важнейших физических понятий помогает нам лучше понять окружающий мир и использовать его возможности себе на благо и даже может вдохновить на дальнейшие исследования в области физики и электротехники.