Условия, необходимые для существования электрического тока
Электричество давно стало неизменным спутником человека. И это настолько обыденное явление, что практически никто не задумывается о том, какие условия необходимы для возникновения и существования электрического тока. Некоторым на помощь могут прийти знания, оставшиеся из школьного курса физики. Как правило, они ограничиваются понятием, что электрический ток – это упорядоченное движение частиц. Кто-то может добавить, что они еще должны переносить заряд. Кто-то вспомнит про электроны.
Постараемся систематизировать имеющуюся информацию в этом вопросе и уяснить для себя: какие условия приводят к возникновению электрического тока и какие обеспечивают его существование.
Необходимые условия для существования электрического тока в металлах
Металлы являются наиболее распространенными веществами, которые используются в качестве проводников электричества. Особенностью этих материалов является кристаллическая решетка, присущая их твердому состоянию. Эта конструкция состоит из атомов, на внешней оболочке которых присутствует некоторое количество валентных электронов.
При формировании кристаллической решетки в ее узлах остаются атомы с положительными ионами, а часть электронов утрачивает связь и начинает совершать хаотичное движение внутри материала. Именно они и будут являться теми носителями заряда, которые позволят существовать электрическому току, если создать требуемые условия для его возникновения.
Таким образом, наблюдаются носители заряда, которые перемещаются хаотично и бессистемно, что само по себе не может гарантировать возникновение электрического тока. Вторым условием существования которого является наличие некой дополнительной силы, способной привести к упорядоченному перемещению электронов. К появлению такой силы приводит электрическое поле, возникающее при подключении проводника к источнику электричества. Пока такое поле существует, будет выполняться условие существования электрического тока.
При разрыве цепи электроны перестают двигаться упорядочено, хотя хаотичное движение их внутри металла будет продолжаться. Но при этом электрическое поле будет равно нулю и существование тока станет невозможным в принципе. Необходимо отметить, что по модулю суммарный заряд свободных электронов в данном случае равен общему заряду положительных ионов, но имеет противоположный знак. Этим и объясняется то, что металлический проводник при отсутствии поля остается в электрически нейтральном состоянии.
Если немного обобщить и расширить вышесказанное, то к необходимым условиям существования электрического тока в металлах, кроме свободных электронов и поля, можно добавить наличие источника электричества и требование неразрывности соединения в цепи.
Условия существования электрического тока в жидкостях
В данных веществах ситуация будет несколько отличаться от вышеперечисленных условий. Необходимо оговориться, что речь пойдет о жидкостях проводниках т.н. второго рода. Это такие вещества, которые обладают ионным типом проводимости. К ним не относятся расплавы металлов, для которых характерен электронный вариант.
Жидкими проводниками второго типа считаются растворы солей, оснований и кислот. Отметим, что в данном перечне отсутствует вода. Дело в том, что в чистом виде молекулы в воде имеют полярность, что присуще диэлектрикам. Таким образом для создания условий существования электрического тока в жидкости необходимо привнести извне вещество, которое и предоставит свободные носители для перемещения заряда.
Рассмотрим простой практический пример. Если замкнуть электрическую цепь с встроенной лампочкой через емкость с дистиллированной водой нечего не произойдет. Лампа не загорится. Но достаточно добавить в жидкость шепотку поваренной соли (NaCl) и можно будет наблюдать работу источника освещения в обычном режиме. Объясняется это следующим – при внесении соли вода вступают во взаимодействие с молекулой NaCl и разъединяет ее на пары разноименно заряженных ионов.
Таким образом, создается одно из основных условий существования электрического тока в жидкостях, т.е. обеспечивается наличие свободных носителей заряда. Ион ионы хлора обладают отрицательным зарядом, а ионам натрия свойственен положительный заряд. Именно эти ионы и будут двигаться между электродами под действием электрического поля.
Давайте подведем итог. Для возникновения и существования электрического тока в металлах и жидкостях, обязательным условием является наличие свободных носителей заряда. Электроны или ионы – это не меняет сути. Второй момент – необходимо электрическое поле, с помощью которого возникает сила обеспечивающая перемещение носителей заряда между катодом и анодом.
