§ 37. Действия электрического тока

КАК ОБНАРУЖИТЬ НЕВИДИМЫЙ ТОК

Свободные носители зарядов — электроны в металлах или ионы в жидкостях — микроскопически малы. Увидеть их упорядоченное направленное перемещение человеческий глаз не в силах даже в самые совершенные оптические микроскопы.

О наличии электрического тока в цепи, его силе и направлении судят по внешним физическим явлениям, которые этот ток вызывает в проводнике и окружающей среде. Эти явления называют действиями электрического тока.

В физике выделяют три главных классических действия тока: тепловое, химическое и магнитное.

ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА: НАГРЕВАНИЕ ПРОВОДНИКОВ

При прохождении электрического тока проводник нагревается. Это свойство характерно для твёрдых металлов, жидких электролитов и проводящих газов.

• Микроскопический механизм: Свободные электроны, непрерывно разгоняясь внутренним электрическим полем проводника, сталкиваются с положительными ионами кристаллической решётки. При каждом таком ударе электроны отдают накопленную кинетическую энергию ионам, заставляя их колебаться всё интенсивнее. Амплитуда колебаний узлов решётки возрастает — температура проводника и его внутренняя энергия повышаются.
• Демонстрационный опыт (рис. 82): Если между стойками штатива натянуть горизонтальную металлическую проволоку и замкнуть ключ, проволока быстро нагревается током, испытывает тепловое расширение, удлиняется и заметно провисает под собственной тяжестью. При дальнейшем увеличении тока проволока раскаляется докрасна.
• Практическое применение:
  • Все бытовые электронагревательные приборы: чайники, утюги, электроплиты, обогреватели, водонагреватели, фены, паяльники.
  • Классические лампы накаливания: вольфрамовая нить разогревается током до температуры около 2500–3000 °C и начинает ярко светиться.
  • Контактная электросварка: свариваемые металлические детали плотно прижимают друг к другу и пропускают через место стыка мощный ток. Из-за высокого контактного сопротивления в точке стыка выделяется колоссальное количество теплоты — металл мгновенно плавится и размягчается, ток отключают, а детали сжимают прессом, получая неразрывный монолитный шов.

Направление электрического тока на интенсивность нагрева не влияет: в какую бы сторону ни двигались электроны, соударения с решёткой выделяют тепло одинаково. Тепловое действие отсутствует лишь в уникальном квантовом явлении — сверхпроводимости при глубоком охлаждении.

ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА (ЭЛЕКТРОЛИЗ)

Химическое действие тока заключается в протекании окислительно-восстановительных химических реакций на погружённых электродах с выделением чистых химических веществ.

Это действие проявляется исключительно в растворах и расплавах электролитов (солей, щелочей, кислот). В твёрдых металлических проводниках химического действия нет — в них движутся только электроны, не переносящие вещество самого металла (что доказал классический опыт Рикке).

• Механизм электролиза расплава поваренной соли (NaCl, рис. 83):
  • При сильном нагревании кристаллическая решётка твёрдой соли разрушается, образуя расплав со свободными положительными ионами натрия (Na⁺) и отрицательными ионами хлора (Cl⁻).
  • В расплав опускают два угольных электрода. Электрод, подключённый к положительному полюсу («+»), называют анодом, а электрод, подключённый к отрицательному полюсу («–»), — катодом.
  • Под действием электрического поля положительные ионы натрия Na⁺ устремляются к катоду («–»), захватывают у него электроны и превращаются в нейтральные атомы металлического натрия.
  • Отрицательные ионы хлора Cl⁻ притягиваются к аноду («+»), отдают ему свои лишние электроны и превращаются в нейтральный газообразный хлор Cl₂.
  • Химические реакции выделения веществ на электродах под действием электрического тока называют электролизом.
• Применение в промышленности:
  • Электрометаллургия: промышленное получение чистейшего алюминия, магния, натрия и титана из рудных расплавов.
  • Рафинирование металлов: электролитическая очистка черновой меди от вредных примесей до 99,99% чистоты.
  • Гальваностегия: нанесение тонких защитных и декоративных металлических покрытий (хромирование, никелирование, оцинковка, золочение кузовов и ювелирных изделий).
  • Гальванопластика: электролитическое осаждение толстого слоя меди на рельефные восковые слепки для создания точных металлических копий монет, барельефов и типографских клише.

МАГНИТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА: САМОЕ УНИВЕРСАЛЬНОЕ СВОЙСТВО

Вокруг абсолютно любого проводника с электрическим током всегда возникает магнитное поле.

Магнитное действие является самым фундаментальным и универсальным свойством тока: оно наблюдается всегда и везде — в твёрдых телах, жидкостях, газах и даже в пучке зарядов, летящих в глубоком вакууме (где нет ни решётки для выделения тепла, ни химических ионов).

• Электромагниты (рис. 84): Если на железный гвоздь намотать изолированный медный провод и пустить по нему ток, гвоздь мгновенно намагничивается и начинает притягивать железные предметы (булавки, скрепки, мелкие опилки). Стоит разомкнуть цепь — магнитное поле исчезает, и притянутые предметы тут же падают.
• Взаимодействие рамки с током и магнита (рис. 85, 86): Если лёгкую проволочную рамку с током подвесить на гибких проводах между полюсами подковообразного магнита, она мгновенно начнёт поворачиваться под действием магнитных сил. На этом явлении механического вращения основана работа всех промышленных электродвигателей.
• Принцип действия гальванометра (рис. 87): Гальванометр — это высокочувствительный измерительный прибор, предназначенный для обнаружения слабых токов и определения их направления. В зазоре постоянного магнита установлена миниатюрная катушка со стрелкой. При появлении тока катушка поворачивается в поле магнита, отклоняя стрелку по шкале. На электрических схемах гальванометр обозначают кружком со стрелкой внутри.