Электрический ток. Источники электрического тока

Урок № Тема: Электрический ток. Источники электрического тока.

Цель урока:

Выяснить физическую природу электрического тока.

Закрепить знания учащихся об условиях возникновения и существования электрического тока.

Демонстрации:

1. Действие электрического тока в проводнике на магнитную стрелку.

2. Источники тока: гальванические элементы, аккумуляторы, термопара, фотоэлементы.

Ход урока

Проверка знаний (самостоятельная работа 10 минут)

Уровень 1

1. Существует ли электрическое поле вокруг электрона?

2. Как можно обнаружить электрическое поле вблизи заряженного тела?

Уровень 2

1. Существует ли электрическое поле возле палочки? Определите знак зарядов у шарика и листочков электроскопа? (см. рис.)

2. Как доказать, что электрическое поле материально?

Уровень 3

1. Можно ли объяснить электризацию тел перемещением атомов и мо­лекул? Почему?

2. Если заряженной эбонитовой палочкой коснуться руки человека, то утратит ли палочка весь имеющийся на ней заряд? А если коснуться руки заряженной медной палочкой?

Уровень 4

1. Почему стрелка электроскопа отклоняется, если к нему поднести за­ряженный предмет, не прикасаясь к электроскопу?

2. Если к заряженному электроскопу поднести горящую спичку, он до­вольно быстро разряжается. Объясните этот опыт.

Изучение нового материала

Плач изложения нового материала:

1. Электрический ток.

2. Условия существования электрического тока.

3. Источники электрического тока.

1. Электрический ток

Согласно электронной теории, в телах имеются свободные электроны, движением которых объясняются различные электрические явления. Эти электроны совершают хаотическое движение, подобное движению молекул газа.

Эксперимент 1

Заряжаем один электрометр, добиваясь максимального отклонения стрелки. Соединяем проводником с другим электрометром. Наблюдаем уменьшение показаний первого и увеличение показаний второго.

Объяснение. Под действием электрического поля электроны проводимости перемещаются по проводнику.

Далее уточняется характер движения электронов проводимости, которые, совершая орбитальное движение вокруг ядер (ионов), движутся еще и под действием электрического поля в направлении против поля.

Опр. Движение направленных электронов проводимости в металлических проводниках под действием поля называют электрическим током.

В других проводниках (электролитах, газах) под действием поля могут двигаться любые заряженные частицы ионы, электроны.

- Почему ток был кратковременным? (Ослабело электрическое по­ле, при этом прекратилось движение заряженных частиц.)

Условия существования электрического тока

1. наличие свободных электронов в проводнике (положительных или отрицательных ионов);

2. наличие внешнего электрического поля для проводника.

Под действием электрического поля движение электронов в металле при­нимает упорядоченный характер, т.е. появляется ток.

1. Источники электрического тока

Электрический ток прекращается, если электрическое поле, создающее движение зарядов, исчезает.

Чтобы электрический ток в проводнике существовал длительное время, необходимо все это время поддерживать в нем электрическое поле. Элек­трическое поле в проводниках создается и может длительное время под­держиваться источниками электрического тока.

Источники тока бывают различными, но во всяком из них совершает­ся работа по разделению положительно и отрицательно заряженных час­тиц. Раз­деленные частицы накапливаются на полюсах. У любого источника тока два полюса - положительный (+) и отрицательный (-).

Работа эта совершается так называемыми сторонними силами. Такие силы не могут иметь электрическое происхождение.

В источниках тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превраще­ние механической, внутренней или какой-нибудь другой энергии в элек­трическую.

Эксперимент 1

Демонстрация работы электрофорной машины (механическая энергия пе­реходит в электрическую).

Эксперимент 2

Демонстрация работы термопары (внутренняя энергия переходит в элек­трическую).

Можно осуществить и превращение внутренней энергии в электриче­скую. Если две проволоки, изготовленные из разных металлов, спаять, а затем нагреть место спая, то в проволоках возникнет электрический ток. Такой источник тока называется термоэлементом.

Эксперимент 3

Демонстрация солнечной батареи.

Эксперимент 4

К клеммам гальванометра демонстрационного амперметра присоедини­те медные провода. К концу одного из них прикрепите исследуемый железный провод или гвоздь. Воткните медный провод и гвоздь в картофелину - стрелка гальванометра отклонится. Почему?

Ответ: раствор минеральных солей, содержащихся в картофеле, и раз­нородные проволоки образуют гальванический элемент. (химическая энер­гия переходит в электрическую).

Именно благодаря химическим реакциям, внутренняя энергия, выделяю­щаяся при этих реакциях, превращается в электрическую.

Из источников тока, использующих энергию химических реакций, наибо­лее распространены гальванический элемент и аккумуляторы.

Опр. Источники тока, у которых разделение зарядов происходит за счет энер­гии химических процессов, получили название гальванических.

Такое на­звание было предложено итальянским ученым Вольта в 1796 г. в честь уче­ного Гальвани.

При освещении некоторых веществ световая энергия непосредственно превращается в электрическую энергию - это явление фотоэффекта. На нем основано устройство и действие фотоэлементов.

В источниках тока за счет сил неэлектрического происхождения происходит разделение заряженных частиц, в результате чего полюса источника оказываются заряженными разноименно.

Принцип действия аккумулятора.

Следует под­черкнуть, что аккумулятор нужно еще зарядить, т. е. пропустить через него ток. При прохождении тока между пластинами и кислотой происходит хи­мическая реакция. Его «заряжают», пропуская через него ток. Только после этой процедуры он становится источником тока.

Генератор электрического тока. Использование электрического тока в промышленности и сельском хозяйстве.

Закрепление изученного материала

1. Как можно получить электрический ток в металлическом про­воднике?

2. Что происходит в источниках тока?

3. Что является положительным и отрицательным полюсами ис­точника тока?

4. Какие источники тока вы знаете?

5. Возникает ли электрический ток при заземлении заряженного ме­таллического шарика?

6. Движутся ли заряженные частицы в проводнике, когда по нему идет ток?

7. Если к шарам разноименно заряженных электроскопов одновре­менно прикоснуться металлическим стержнем, то в них возникает электрический ток. Чем эта установка принципиально отличается от устройств, которые принято называть источниками тока?

Домашнее задание: §32 учебника; вопросы и задание 6 к параграфу. № 1233, 1235, 1236, 1239.

Желающие могут подготовить доклады о применении аккумуляторов в быту и технике.

Дополнительный материал

Гальванический элемент

Италия. Болонья. 1780 год. Профессор анатомии Луиджи Гальвани с двумя ассистентами препарируют лягушек. На столе в некотором отдале­нии стоит электрическая машина. Исследования по электричеству прово­дятся в научном мире весьма интенсивно. Уже описан электрический скат. Уже Б. Франклин извлек «электрический флюид» из туч с помощью воз­душного змея, зарядил электроскоп и доказал идентичность атмосферного электричества тому, что образуется при натирании стекла. Еще не разделя­ют электрический заряд и электрический ток, но уже зреет мысль о единой природе всех видов электричества (до открытия электрона остается еще более 100 лет).

Один из ассистентов обращает внимание профессора: при касании скальпелем еще влажной мышцы она время от времени дергается, сокраща­ется. Другой ассистент, работавший с электрической машиной, подметил, что мышца дергается всякий раз, когда в машине проскакивает электриче­ская искра.

Однажды влажные лапки лягушки были развешаны на медных крючках на железной решетке, окружавшей висящий садик дома Гальвани. Ясная погода, легкий ветерок колышет влажные лапки. Ни молний, ни заземле­ния. А мышцы сокращались, когда касались свободным концом железной решетки! По слухам, это заметила супруга Гальвани, о чем и уведомила ученого криком.

Гальвани понял: электричество в атмосфере не было главным; все дело во влажной мышце и в металлах. И опыты продолжались на столе в лабора­тории. Перебрав множество металлов, Гальвани выяснил, что наиболее сильные сокращения мышц происходят при контакте мышцы с медью и серебром.

Но здесь мысль Гальвани пошла по ложному пути: «Я полагаю с доста­точным основанием заключить, что животным присуще электричество».

Алессандро Вольта, профессор физики из Павии (Италия), с недоверием относился к «животному» электричеству.

«... Что хорошего можно сделать с вещами, не приведенными к степени и мере, особенно в физике? Как можно определить причину, если не опре­делить не только качество, но и количество, и интенсивность явлений?» Итак, нужно измерять, оценивать интенсивность явления.

Главная мысль Вольта: мышца лягушки не источник электричества, а всего лишь весьма чувствительный прибор для регистрации тока. А источ­ником являются металлы - медь и серебро. Вольта заменяет лапку лягушки другим измерителем тока... собственным языком! При протекании тока язык ощущает кислый привкус, это Вольта установил из опытов с электри­ческой машиной. Чем больше ток, тем сильнее ощущение кислоты. Четыре года Вольта исследует различные пары металлов, добиваясь наибольшего эффекта. Позднее язык он заменил специальным электроскопом.

Вот он, простейший и первый источник тока, созданный Вольта!

Но эффект слаб. Как его усилить? Казалось бы, что проще: соединить такие пары металлов последовательно, да побольше, подобно тому, как в карету впрягают несколько лошадей. Не тут-то было! Контакты металлов оказываются при этом обращенными и компенсируют действие друг друга. Вольта догадался разделить пары влажными кусочками ткани, играющими роль проводов.

А что же лапка лягушки - только измеритель тока? Уже после Вольта об­наружили, что если два металла (Си и Zn) опустить в раствор кислоты, то получается источник тока более мощный, чем вольтов столб! В этом источ­нике играет роль не столько контакт металлов, сколько контакт каждого из металлов с раствором кислоты. И это уже совсем другой источник тока, чем вольтов, и более сильный! Так что напрасно Вольта решительно отказался от изучения роли мышцы. Содержащаяся в мышцах влага с растворенными со­лями, кислотами, щелочами указывала путь к еще одному источнику тока, который в честь Гальвани назвали гальваническим элементом.

Наука получила в свое распоряжение источник тока в 1799 году, о чем Вольта уведомил Королевское общество: «Мне удалось сделать два таких цилиндра из 20 металлических пар, они мне служат хорошо уже несколько недель и, надо думать, послужат еще несколько месяцев...

Искренне Ваш А. Вольта».

История изобретения гальванического элемента

Важнейшим шагом вперед в развитии учения об электрических и магнит­ных явлениях было изобретение первого источника постоянного тока - галь­ванического элемента. История этого изобретения начинается с работ ита­льянского врача Луиджи Гальвани (1737-1798), относящихся к концу XVIII в.

Гальвани интересовался физиологическим действием электрического разряда. Начиная с 80-х гг. XVIII столетия, он предпринял ряд опытов для выяснения действия электрического разряда на мускулы препарированной лягушки. Однажды он обнаружил, что при проскакивании искры в электри­ческой машине или при разряде лейденской банки мускулы лягушки сокра­щались, если к ним в это время прикасались металлическим скальпелем.

Заинтересовавшись наблюдаемым эффектом, Гальвани решил проверить, не будет ли оказывать такое же действие на лапки лягушки атмосферное элек­тричество. Действительно, соединив один конец нерва лапки лягушки с про­водником изолированным шестом, выставленным на крыше, а другой конец нерва с землей, он заметил, что, во время грозы время от времени происходи­ло сокращение мускулов лягушки. Затем Гальвани подвесил препарирован­ных лягушек за мерные крюки, зацепленные за их спинной мозг, около желез­ной решетки сада. Он обнаружил, что иногда, когда мышцы лягушки каса­лись железной ограды, происходило сокращение мускулов. Причем эти явле­ния наблюдались и в ясную погоду. Следовательно, решил Гальвани, в дан­ном случае уже не гроза является причиной наблюдаемого явления. Для под­тверждения этого вывода Гальвани проделал подобный опыт в комнате. Он взял лягушку, у которой спинной нерв был соединен с медным крюком, и положил ее на железную дощечку. Оказалось, что когда медный крючок ка­сался железа, то происходило сокращение мускулов лягушки.

Гальвани решил, что открыл «животное электричество», т.е. электриче­ство, которое вырабатывается в организме лягушки. При замыкании нерва лягушки посредством медного крюка и железной дощечки образуется замк­нутая цепь, по которой пробегает электрический заряд (электрическая жид­кость или материя), что и вызывает сокращение мускулов.

Открытием Гальвани заинтересовались и физики и врачи. Среди физиков был соотечественник Гальвани Адессандро Вольта. (1745-1827). Вольта повто­рил опыты Гальвани, а затем решил проверить, как будут себя вести мускулы лягушки, если через них пропустить не «животное электричество», а электриче­ство, полученное каким-либо из известных способов. При этом он обнаружил, что мускулы лягушки так же сокращались, как и в опыте Гальвани. Проделав такого рода исследования, Вольта пришел к выводу, что лягушка является только «прибором», регистрирующим протекание электричества, что ника­кого особого «животного электричества» не существует.

Почему же все-таки в опыте Гальвани мускулы лягушки регистрируют протекание электрического разряда? Что является в данном случае источни­ком электричества? Вольта предположил, что причиной электричества явля­ется контакт двух различных металлов.

Нужно отметить, что уже Гальвани заметил зависимость силы судорожного сжатия мускулов лягушки, от рода металлов, образующих цепь, по которой про­текает электричество. Однако Гальвани не обратил на это серьезного внимания. Вольта же наоборот, усмотрел в нем возможность построения новой теории. Не согласившись с теорией «животного электричества», Вольта выдвинул теорию «металлического электричества». По этой теории причиной гальванического электричества является соприкосновение различных металлов.

В каждом металле, считал Вольта, содержится электрическая жидкость (флюид), которая, когда металл не наряжен, находится в покое и себя не проявля­ет. Но если соединить два различных металла, то равновесие электричества внутри них нарушится: электрическая жидкость придет в движение. При этом электрический флюид в некотором количестве перейдет из одного металла в другой, после чего равновесие вновь восстановится. Но в результате этого ме­таллы наэлектризуются: один - положительно, другой - отрицательно.

Эти соображения Вольта подтвердил на опыте. Ему удалось показать, что действительно при простом соприкосновении двух металлов один из них приобретает положительный заряд, а другой отрицательный. Таким образом, Вольта открыл так называемую контактную разность потенциалов. Вольта проделывал следующий опыт. На медный диск, прикрепленный к обыкновен­ному электроскопу, вместо шарика, он помещал такой же диск, изготовлен­ный из другого металла и имеющий рукоятку. Диски при наложении в ряде мест приходили в соприкосновение. В результате этого между дисками появ­лялась контактная разность потенциалов (по терминологии Вольта, между дисками возникала «разность напряжений»).

Для того чтобы обнаружить «разность напряжений», появляющуюся при соприкосновении различных металлов, которая, вообще говоря, мала (поряд­ка I В), Вольта поднимал верхний диск, и тогда листочки электроскопа замет­но расходились. Это вызывалось тем, что емкость конденсатора, образован­ного дисками, уменьшалась, а разность потенциалов между ними во столько же раз увеличивалась.

Но открытие контактной разности потенциалов между различными ме­таллами еще не могло объяснить опытов Гальвани с лягушками. Нужны были дополнительные предположения.

Составим обычную замкнутую цепь проводников из разных металлов. Несмотря на то, что между этими металлами возникает разность потенциа­лов, постоянного течения электричества по цепи не получается. Это сразу понятно для простейшего случая двух металлов. Возьмем, например, два кус­ка медной и цинковой проволоки и соединим их концы. Тогда одна из них (цинковая) зарядится отрицательным электричеством, а медная - положи­тельным. Если теперь соединить и другие концы этих проволок, то и в этом случае второй конец цинковой проволоки будет электризоваться отрицатель­но, а соответствующий конец медной проволоки положительно. И постоян­ного течения электричества в цепи не получится.

Но в опыте Гальвани соединялись не только металлы. В цепь включались и мышцы лягушки, содержащие и себе жидкость. Вот в этом и заключается все дело - решил Вольта. Он предположил, что все проводники следует раз­бить на два класса: проводники первого рода - металлы и некоторые другие твердые тела, и проводники второго рода - жидкости. При этом Вольта решил, что разность потенциалов возникает только при соприкосновении проводни­ков первого рода. Такое предположение объясняло опыт Гальвани. В резуль­тате соприкосновения двух различных металлов нарушается равновесие в них электричества. Это равновесие восстанавливается в результате того, что металлы соединяются через тело лягушки. Таким образом, электрическое равновесие все время нарушается и все время восстанавливается, значит, электричество все время движется.

Такое объяснение опыта Гальвани неверно, но оно натолкнуло Вольта на мысль о создании источника постоянного тока гальванической батареи. И вот в 1800 г. Вольта построил первую гальваническую батарею - Вольтов столб. Вольтов столб состоял из нескольких десятков круглых серебряных и цинковых пластин, положенных друг на друга. Между парами пластин были проложены картонные кружки, пропитанные соленой водой. Такой прибор служил источником непрерывного электрического тока.

Интересно, что в качестве довода о существовании непрерывного элект­рического тока, Вольта опять-таки привлекал непосредственные ощущения человека. Он писал, что если крайние пластины замкнуты через тело челове­ка, то сначала, как и в случае с лейденской банкой, человек испытывает удар и покалывание. Затем возникает ощущение непрерывного жжения, «которое не только не утихает, - говорит Вольта, - но делается все сильнее и сильнее, становясь скоро невыносимым, до тех пор, пока цепь не разомкнется».

Изобретение Вольтова столба - первого источника постоянного тока - имело огромное значение для развития учения об электричестве и магнетиз­ме. Что же касается объяснения действия этого прибора Вольта, то оно, как мы видели, было ошибочным. Это вскоре заметили некоторые ученые.

Действительно, по теории Вольта получалось, что с гальваническим эле­ментом во время его действия не происходит никаких изменений. Электри­ческий ток течет по проволоке, нагревает ее, может зарядить лейденскую бан­ку и т.д., но сам гальванический элемент при этом остается неизменным. Но такой прибор является не чем иным, как вечным двигателем, который, не из­меняясь, производит изменение в окружающих телах, в том числе и механи­ческую работу.

К концу XVIII в., среди ученых уже широко распространилось мнение о невозможности существования вечного двигателя. Поэтому многие из них отвергли теорию действия гальванического элемента, придуманную Вольта.

В противовес теории Вольта была предложена химическая теория гальва­нического элемента. Вскоре, после его изобретения было замечено, что в гальваническом элементе происходят химические реакций, в которые вступа­ют металлы и жидкости. Правильная химическая теория действия гальвани­ческого элемента вытеснила теорию Вольта.

После открытия Вольтова столба ученые разных стран начали исследо­вать действия электрического тока. При этом совершенствовался и сам галь­ванический элемент. Уже Вольта наряду со «столбом» стал употреблять более удобную чашечную батарею гальванических элементов. Для исследования действий электрического тока стали строить батареи со все большим и боль­шим числом элементов.

Наиболее крупную батарею в самом начале XIX в. построил русский фи­зик Василий Владимирович Петров (1761-1834) в Петербурге. Его батарея состояла из 4200 цинковых и медных кружков. Кружки укладывались в ящик горизонтально и разделялись бумажными прокладками, пропитанными на­шатырем. Батарея Петрова была описана им в его книге («Известия о Гальвани-Вольтовых опытах»), вышедшей в России в 1803 г.

Первые шаги в изучении электрического тока относились к его, химичес­ким действиям. Уже в том же году, в котором Вольта изобрел гальваническую батарею, было открыто свойство электрического тока разлагать воду. Вслед за этим было произведено разложение электрическим током растворов некоторых солей. В 1807 г. английский химик Дэви путем электролиза рас­плавов едких щелочей открыл новые элементы: калий и натрий.

Исследование химического действия тока и выяснение химических про­цессов, происходящих в гальванических элементах, привело ученых к разра­ботке теории прохождения электрического тока через электролиты.