Как возникает тепловой ток

Ток из разницы температур

Более половины сегодняшнего потребления энергии тратится на бесполезные отходы тепла, такие как тепло от холодильников и всевозможных устройств, а также тепло от фабрик и электростанций. Потери энергии в автомобилях еще больше. Автомобильным двигателям удается использовать только 30% вырабатываемой ими энергии. Разработка новой экологически чистой технологии под названием термоэлектричество перспективна. Преобразователь температура-ток может «превратить» отработанное тепло в электричество. Короче говоря, преобразователь температура-ток как технология предполагает использование перепадов температур.

Электрический ток

Электрический ток является одним из основных процессов, протекающих в абсолютно любой электронной схеме (в электрической цепи). Изучение данного процесса позволит в дальнейшем гораздо проще понимать остальные процессы, присущие электрическим цепям.

Для более глубокого понимания сущности электрического тока, рекомендую прежде ознакомиться с природой возникновения электричества. Ранее мы узнали, что при натирании о шерсть пластмассовой палочки за счет сил трения некоторое количество электронов покидают поверхностный слой стержня, который становится положительно заряженный. При натирании стеклянной палочки о шелк, она заряжается отрицательно, поскольку электроны покидают атомы из верхних слоев шелка и оседают на стекле.

Таким образом, мы имеем одну палочку с избытком электронов, поэтому говорят, что она отрицательно заряжена, а вторую палочку – с нехваткой электронов, поэтому в ней преобладает положительный заряд.

Поскольку все явле ния в природе стремится к равновесию, то соединив проводником обе разноименно заряженных стержня, свободные электроны мгновенно перейдут из стеклянного стержня к пластмассовому, из зоны их избытка в зону нехватки. В результате оба стержня станут нейтрально заряженными и лишены свободных электронов, которые могли бы легко перемещаться. Процесс перемещения электронов по проводнику между палочками и есть электрический ток.

Электрический ток могеж выполнять полезную работу, например, засветить светодиод, расп оложенные на его пути.

Полезную работу зарядов можно представить на примере автобуса. Если из города А в город Б проследовал автобус без пассажиров, то автобус не выполнил никакой полезной работы и напрасно израсходовал топливо. Автобус, перевезший пассажиров, – выполнил полезную работу. Аналогично работает и электрический ток, поэтому на его пути располагают нагрузку, на которой происходит выполнение полезной работы.

Соединенный проводами с натертыми палочками светодиод светится очень короткий промежуток времени, поскольку свободные отрицательные заряды мгновенно переместятся из области их избытка в область нехватки и наступит равновесие.

Генератор

Для того чтобы светодиод мог светиться продолжительное время необходимо поддерживать электрический ток путем пополнения зарядов на палочках, то есть постоянно их натирать о шерсть и шелк соответственно. Но такой способ трудно реализуем на практике и малоэффективен. Поэтому применяется гораздо практичней способ поддержания необходимого количества носителей энергии.

Устройство, которое постоянно создает или генерирует заряды разных знаков, называют генератором или обобщенно – источником питания. Простейшим генератором является батарейка, которую более правильно называть гальванический элемент. В отличие от палочек, в которых заряды образуются за счет сил трения, в гальваническом элементе разноименные заряды образуются в результате протекания химических реакций.

Электрический ток и условия его протекания

Теперь мы можем сделать первые важнейшие предварительные выводы и обозначить условия протекания электрического тока.

1. Первое. Для образования электрического тока путь движения зарядов должен быть замкнут.
2. Второе. Для поддержания электрического тока необходимо, чтобы вначале пути пополнялся запас зарядов, а в конце путь они отбирались, освобождая места для вновь пришедших зарядов.
3. Третье. Чтобы заряды выполняли полезную работу, следует на их пути расположить, например нить лампы накаливания, светодиод или обмотку двигателя, которые в общем случае принято называть нагрузкой или потребителем.

В общем, простейшая электрическая цепь состоит из генератора, нагрузки и проводов, соединяющих генератор с нагрузкой.

Электродвижущая сила ЭДС

Главной задачей любого источника питания является образование и поддерживание на выводах, называемых электродами, постоянное значение разноименных зарядов. Чем большее число зарядов, тем сильнее они стремятся притянуться друг к другу и поэтому интенсивней перемещаются по электрической цепи. А сила, которая заставляет двигать электроны по цепи, называется электродвижущая сила или сокращенно ЭДС. Электродвижущая сила измеряется в вольтах [В]. ЭДС новой (не разряженной) батарейки чуть больше 1,5 В, а кроны – чуть больше 9 В.

Количественно оценить значение электрического тока наглядно на примере водопроводной трубы. Мысленно представим воду в виде набора маленьких капелек, имеющих одинаковые размеры. Теперь возьмем и разрежем в каком-либо месте трубу и установим счетчик капелек воды. Далее откроем кран и засечем время, например одну минуту. После отсчета времени снимем показания счетчика. Допустим, за одну минуту счетчик зафиксировал 1 миллион капель. Отсюда мы делаем вывод, что расход воды составляет миллион капель за минуту. Если мы увеличим напор воды – заставим насос качать ее быстрее, – то возрастет давление воды, при этом капельки начнут перемещаться интенсивней и соответственно возрастет расход воды.

Сила электрического тока

Аналогичным образом определяется сила электрического тока. Если мысленно разрезать провод, соединяющий генератор с нагрузкой и установить счетчик, то мы получим расход электронов за единицу времени, – это есть сила тока.

С ростом электродвижущей силы генератора электроны интенсивнее проходят по цепи, а сила тока возрастает.

Поскольку известен заряд электрона и их суммарное количество, прошедшее через поперечное сечение проводника за единицу времени, то можно количественно определить силу тока.

Заряд одного электрона имеет очень малую величину, а в электрическом токе их участвует огромное число. Поэтому за единицу электрического заряда приняли 628∙10 16 , то есть 6280000000000000000 зарядов электрона. Такая величина электрического заряда получила название кулон, сокращенно [Кл].

Единица измерения силы тока называется ампер [А]. Сила тока равна одному амперу, когда через поперечное сечение проводника за одну секунду проходит суммарный электрический заряд, величиной в один кулон.

Если за одну секунду по проводнику проходит в два раза больше электронов, то I равна 2 ампера.

В проводнике, выполненном из металла, например меди или алюминия, образуются множество свободных эле-нов. Они легко покидают атомы кристаллической решетки металла и свободно перемещаются в межатомном пространстве. Однако гуляют они не долго, поскольку мгновенно притягивается другим положительно заряженным атомом, который потерял аналогичный эле-н. Поэтому по умолчанию ток через проводник не протекает. Кроме того свободные эл-ны не имеют упорядоченного движения, а хаотически перемещаются в межатомном пространстве. Такое, не имеющее четкого направления, перемещение называют Броуновским движением. С ростом температуры интенсивность движения увеличивается.

Чтобы протекал I нужно на одном конце проводника создать недостачу эл-нов, а на втором их избыток, то есть подключить разноименные полюса источника питания. Тогда электрическое поле источника питания создаст такую электродвижущую силу, которая заставит эл-ны в проводнике перемещаться в строго одном направлении. Поэтому электрическим током называют упорядоченное движение зарядов под действием внешнего электрического поля. Такая возможность эл-нов перемещаться в заданном направлении, преодолев хаотическое движение, появляется за счет сообщения им дополнительной энергии от электрического поля источника ЭДС.

Ключевые различия между статическим электричеством и электрическим током

• Электричество, при котором заряды остаются статическими, называется статическим электричеством. В то время как электрический ток вырабатывается за счет перетекания зарядов.
• Статическое электричество возникает из-за движения отрицательных зарядов от одного объекта к другому. Ток возникает из-за движения электронов в атомах проводника.
• Статическое электричество возникает на поверхности изолятора и проводника, тогда как электрический ток возникает только в проводнике.
• Магнитное поле образуется током, и оно не связано со статическим электричеством.
• Статическое электричество «уходит» в течение короткого времени (например, разряда наэлектризованного предмета), тогда как электрический ток может существовать в течение длительного времени, до тех пор, пока на противоположных концах проводника будет присутствовать разность потенциалов, создаваемых источниками тока или напряжения (батареями, аккумуляторами и другими).
• Электроскоп с сусальным золотом измеряет величину статического электричества, в то время как ток измеряют аналоговым или цифровым амперметром.
• Удары молнии — это примеры статического электричества. Удары молнии происходят из-за того, что на поверхности облаков накапливается заряд. Для промышленных машин, освещения и бытовой техники такое статическое электричество не подходит, так как его пока невозможно “обуздать”. Поэтому для их работы используют обычный электрический ток, вырабатываемый электростанциями.