Электрический ток в различных средах. Гальванический элемент

В опытах с электризацией было замечено, что заряды могут перемещаться с одного тела на другое и в пределах одного тела. Причем некоторые тела хорошо проводят заряд (они называются проводниками), а другие – слабо (изоляторы). Явления, связанные с перемещениями зарядов на расстояния, значительно большие размеров атома, называются электрическим током. В обычных условиях можно заметить такие перемещения, если в них принимают участие большое количество заряженных частиц – носителей тока, поскольку заряды отдельных заряженных частиц очень малы.

Для протекания заметных токов необходимо выполнение двух условий. Во-первых, в веществе должно быть большое количество заряженных частиц, которые могут достаточно свободно по нему перемещаться – носителей тока. Таким частицами могут быть электроны или атомы, лишенные одного или нескольких электронов (либо имеющие избыточное число электронов) – ионы. Поскольку в твердых телах атомы не могут свободно перемещаться, в них возможна лишь электронная проводимость. Ярче всего она проявляется в металлах. Их электронная структура такова, что есть один или несколько наиболее удаленных от ядра (внешних) электрона, которые слабо связаны с ядром. Фактически, они принадлежат всему кристаллу и могут быть носителями тока. Они называются свободными электронами, хотя они далеко не «свободны», например, они не могут самопроизвольно покинуть кристалл.

Если внутри металла создать постоянное электрическое поле, то свободные электроны придут в движение и будут скапливаться на его противоположных концах, пока созданное ими внутреннее поле не скомпенсирует внешнее. Если же отводить частицы с одного конца проводника и перемещать на другой, то возможно непрерывное протекание тока. То есть, цепь становится замкнутой. Замыкание цепи мы рассмотрим далее на примере гальванического элемента.

Электроны в металле, как и любые микрочастицы подвержены хаотическому тепловому движению. Они движутся в металле по аналогии со стаей мошек, висящей над землей. Легкий ветер приводит к медленному смещению всего облака мошкары – дрейфу – в направлении ветра. В металле роль ветра будет играть возникшее электрическое поле. Оно образуется за счет подвода и отвода зарядов от его противоположных границ, осуществляемого источником тока. Заряды в металле будут двигаться в направлении электрического поля. Поскольку в металле могут двигаться лишь электроны, а их заряд отрицателен, то и направление их движения будет противоположным (от минуса к плюсу). Когда теория проводимости еще создавалась, знак носителей заряда в металлах был неизвестен, поэтому за направление тока приняли движение положительных зарядов, которые движутся в направлении поля от плюса к минусу.

В жидкостях и газах молекулы могут достаточно свободно двигаться во всем объеме. Если молекулы ионизированы, что может происходить естественно (растворы солей и кислот) или искусственным путем (ионизация молекул газов), то ионы могут стать носителями тока. В силу их большой массы, ионная проводимость хуже электронной, особенно в жидкостях, поскольку среда довольно плотная. Однако в растворах солей протекание электрического тока легко наблюдается. Известно, что при растворении соли, ее кристалл распадается не на молекулы, а на отдельные ионы. Например, молекула CuSO₄ не может существовать в растворе, она распадается на ионы Cu²⁺ и . То есть, в растворе появляется большое количество заряженных частиц, которые могут свободно перемещаться. Они и станут носителями тока.

Рассмотрим раствор CuSO₄ с погруженным в него цинковым стержнем (электродом). В силу определенных химических свойств цинка по отношению к раствору медного купороса, цинк начнет растворяться в нем. Но он не может перейти в раствор в виде молекул, а лишь в виде положительно заряженных ионов Zn²⁺ имеющих заряд +2е, поэтому сам электрод будет заряжаться отрицательно. Такой электрод назовем катодом. Однако постепенно растворение прекратится – дальнейшему переходу в раствор ионов Zn²⁺ будет мешать накопленный на катоде отрицательный заряд.

Во втором случае, поместим в раствор медный электрод (анод). Медь ведет себя по отношению к раствору иначе, она будет осаждаться на аноде, принося с собой положительные заряды. Анод зарядится положительно, и дальнейшее осаждение меди прекратится, в силу отталкивания ее ионов от положительного заряда анода.

Поместив в раствор оба электрода, мы получим элемент Вольта. Пока электроды не соединены, они заряжены и находятся в равновесии с раствором. Но стоит соединить их проводом, как начнется перетекание зарядов с анода на катод (электрический ток), заряды катода и анода уменьшатся, и описанные химические процессы (растворение цинка и осаждения меди) возобновятся. Кстати, анод можно сделать не медным, а угольным. На нем будет осаждаться слой чистой меди. Все эти процессы будут протекать до полного истощения химических веществ в элементе Вольта. При этом во внешней цепи (в проводе) будет течь постоянный ток. Несколько элементов Вольта можно соединить в последовательную батарею, соединив катод одного элемента проводом с анодом следующего. Такая батарея даст больший ток.

Нужно заметить, что во внешней цепи ток протекает от положительного электрода источника (клемме «+») к отрицательному (клемме «-»). Внутри источника (в растворе) положительные заряды перемещаются от отрицательного полюса источника к положительному. Это возможно за счет взаимодействия ионов-носителей с другими ионами, не принимающими участие в переносе заряда (, H⁺_, OH^-)

Протекание тока в телах может сопровождаться различными явлениями – выделением тепла, химическим реакциями, появлением магнитного поля. В дальнейшем мы рассмотрим их подробнее. Поскольку в живых организмах ионный баланс играет важную роль, то протекание токов может нарушать его, кроме того, тепловое действие сильных токов приводит к ожогу тканей организма. Но даже меньшие токи приводят к нарушению нервной деятельности организмов, использующей слабые электрические импульсы. Вот почему, живые организмы столь чувствительны к протеканию даже слабых токов.