Источники тока. Электрическая цепь

В 1786 г. итальянский анатом и физиолог Луиджи Гальвани решил изучить действие атмосферного электричества на мышцы лягушки. Для этого он прикрепил к нерву лапки свежепрепарированной лягушки медный крючок, после чего подвесил лапку к железной решетке, окружавшей висячий садик его дома. Однако никакого действия атмосферы не последовало. И лишь тогда, когда под порывами ветра лапка случайно коснулась решетки забора, ее мускулы резко содрогнулись. Гальвани решил повторить опыты дома. Положив лапку на железную дощечку, он снова обнаружил конвульсивные сокращения мышц. После четырех лет всестороннего исследования открытого им явления Гальвани сообщил о своих наблюдениях в книге, которая называлась «Трактат о силах электричества при мышечном движении».

Появление этой книги вызвало огромный интерес в среде ученых. Опыты с лягушачьей лапкой стали повторять и физики, и химики, и философы, и врачи. Но лишь одному из них — итальянскому ученому Алессандро Вольта удалось понять истинную причину наблюдаемого эффекта.

Лапка сокращается не потому, что в лягушке сосредоточено какое-то особое «животное» электричество (как считал Гальвани), а потому, что через нее проходит электрический ток, возникающий благодаря контакту двух проводников из разных металлов, — к такому выводу пришел Вольта после тщательных исследований этого явления. По мнению Вольта, лягушка в этих опытах нужна лишь как «электрометр, в десятки раз более чувствительный, чем даже самый чувствительный электрометр с золотыми листочками». Поэтому тот же ток можно получить и без использования лягушки, если только позаботиться о том, чтобы разнородные металлы соприкасались с жидкостью, способной проводить электричество. И Вольта подтверждает свой вывод опытом на самом себе: соединив одни концы серебряной и оловянной проволочек между собой, он прикасается их противоположными концами к своему языку. Появившийся при этом кисло-горький вкус означал, что по языку пошел ток. Если бы источником электричества была сама мышца языка, то вкус должен был бы ощущаться и тогда, когда металлы одинаковые; этого, однако, не происходило.

Вольта продолжает опыты. Он берет две монеты из разного вещества и одну из них кладет себе на язык, а другую — под него. Соединив монеты проволочкой, он снова ощущает специфический вкус.

Наконец, в 1800 г. Вольта берет несколько десятков пар круглых пластин (из цинка и серебра) и, проложив между ними кружочки картона, смоченные соленой водой, располагает их в виде столба. Подсоединив к верхней и нижней пластинам столба провода, Вольта получает первый источник постоянного тока (вольтов столб).
На демонстрации вольтова столба перед французскими учеными присутствовал Наполеон Бонапарт. Опыты Вольта произвели на присутствующих очень сильное впечатление. Поэтому неудивительно, что за свои исследования Вольта получил титул графа и стал рыцарем Почетного легиона.

В последующие годы источники тока непрерывно совершенствовались и в конце концов приобрели тот вид, к которому мы все привыкли (рис. 22).

Конструкции современных источников разнообразны. Те из них, которые работают за счет химических реакций, называют химическими источниками тока. К ним относятся гальванические элементы (или просто элементы) и аккумуляторы.

Гальванические элементы (названные так в честь Л. Гальвани) являются источниками тока, как правило, разового пользования. Аккумуляторы же можно использовать многократно, периодически заряжая их.

У любого из этих источников имеются два полюса — положительный (+) и отрицательный (–). Разные заряды этих полюсов обусловлены химическими реакциями, протекающими внутри источника на проводниках (электродах), погруженных в специальный раствор.

Если с помощью проводов к источнику тока подключить какие-либо устройства, потребляющие электроэнергию, то под действием электрического поля, создаваемого источником, через них пойдет ток.

Соединенные друг с другом источник тока, провода и потребители электроэнергии (лампы, электроплитки, электро- и радиоаппаратура) образуют электрическую цепь.

Для того чтобы в цепи мог идти постоянный ток (т. е. ток, не изменяющийся с течением времени), электрическая цепь должна быть замкнутой. Если же где-то появится обрыв, то ток в цепи прекратится. На этом основано действие кнопок, рубильников, ключей и других устройств, позволяющих включать и выключать в цепи ток. Некоторые из этих выключателей, применяемые в школьных опытах, показаны на рисунке 23. На рисунке 24 изображен клавишный выключатель, используемый в помещениях для замыкания и размыкания скрытой электропроводки.

Для подключения электрооборудования или бытовой техники к сети используют специальные соединители, например штепсельные розетку (рис. 25, а) и вилку (рис. 25, б).

При замыкании цепи электрическое поле источника со скоростью 300000 км/с распространяется вдоль проводников, и свободные заряженные частицы в них практически одновременно приходят в упорядоченное движение — в цепи появляется ток.

За направление тока в цепи принимают то направление, в котором должны были бы двигаться по цепи положительные заряды, т. е. направление от положительного полюса источника тока к отрицательному. Такое соглашение было принято в первой половине XIX в. и с тех пор учитывается во всех правилах и законах теории электрического тока.

В металлических проводниках ток создается отрицательно заряженными частицами (электронами), которые движутся по цепи от отрицательного полюса источника к положительному. Направление тока и направление движения носителей тока в этом случае противоположны.

В растворах кислот, солей и щелочей (электролитах) носителями тока являются положительные и отрицательные ионы. Первые из них движутся в направлении от «+» источника к его «–», вторые — от «–» к «+».

Чертежи, на которых изображают электрические цепи, называют схемами. Каждый элемент цепи на схемах обозначают специальным условным знаком. Некоторые из этих условных обозначений приведены в таблице 2 и на форзаце.

Примеры электрических схем представлены на рисунке 26. На каждой из этих схем две лампы. Однако способ их включения различен. Соединение ламп, изображенное на рисунке 26, а, называют последовательным, а соединение ламп, изображенное на рисунке 26, б, — параллельным.

??? 1. Кто и когда изобрел первый источник тока? 2. Какие химические источники тока вы знаете? 3. Из чего состоит электрическая цепь? 4. Какой должна быть цепь, чтобы в ней мог существовать постоянный электрический ток? 5. Какое направление в цепи выбирают за направление тока? Совпадает ли оно с направлением движения свободных электронов? 6. Зачем в электрической цепи нужен источник тока?

Экспериментальное задание. Возьмите лимон, яблоко или соленый огурец и воткните в него два проводника. Одним из них может быть медный провод, а другим — железный гвоздь. Принесите изготовленный таким образом источник тока в школу и, подсоединив его проводами к гальванометру, убедитесь, что источник работает. (Гальванометром называют прибор для регистрации и измерения слабых токов. Школьный демонстрационный гальванометр изображен на рисунке 27.)