§ 23. Електричний струм. Електрична провідність матеріалів

Напевне, багато школярів на запитання «Що б ви взяли із собою на безлюдний острів?» швидко дадуть відповідь: «Мобільний телефон і комп’ютер», — проте через деякий час, звичайно, збагнуть: «Ой, там же немає електрики!..»

Важко уявити, але ще сто років тому більша частина нашої країни була подібна до такого острова: електрикою могли скористатися лише деякі люди. Сьогодні ж кожен назве не менш ніж десять електричних побутових приладів, без яких нам уже складно уявити своє життя: пральна машина, лампа, телевізор тощо. Ці прилади називають електричними, адже їхня робота заснована на дії електричного струму. А що таке електричний струм?

1. Даємо означення електричного струму

Проведемо дослід. Поставимо на столі два електрометри (А і Б) і зарядимо один із них, наприклад електрометр А (рис. 23.1, а). З’єднаємо кондуктори електрометрів металевим стрижнем, закріпленим на пластмасовій ручці. За відхиленням стрілок електрометрів видно, що заряд електрометра А зменшився, а незаряджений електрометр Б отримав заряд (рис. 23.1, б). Це означає, що певна кількість заряджених частинок (у цьому випадку електронів) перейшла стрижнем від одного приладу до іншого. Кажуть, що у стрижні існував електричний струм.

Електричний струм — це напрямлений рух заряджених частинок.

2. З’ясовуємо умови виникнення та існування електричного струму

З огляду на означення електричного струму сформулюємо першу умову для його виникнення та існування в середовищі: у середовищі повинні бути заряджені частинки, які можуть вільно переміщатися. Такі частинки ще називають носіями струму.

Однак цієї умови недостатньо для того, щоб у середовищі існував електричний струм. Для створення та підтримування напрямленого руху вільних заряджених частинок необхідна також наявність електричного поля. Саме завдяки дії електричного поля рух заряджених частинок набуде впорядкованого (напрямленого) характеру, що й означатиме появу в даному середовищі електричного струму.

3. Учимося розрізняти провідники, діелектрики та напівпровідники

Знаючи умови виникнення та існування електричного струму, неважко здогадатися, що електрична провідність — здатність проводити електричний струм — у різних речовин є різною. Залежно від цієї здатності всі речовини й матеріали поділяють на провідники, діелектрики та напівпровідники (про провідники та діелектрики вже йшлося в § 21).

Рис. 23.1. Якщо заряджений електрометр з’єднати з незарядженим за допомогою провідника, частина заряду перейде на незаряджений електрометр

Провідники — речовини та матеріали, які добре проводять електричний струм.

Провідниками є метали (як у твердому, так і в рідкому станах), графіт, водні розчини солей (наприклад, кухонної солі), кислот і лугів. Висока електрична провідність провідників пояснюється наявністю в них великої кількості вільних заряджених частинок. Так, у металевому провіднику частина електронів, залишивши атоми, вільно «мандрує» по всьому його об’єму, і кількість таких електронів сягає 10²³ в кубічному сантиметрі.

Волога земля, тіло людини або тварини добре проводять електричний струм, бо містять речовини, що є провідниками.

Діелектрики — речовини та матеріали, які погано проводять електричний струм.

Діелектриками є багато твердих речовин (ебоніт, порцеляна, гума, скло та ін.), рідин (дистильована вода, гас, спирт, бензин та ін.), газів (кисень, водень, азот, вуглекислий газ та ін.). У діелектриках майже відсутні вільні заряджені частинки.

Провідники й діелектрики широко застосовують у промисловості, побуті, техніці. Так, проводи, якими підводять електричний струм від електростанцій до споживачів, виготовляють із металів — чудових провідників. При цьому на опорах проводи розташовують на ізоляторах, — це запобігає стіканню електричного заряду в землю (рис. 23.2).

Як ви вважаєте, чому проводи, які прокладають у землі, вкривають шаром діелектрика?

Існує багато речовин (наприклад, германій, кремній, арсен), які називають напівпровідниками. Зазвичай вони погано проводять електричний струм і їх можна віднести до діелектриків. Однак якщо підвищити температуру або збільшити освітленість, або додати домішки, у напівпровідниках з’являється достатня кількість вільних заряджених частинок і напівпровідники стають провідниками. Напівпровідники використовують для виготовлення радіоелектронної апаратури, сонячних батарей (рис. 23.3) тощо.

Рис. 23.2. Створення ліній електропередачі неможливе без використання провідників (1) і діелектриків (2)

Рис. 23.3. Напівпровідникові кристали використовують для виготовлення сонячних батарей

Підбиваємо підсумки

Електричний струм — це напрямлений рух заряджених частинок.

Для виникнення й існування електричного струму необхідна наявність вільних заряджених частинок та електричного поля, дія якого створює й підтримує їхній напрямлений рух.

Залежно від електричної провідності всі речовини умовно поділяють на провідники (речовини, які добре проводять електричний струм), діелектрики (речовини, які погано проводять електричний струм) і напівпровідники.

Контрольні запитання

1. Що таке електричний струм? 2. Сформулюйте умови виникнення та існування електричного струму. 3. Які речовини відносять до провідників, діелектриків, напівпровідників? Наведіть приклади. 4. Чому метали добре проводять електричний струм? 5. Наведіть приклади використання провідників і діелектриків.

Вправа № 23

1. Запишіть назви кількох предметів, виготовлених із речовин, які є: а) провідниками; б) діелектриками.

2. Яким вимогам має відповідати матеріал для виготовлення корпусів розеток і вимикачів?

3. Чому важко, а іноді практично неможливо зарядити електроскоп у приміщенні з високою вологістю повітря?

4. Чому в досліді, описаному в пункті 1 § 23, кондуктори електрометрів з’єднували металевим стрижнем (див. рис. 23.1)? Для чого стрижень був закріплений на пластмасовій ручці? Як зміняться результати досліду, якщо замість металевого стрижня скористатися пластмасовим?

5. Чи рухаються вільні заряджені частинки в провіднику, коли в ньому немає струму? Поясніть свою відповідь.

6. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтесь, які речовини є найкращими діелектриками і де їх застосовують.

7. До двох з’єднаних металевих пластин А і Б піднесли наелектризовану об вовну ебонітову паличку (див. рисунок).