Фізика. Повторне видання. 8 клас. Засєкіна (2025)

§ 22. Досліджуємо умови існування електричного струму

- Короткочасний електричний струм нам вдалось отримати. А що потрібно зробити для того, щоб електричний струм проходив тривалий час?

ДОСЛІДЖУЙ

Розглянь малюнок 22.1 або виконай подібний дослід. Сформулюй умови існування електричного струму.

Мал. 22.1

ДІЗНАВАЙСЯ

За яких умов існує електричний струм? Умови, необхідні для існування струму, схожі з умовами перетікання води. Якщо відкрити кран верхнього бака, то під дією сили тяжіння вода з нього перетікатиме в нижній бак. Щоб вода цією системою рухалася безперервно, потрібен насос, який перекачував би воду нагору (мал. 22.2, а).

Мал. 22.2

Так само і для електричного струму має бути причина, яка б змушувала носії струму рухатись упорядковано. Такою причиною є дія електричного поля, яка надає руху зарядженим частинкам, які можуть вільно переміщатися в середовищі, впорядкованого (напрямленого) характеру.

Для того щоб дія електричного поля була постійною, необхідно забезпечувати на одному кінці провідника надлишок заряду певного знаку, а на другому — його нестачу. Такий сталий розподіл зарядів на кінцях провідника створюється та підтримується джерелами електричного струму.

Джерела електричного струму (sources of electric current) — це пристрої, в яких відбувається перетворення різних видів енергії (механічної, хімічної, теплової, світлової) на електричну.

Щоб по провіднику протікав електричний струм, його обидва кінці під’єднують до джерела струму. Якщо розімкнути коло, струм зникає.

• Переглянь в е-додатку анімаційну модель утворення електричного струму в колі (22.1).

Умовами виникнення й існування електричного струму є наявність:

— вільних носіїв струму;

— електричного поля, дія якого створює й підтримує їхній напрямлений рух;

— замкнутого електричного кола (цілісного з’єднання проводів і елементів, якими проходить струм).

Розглянувши умови існування електричного струму, виникає питання: як визначити напрям струму? Оскільки вчені досліджували електричний струм ще до того, як було доведено існування електронів, то історично склалося так, що за напрям електричного струму приймають напрям руху позитивно заряджених частинок, тобто напрям від позитивно зарядженого полюса джерела струму до негативно зарядженого (мал. 22.2, б). Незважаючи на те, що найчастіше вільними носіями струму є електрони і їх напрям руху протилежний.

Сигнал, що виникає у провіднику, приєднаному до джерела струму (тобто поява електричного струму), поширюється у провіднику зі швидкістю 300 тис. км за секунду. Швидкість самого упорядкованого руху вільних електронів досить не значна — порядку 10^-4 м/с. Тобто самі електрони залишаються практично на місці. Як таке можливо? Тобі доводилося на шкільному стадіоні «запускати хвилю вболівальників»? Щось подібне відбувається і під час поширення електричного струму.

Дізнаємося про джерела струму. Найпоширенішими джерелами струму є хімічні. Перше найпростіше хімічне джерело струму, яке не втратило свого практичного значення й дотепер, створив у 1799 р. італійський фізик Алессандро Вольта і назвав його гальванічним елементом на честь одного із засновників вчення про електрику Луїджі Гальвані.

Гальванічні елементи (galvanic elements) — хімічні джерела струму, у яких відбуваються хімічні реакції, завдяки яким виконується робота з розподілу зарядів, тобто хімічна енергія перетворюється на електричну.

Найпростіший гальванічний елемент можна виготовити, якщо взяти дві пластини — цинкову і мідну — й опустити їх в розчин сірчаної кислоти. Між пластинами й сірчаною кислотою відбуваються хімічні реакції, у результаті яких одна з пластин набуває позитивного заряду, інша — негативного. Ці пластини називають електродами (полюсами) джерела струму. Якщо полюси з’єднати провідником, то по ньому проходитиме електричний струм (мал. 22.3). З часом гальванічний елемент виходить з ладу, оскільки закінчується запас речовин, необхідних для хімічних реакцій.

Мал. 22.3

Різновидом гальванічних джерел струму є електричні акумулятори (від латинського слова «акумуляторе» — нагромаджувати). Найпростіший акумулятор складається з двох свинцевих пластин (електродів), вміщених у розчин сірчаної кислоти. Щоб акумулятор став джерелом струму, його потрібно зарядити. У процесі зарядки внаслідок хімічних реакцій один електрод акумулятора стає позитивно зарядженим, а другий — негативно. Після заряджання акумулятор можна використовувати як самостійне джерело струму. Акумулятор працює до того часу, поки свинцеві пластини не відновляться до початкового (чистого) стану. Потім акумулятор можна знову зарядити.

Як акумулятори, так і гальванічні елементи можна об’єднувати в батареї (мал. 22.4): акумуляторну (а) або батарею гальванічних елементів (б).

Мал. 22.4

Прикладом джерела електричного струму, в якому механічна енергія перетворюється на електричну, є електрофорна машина (мал. 18.3, с. 139). Під час обертання її дисків відбувається неперервне розділення електричних зарядів.

Перетворення теплової енергії на електричну відбувається в термоелементах (мал. 22.5, а). Найпростішим термоелементом є два спаяні дроти з різних металів. Якщо нагріти місце спаю, то в провіднику протікатиме електричний струм. Особливо ефективним у термоелементах є поєднання металевих провідників та напівпровідників.

Джерелами струму, у яких енергія світла перетворюється на електричну енергію, є фотоелементи — напівпровідникові пристрої (мал. 22.5, б).

Мал. 22.5

Вибір джерел струму зумовлений сферою їх застосування. Так, в автомобілях, які працюють на двигунах внутрішнього згорання, використовують досить важкі, проте дешеві кислотні акумуляторні батареї, потрібні для електричного оснащення автомобіля: фар, підсвічування панелей, електричної іскри свічки запалювання тощо. В електромобілях акумулятори вже мають відповідати іншим потребам: бути потужними, легкими, швидко заряджатись, довго працювати.

У мобільних телефонах використовують легкі й безпечні літій-йонні акумулятори, а для освітлення й обігріву будинків, живлення побутових пристроїв — джерела електричного струму з фотоелементами.

Названі джерела струму слугують для утворення постійного струму. Усі промислові й побутові електричні прилади потребують змінного електричного струму (про цей вид струму ти дізнаєшся у 9 класі). Для утворення такого струму використовують генератори, електричні станції (мал. 22.6).

Мал. 22.6

ДУМАЙ

1. За яких умов виникає та існує електричний струм?
2. Як визначають напрям електричного струму?
4. Назви види джерел електричного струму.
3. Що називають джерелом електричного струму?
5. Які перетворення енергії відбуваються в джерелах електричного струму?
6. Чи можливо отримати електричний струм без джерела? Поясни на прикладах.
7. Що спільного й чим відрізняються гальванічний елемент й акумулятор?
8. Чи можна обчислити ККД батарейки, якщо відомо, що на її виготовлення витрачається у 500-600 разів більше енергії, ніж вона здатна віддати у процесі своєї роботи?

ДІЙ

ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

• Скористайся інструкцією з е-додатку (22.2) та сконструюй батарейку.

ОПРАЦЮЙ ІНФОРМАЦІЮ

1. Разом з однокласниками/однокласницями організуй і проведи акцію «Обережно, батарейка!». Опитайте різних (за віком, статтю, професією тощо) людей щодо їхньої обізнаності про утилізацію батарейок. Узагальніть здобуті результати й проаналізуйте їх. Дізнайтеся більше про шкоду, якої завдають абияк викинуті батарейки.

2. Перевір достовірність інформації в порівняльній таблиці 22.1. З’ясуй, які батарейки використано в електричних приладах у тебе вдома. Доповни таблицю рядком «Зазвичай використовують у ...». Чи достатньо інформації у таблиці, щоб приймати рішення щодо заощадження витрат на придбання батарейок?

Таблиця 22.1

Ознака порівняння	Батарейки
Ознака порівняння	сольові	лужні	літієві
Ціна	Невисока	Дорожчі за сольові	Найдорожчі з поданих
Величина зарядів на полюсах	Невисока	Вища, ніж у сольових	Найвища з поданих
Термін зберігання	До 2 років	До 10 років	Понад 10 років