Направленное движение заряженных частиц: определение, характеристика, физические свойства и применение

Что собой представляет направленное движение заряженных частиц? Для многих это непонятная сфера, но на самом деле все очень просто. Так, когда говорят про направленное движение заряженных частиц, то подразумевают ток. Давайте разберемся в его основных характеристиках и формулировках, а также рассмотрим вопросы безопасности при работе с ним.

Общая информация

Начать следует с определения. Под электрическим током всегда подразумевается упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц, что осуществляется под действием электрического поля. Какие именно объекты могут рассматриваться в данном случае? Под частицами подразумевают электроны, ионы, протоны, дырки. Важно также знать, что собой являет сила тока. Так обозначается количество заряженных частиц, которые протекают через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Природа явления

Все физические вещества состоят из молекул, которые формируются из атомов. Они также не являются конечным материалом, потому что имеют в себе элементы (ядро и вращающиеся вокруг него электроны). Все химические реакции сопровождаются движением частиц. Например, при участии электронов одни атомы будут испытывать их недостаток, а другие – избыток. В таком случае вещества обладают разноименными зарядами. Если произойдет их контакт, то электроны из одного будут стремиться перейти в другое.

Такая физическая природа элементарных частиц объясняет суть электрического тока. Это направленное движение заряженных частиц будет происходить до тех пор, пока не произойдет выравнивание значений. При этом реакция изменений является цепной. Иными словами, вместо ушедшего электрона на его место приходит другой. Для замены используются частицы соседнего атома. Но и на этом цепочка не заканчивается. К крайнему атому также может прийти электрон, например, от отрицательного полюса источника протекающего тока.

В качестве примера такой ситуации можно привести батарейку. С отрицательной части проводника электроны перемещаются на положительный полюс источника. Когда все частицы в отрицательно зараженном компоненте заканчиваются, то ток прекращается. В таком случае говорят, что батарейка "села". Какова скорость направленного движения заряженных частиц, перемещающихся таким образом? Дать ответ на этот вопрос не так легко, как может показаться на первый взгляд.

Роль напряжения

Для чего используется данное понятие? Напряжением называют характеристику электрического поля, которая является разностью потенциалов двух точек, что находятся в нем внутри. Многим это может показаться не очень понятным. Когда речь заходит про направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц, то разбираться в напряжении нужно.

Представим, что у нас есть простейший проводник. Таковым может быть проволока, сделанная из металла, например, меди или алюминия. В нашем случае это не столь важно. Масса электрона составляет 9,10938215(45)×10^-31кг. Это означает, что он является вполне материальным. Но ведь металл проводника твердый. Как же в таком случае по нему могут протекать электроны?

Почему в металлических изделиях может быть ток

Давайте обратимся к основам химии, которые каждый из нас имел возможность изучать в школе. Если число электронов равно в веществе количеству протонов, то обеспечивается нейтральность элемента. Основываясь на периодическом законе Менделеева определяется то, с каким веществом приходится иметь дело. Это зависит от количества протонов и нейтронов. Нельзя обойти вниманием и большую разницу между массами ядра и электронов. Если их убрать, то вес атома практически не измениться.

К примеру, масса протона примерно в 1836 больше, нежели значение электрона. Но эти микроскопические частицы очень важны, ведь они могут легко покидать одни атомы и присоединяться к другим. При этом уменьшение или увеличение их числа приводит к изменению заряда атома. Если рассматривать отдельно взятый атом, то у него количество электронов всегда будет переменным. Они постоянно его покидают и возвращаются обратно. Это происходит вследствие теплового движения и потери энергии.

Химическая специфика физического явления

Когда происходит направленное движение электрически заряженных частиц, то не теряется ли атомарная масса? Не меняется ли состав проводника? Это очень важное заблуждение, которое сбивает с толку многих. Ответ в этом случае только отрицательный. Связано это с тем, что химические элементы определяются не своей атомарной массой, а количеством протонов, которые есть в ядре. Наличие или отсутствие электронов/нейтронов в этом случае роли не играет. На практике это выглядит таким образом:

• Добавляем или убавляем электроны. Получается ион.
• Добавляем или убавляем нейтроны. Получается изотоп.

Химический элемент при этом не меняется. Но с протонами ситуация другая. Если он всего один, значит, перед нами водород. Два протона – и речь идет уже о гелии. Три частицы – это литий. И так далее. Кого заинтересовало продолжение, тот может посмотреть таблицу Менделеева. Запомните: хоть тысячу раз ток будут пропускать через проводник, его химический состав меняться не будет. Но возможно иное.

Электролиты и другие интересные моменты

Особенность электролитов состоит в том, что меняется именно их химический состав. Тогда под воздействием тока из раствора выделяются элементы электролита. Когда их потенциал исчерпается, направленное движение заряженных частиц прекратится. Такая ситуация связана с тем, что носителями зарядов в электролитах являются ионы.

Кроме того, встречаются химические элементы вообще без электронов. В качестве примера можно привести следующее:

• Атомарный космический водород.
• Все вещества, пребывающие в состоянии плазмы.
• Газы в верхних слоях атмосферы (не только Земли, но и других планет, где есть массы воздуха).
• Содержимое ускорителей и коллайдеров.

Также следует отметить, что под действием электрического тока некоторые химические вещества могут буквально рассыпаться. В качестве известного примера можно назвать плавкий предохранитель. Как это выглядит на микроуровне? Движущиеся электроны расталкивают атомы на своем пути. Если ток очень сильный, то кристаллическая решетка проводника не выдерживает и разрушается, а вещество расплавляется.

Возвращаемся к скорости

Ранее этот момент поверхностно был затронут. Теперь давайте уделим ему более пристальное внимание. Следует отметить, что понятия скорости направленного движения заряженных частиц в виде электрического тока не существует. Это связано с тем, что переплетаются разные величины. Так, по проводнику распространяется электрическое поле со скоростью, которая близка к движению света, то есть около 300 000 километров в секунду.

Под его воздействием начинают движение все электроны. Но их скорость очень мала. Она составляет примерно 0,007 миллиметров в секунду. При этом они еще и хаотически мечутся в тепловом движении. В случае с протонами и нейтронами ситуация иная. Они слишком крупные, чтобы с ними происходили такие же события. Как правило, говорить об их скорости, как близкой к значению света, не приходится.

Физические параметры

Теперь давайте рассмотрим, что собой представляет движение заряженных частиц в электрическом поле с физической точки зрения. Для этого представим, что у нас есть картонная коробка, в которой помещается 12 бутылок газированного напитка. При этом есть попытка поместить туда еще одну емкость. Предположим, это удалось. Но коробка еле выдержала. При попытке засунуть еще одну бутылку она разрывается, а все емкости вываливаются.

Рассматриваемую коробку можно сравнить с поперечным сечением проводника. Чем этот параметр выше (толще провод), тем большую силу тока может обеспечить. Это определяет то, какой объем может иметь направленное движение заряженных частиц. В нашем случае коробка, в которой находится от одной до двенадцати бутылок, может спокойно выполнять свое прямое предназначение (не разорвется). По аналогии можно сказать, что проводник не сгорит.

Если превысить обозначенную величину, то объект выйдет из строя. В случае с проводником вступит в действие сопротивление. Очень хорошо описывает направленное движение электрически заряженных частиц закон Ома.

Взаимосвязь разных физических параметров

На коробку из нашего примера можно поставить еще одну. В таком случае на единице площади можно будет разместить уже не 12, а целых 24 бутылки. Добавляем еще одну – и их уже тридцать шесть. Одна из коробок может рассматриваться в качестве физической единицы, аналогичной напряжению тока.

Чем она шире (при этом уменьшается сопротивление), тем больше количество бутылок (которые в нашем примере заменяют силу тока) можно разместить. Увеличивая штабель коробок, можно размещать на единице площади дополнительные емкости. В таком случае растет мощность. При этом не разрушается коробка (проводник). Вот что вкратце выходит по этой аналогии:

• Общее количество бутылок увеличивает мощность.
• Число емкостей в коробке отображает силу тока.
• Количество ящиков в высоту позволяет судить о напряжении.
• Ширина коробки дает представление о сопротивлении.

Возможные опасности

Мы уже разобрали, что направленное движение заряженных частиц называется током. Следует отметить, что данное явление может быть опасным для здоровья и даже жизни человека. Вот краткий перечень свойств электрического тока:

• Обеспечивает нагревание проводника, по которому он протекает. Если бытовая электрическая сеть перегружается, то изоляция будет постепенно обугливаться и осыпаться. Вследствие этого возникает вероятность короткого замыкания, которое является очень опасным.
• Электрический ток, когда он протекает по бытовым приборам и проводам, встречает сопротивление элементов, формирующих материалы. Поэтому он выбирает путь, у которого значение этого параметра является минимальным.
• Если произошло короткое замыкание, то сила тока резко растет. При этом выделяется существенное количество тепла. Оно может расплавить металл.
• Короткое замыкание может произойти из-за попадания влаги. В рассмотренных ранее случаях загораются расположенные рядом предметы, но в этом варианте всегда страдают люди.
• Удар электричеством несет в себе существенную опасность. Вполне вероятен даже смертельный исход. Когда электрический ток протекает через организм человека, то сильно уменьшается сопротивление тканей. Они начинают нагреваться. При этом разрушаются клетки и отмирают нервные окончания.

Вопросы безопасности

Чтобы избежать воздействия электрического тока, необходимо использовать специальные средства защиты. Работу следует вести в резиновых перчатках с использованием коврика из этого же материала, разрядных штанг, а также устройств заземления рабочих мест и аппаратуры.

Автоматические выключатели с различной защитой показали себя хорошо в качестве устройства, которое способно сохранить жизнь человека.

Также не следует забывать о элементарной технике безопасности при работе. Если возникло возгорание с участием электрооборудования, можно использовать только углекислотные и порошковые огнетушители. Вторые показывают в борьбе с огнем лучший результат, но аппаратуру, засыпанную пылью, не всегда можно восстановить.

Заключение

На понятных каждому читателю примерах мы выяснили, что упорядоченное направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. Это очень интересное явление, важное с позиций как физики, так и химии. Электрический ток является неутомимым помощником человека. Однако обращаться с ним нужно осторожно. В статье рассмотрены вопросы безопасности, на которые следует обращать внимание, если нет желания погибнуть.