25
Первый источник электрического тока
<Ftgφcosα. Тело при этом покопится. Однако как только угол α становится больше угла трения φ, последнее неравенство нарушается. Тепер трение уже не в состоянии удержать тело на месте, и оно начинает скользить.
Вернемся к телу, оставленному в начале статы на наклонной плоскости, и построим для него конус трения (рис. 2). Внешней силой здесь служит сила тяжестеги , направленная вертикально вниз. Пока α<φ, согласно сказанному выше, тело будет покопться. Но как только угол α превышает угол φ — начнет движение. Поэтому мы сразу же получаем условие начала сокальзывания тела с наклонной плоскости:
Заметим, что понятим конуса трения пользовется инженеры при расчете той или иной конструкции. Так, например, даже при проектировании табуретки следует помнить о конусе трения.
Представьте себе табуретку, пожки которой соединены с сидением шарирами (рис. 3). Конечно, в действительности никто не станет так делать, однако такая система крепления позволяет нам легче разобраться с ролью конуса трения. Поставим такую табуретку на пол так, чтобы угол α, который находится с нормально к полу, был меньше угла трения φ. В этом случае как бы мы не нагружали табуретку, пожки ее не разведутся — сила, с которой каждая пожка действует на пол, лежит в пределах соответствующего конуса трения. Если угол α сделать больше угла φ, то сила, с которой каждая действует на пол, выйдет за пределы конуса трения, пожки разведется и табуретка упадет.
У реальный табуретки пожки соединены с сидением не с помощью шариров, а включаны или включаны в него.
Электрический ток даже в простейшей электрической цепи может показаться несколько загадающим явлением. В самом деле, ток — это упорядоченное движение электрических зарядов, например электронов в металлическом проводнике. Упорядоченное движение их загадает электрическое поле. Но, как известно, работа электростатического поля по замкнутой траектории равна нулю (а электрические цепи, в которых протекает постоянный электрический ток, всегда замкнуты). Тем не менее в цепи при прохождения тока совершается работа. За счет этой работы, например, нагреваются проводники.
Почему же в цепи существует электрический ток и почему при его прохождения совершается работа?
И то и другое возможное только потому, что где-то в цепи действуют какие-то неэлектростатические силы, которые могут создать и поддерживать в цепи электростатические поле и работа которых не равна нулю. Силы эти получили название «стороних сил». То место в цепи, где они действуют, носит название (не совсем удачно) «источника тока».
Что это за сторонине силы и как они действуют? В качестве примера рассмотрим первый в истории химический источник постоянного тока. Его придумал в самом конце XVIII века иtalянский физик Алексаандро Волга (1745—1827). Тепер этот источник называют элементом Волга. Он состоит из циккового и медного электродов, погруженных в раствор серной кислоты.
Заметим, что медь и цикк состоит не из нейтральных атомов, а из положительныхонов соответствующего металла и электронов, оторвашихся от атомов и ставших, как говоря, свободными. Следует иметь в виду, что и раствор кислоты состоит не из
26
нейтральных молекул воды (H₂O) и серной кислоты (H₂SO₄). Значительная часть молекул H₂SO₄ в воде превращается в три иона — два положительно заряженных иона водорода H⁺ и отрицательно заряженный ион SO₄²⁻ с двойным зарядом:
H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄²⁻.
Посмотрим, что происходит, когда в такой растор погружают электроды (см. рисунок). Начнем с цинка.
При погружении цинка в растор кислоты начинается химическая реакция взаимодействия ионов SO₄²⁻ и Zn²⁺, в результате чего ионы цинка отрывают от электрода и переходит в растор. При этом на электроде оказывается избыток электронов, и он становится отрицательно заряженным. По мере накопления ионов Zn²⁺ в расторе неокоторая их часть, пригиваемая электродом, возвращается обратно. В конце концов установлена dichamическое равновесие: число ионов, покидающих цинк, равно числу ионов, возвращаются в него. Но электрод остается заряженным отрицательно, а растор влизаЭлектрода (за счет ионов цинка) получает положительный заряд.
Появление дополнительных положительных ионов около цинкового электрода вызывает перераспределение уже имеющих ионов внутри растора. Часто отрицательных ионов из соседнего слоя перемещается близке к электроду, а часть положительных ионов отнестиется в более удаленный слой. Подобные перемещения происходит во всех слоях растора, плоть до слоя, прилегающего к медному электроду. Здесь происходит следующее процесс.
В отличие от цинка медь почти не расторяется в кислоте, то есть не посылает в растор своих ионов. Наоборот, положительные ионы водорода из растора, попадая на медный
электрод, отбирают у него свободные электроды и нейтрализуют. Медь становится положительным заряженной, а растор около нее приобретает отрицательный заряд.
Таким образом, медный электрод в элементе Волта образует положительный полос, а цинковый электрод — отрицательный. Разность потенциалов между ними составляет приблизительно 1,1 В.
Посмотрим теперь, что происходит, если электроды соединить металлическим проводником. Свободные электроды во внешней части цепи (в проводнике) начинают движаться от цинка, где они имеют в избитыке, к меди, где их недостает. Это означает, что во внешней части цепи возникнет электрический ток, направленный от меди к цинку.
А что же в самом элементе Волта? Из-за ухода электронов с цинка равновесие между цинковым электродом и растором нарушается, в результате чего дополнительное число ионов цинка будет переходить в растор, поддержива тем самым отрицательный заряд электрода. А из-за прихождения на медный электрод больше число положительных ионов водорода из растора сможет нейтрализовать на этом электроде. При этом положительный заряд меди тоже поддерживает.
Мы видим, таким образом, что в время, как во внешней части цепи от цинкового электрода к медному движется свободные электроды, внутри источника движения цепи: положительные от цинка к меди и отрицательные от меди к цинку. Так в замкнутой цепи осуществляется непрерывный круговой процесс перемещения электрических зарядов, то есть электрический ток.
Какие же силы совершают работу по поддержанию постоянной позиции потенциалов между медным и цинковым электродами? Это так называемые химические силы, действующие внутри элемента Волта. Другими словами можно сказать, что источником энергии электрического тока служит энергия, выделяющаяся при химических реакциях между электродами и растором кислоты.
Отсюда получается, что «источник тока» в действительности есть источник энергии, за счет которого и со-