Глава 15. Электрический ток

Под электрическим током обычно понимают направленное движение электрических зарядов. Различают ток проводимости и конвекционный ток. Ток проводимости - это направленное движение зарядов в проводящих телах: электроны в металлах, электроны и дырки в полупроводниках, ионы в электролитах, ионы и электроны в газах. Конвекционный ток - это движение заряженных тел и поток электронов или других заряженных частиц в вакууме.

Приведенная классификация тока в значительной степени условна. Так, например, переменное электрическое поле тоже называют током - током смещения. Есть по крайней мере один общий признак у любого тока: он является источником магнитного поля.

В главе рассматриваются некоторые характеристики электрического тока и источников тока, ток в электролитах и газах и термоэлектрические явления.

15.1. ПЛОТНОСТЬ И СИЛА ТОКА

Траектории направленного движения положительных электрических зарядов по проводнику назовем линиями тока, касательные к которым показывают направление скорости упорядоченного движения заряда. Обычно линии тока связывают не со скоростью зарядов, а с плотностью тока.

Плотность тока - векторная характеристика электрического тока, численно равная отношению силы тока сквозь малый элемент поверхности, нормальный к направлению движения заряженных частиц, образующих ток, к площади этого элемента:

15.2. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА ИСТОЧНИКОВ ТОКА

Для того чтобы постоянный ток протекал по проводнику, необходимо на его концах поддерживать разность потенциалов. Это осуществляется источниками тока.

Пусть по замкнутой цепи (рис. 15.1) движется положительный заряд. В идеальном случае сопротивление подводящих проводников (участки 1-2 и 3-4) примем за нуль, т.е. потенциалы точек 1 и 2 (3 и 4) одинаковы. Из (14.15) следует, что напряженность поля в таких проводниках равна нулю. Направленное движение зарядов происходит по инерции, без сопротивления и без воздействия ускоряющей силы.

На участке 2-3 разность потенциалов (ср₂ - ср₃) равна падению напряжения IR. Наличие разности потенциалов означает, что в проводнике напряженность электрического поля отлична от нуля. Следовательно, на заряд действует сила со стороны электрического поля; кроме того, заряды взаимодействуют в металлах

15.3. ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТЬ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

Биологические жидкости являются электролитами, электропроводимость которых имеет сходство с электропроводимостью металлов: в обеих средах, в отличие от газов, носители тока существуют независимо от

¹ Подвижность b связана с подвижностью u (см. 13.3) соотношением b = uq.

Электропроводимость тканей и органов зависит от их функционального состояния и, следовательно, может быть использована как диагностический показатель. Так например, при воспалении, когда клетки набухают, уменьшается сечение межклеточных соединений и увеличивается электрическое сопротивление; физиологические явления, вызывающие потливость, сопровождаются возрастанием электропроводимости кожи, и т.д.

Приведем удельные сопротивления различных тканей и жидкостей организма (табл. 15.1). Электропроводимость тканей при переменном токе рассмотрена 18.4.

Таблица 15.1

15.5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ГАЗАХ. АЭРОИОНЫ И ИХ ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКОЕ

ДЕЙСТВИЕ

Газ, состоящий только из нейтральных частиц, является изолятором. Если его ионизовать, то он становится электропроводным. Любое устройство, явление, фактор, способный вызвать ионизацию молекул и атомов газа, называют ионизатором.

Им может быть свет, рентгеновское излучение, пламя, ионизирующее излучение и пр. Электрический заряд в воздухе может образоваться и при распылении в нем полярных жидкостей (баллоэлектрический эффект), т.е. таких жидкостей, молекулы которых имеют постоянный электрический дипольный момент. Так, например, при дроблении в воздухе вода распадается на заряженные капельки. Знак заряда крупных капель (положительный для чистой воды) противоположен по знаку-

заряду мельчайших. Более крупные капли сравнительно быстро оседают, и в воздухе остаются отрицательно заряженные частицы воды. Такое явление наблюдается у фонтана.

Электропроводимость газа зависит и от вторичной ионизации.

Чтобы ионизовать нейтральный атом, следует совершить некоторую работу А_И по отрыву электрона, равную энергии ионизации. В физике принято энергию (работу) ионизации выражать ионизационным потенциалом:

Ионизационный потенциал внутренних электронов значительно выше.

Наряду с ионизацией наблюдается и обратный процесс - рекомбинация ионов, при которой выделяется энергия. Примером этого явления служит свечение газоразрядных трубок. Если ионизатор прекратит свое действие, то вследствие рекомбинации при отсутствии электрического поля газ сравнительно быстро станет изолятором.

В земных условиях воздух практически всегда содержит некоторое количество ионов благодаря природным ионизаторам, главным образом радиоактивным веществам в почве и газах и космическому излучению. Ионы и электроны, находящиеся в воздухе, могут, присоединяясь к нейтральным молекулам и взвешенным частицам, образовать более сложные ионы. Эти ионы в атмосфере называют аэроионами.

Они различаются не только знаком, но и массой, их условно делят на легкие (газовые ионы) и тяжелые (взвешенные заряженные частицы - пылинки, частицы дыма и влаги).

Тяжелые ионы вредно действуют на организм. Легкие и в основном отрицательные аэроионы оказывают благотворное влияние. Их используют, в частности, для лечения - аэроионотерапия.

Различают естественную аэроионотерапию, связанную с пребыванием больного в природных условиях с повышенной ионизацией воздуха (горы, водопады и пр.)¹, и искусственную, проводимую с помощью специальных устройств - аэроионизаторов, которым может быть любой ионизатор, создающий ионы в воздухе. Однако, используемый для лечебных целей, он не должен вызывать побочного вредного воздействия на организм. Разновидностью искусственной аэроионотерапии является электростатический душ (франклинизация). При франклинизации применяют постоянное электрическое поле высокого напряжения (до 50 кВ). Лечебное действие оказывают образующиеся при этом аэроионы и небольшое количество озона. Франклинизацию проводят в виде общих и местных процедур. При общей франклинизации больной сидит на изолированном деревянном стуле с металлической пластиной, соединенной с положительным полюсом аппарата. Над головой больного на расстоянии 10-15 см устанавливают электрод в виде «паука», подключенный к отрицательному полюсу аппарата.

15.6. ВНУТРЕННЯЯ КОНТАКТНАЯ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ. ТЕРМОЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА

Рассмотрим контакт двух металлов 1 и 2 с различной концентрацией свободных электронов: n₁ > n₂ (рис. 15.3, а). После создания контакта начнется диффузия электронов из одного металла в другой. Так как концентрации электронов различны, то диффундирующие потоки из разных металлов будут неодинаковыми. Это приведет к заряжению металлов противоположными зарядами и возникновению между ними внутренней контактной разности потенциалов U_t. При этом первый металл имеет больший потенциал относительно второго (рис. 15.3, а). Изменение энергии Е_э свободных электронов в приконтактной области при установившемся значении контактной разности потенциалов (рис. 15.3, б) соответствует динамическому равновесию. При динамическом равновесии потоки электронов в одном и другом направлениях

¹ Изменение ионного состава воздуха в связи с солнечной активностью является, вероятно, одной из причин влияния Солнца на земные биологические организмы. Оно изучается в разделе биофизики, называемом гелиобиологией.

2) для определения температур. Зная зависимость ε_τ = /(Δ7), по измерениям ε_τ можно найти а следовательно, и Т. Удобство этого метода заключается в дистанционности и возможности измерения температуры небольших объектов, поскольку сам контакт металлов или полупроводников может быть сделан достаточно малым. В медицине, в частности, это используется для нахождения температуры отдельных органов и их частей;

3) для измерения мощности инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучений (см., например, устройство актинометра в 27.4).

Возникновение термоэлектродвижущей силы в рассмотренном примере относится к группе термоэлектрических явлений. Так называют явления, в которых отражается специфическая связь между электрической и молекулярно-тепловой формами движения материи в металлах и полупроводниках.