Elektros srovė. Elektros srovė metaluose

Elektrostatikos skyriuje nagrinėjome nejudančius elektros krūvius, jų sąveiką ir su ta sąveika susijusius reiškinius. Tačiau elektros krūviai gali ir judėti (2.1.1 pav., a). Kas nutinka, kai elektros krūviai pradeda judėti kryptingai (2.1.1 pav., b)? Kas juos priverčia judėti? Į šiuos ir daugelį kitų klausimų atsakysime nagrinėdami šį fizikos skyrių. Pirmiausia išsiaiškinkime, kas yra elektros srovė ir kaip ji atsiranda.

Lietuvoje teka nemažai sraunių upių, pavyzdžiui, Vilnelė, Merkys, Ūla. Vandens srovė šiose upėse yra stipri. Vandens srovę sudaro vandens, tekančio viena kryptimi, visuma (2.1.2 pav.). Tačiau sroves sukelia ne tik vandens, bet ir dujų, dalelių judėjimas (2.1.3 pav.). Kokios dalelės sukelia elektros srovę?

Metaliniuose laidininkuose (2.1.4 pav., a) yra daug laisvųjų elektronų, turinčių neigiamąjį elektros krūvį (2.1.4 pav., b). Druskų, rūgščių tirpaluose yra daug didesnių dalelių, turinčių elektros krūvį, – teigiamųjų ir neigiamųjų jonų. Laidininkuose (metaluose, druskų, rūgščių tirpaluose) yra elektringųjų dalelių, kurios gali laisvai judėti ir sukelti elektros srovę. Taigi, galime suformuluoti pirmąją elektros srovės atsiradimo sąlygą: elektros srovei atsirasti reikia elektringųjų dalelių, galinčių laisvai judėti. Izoliatoriuose (dielektrikuose) elektros srovė neteka, nes juose beveik nėra laisvųjų elektringųjų dalelių.

Žodis „srovė“ reiškia kieno nors judėjimą arba tekėjimą. Išdžiūvus upei joje nelieka vandens, taigi, nėra ir vandens srovės. Kita vertus, ežeruose vandens srovė nesusidaro, nors vandens ir yra. Vadinasi, vien elektringųjų dalelių elektros srovei atsirasti nepakanka. Elektringosios dalelės turi būti veikiamos tam tikra jėga, kuri priverstų jas judėti viena ar kita kryptimi. Šią jėgą sukelia elektrinis laukas. Taigi, galime suformuluoti ir antrąją elektros srovės atsiradimo sąlygą: elektros srovei atsirasti laidininkuose reikia elektrinio lauko. Jį sukuria elektros srovės šaltiniai.

Iš (1.2) formulės matyti, kad elektrinio lauko jėgos didumas lygus elektrinio lauko stiprio (E) ir veikiamo krūvio (q) didumo sandaugai:

Elektrinio lauko jėgos (2.1) veikiamos elektringosios dalelės juda kryptingai. Suprasti elektrinio lauko vaidmenį sukeliant elektros srovę gali padėti jo palyginimas su piemeniu, iš vienos vietos į kitą genančiu avis (elektringąsias daleles). Piemens varomos avys juda netvarkingai, bet kryptingai.

Metalai (lot. metallum < gr. metallon – rūdynas) yra medžiagos, kuriomis gerai teka elektros srovė. Mokydamiesi chemijos sužinosite daug metalų pavadinimų. Tikriausiai girdėjote buityje dažniausiai naudojamų metalų pavadinimus: geležis, varis, nikelis, brangieji metalai (auksas, sidabras) (2.1.4 pav., a, 2.1.5 pav.). Metalų sandarą apibūdina elektroninė metalų teorija.

Susipažinkime su pagrindiniais šios teorijos teiginiais.

1. Teigiamieji jonai yra tvarkingai išsidėstę kristalinės gardelės mazguose. Tarp jų laisvai juda elektronai (1.1.3 pav., a).
2. Metalų jonai ir elektronai juda nuolat, bet skirtingai. Kristalinės gardelės mazguose esantys jonai svyruoja, o elektronai netvarkingai juda tarp jų (1.1.3 pav., a).
3. Neigiamąjį elektros krūvį turintys elektronai sąveikauja su teigiamaisiais jonais. Dėl šios sąveikos keičiasi elektronų judėjimo greitis ir kryptis.
4. Metalai yra elektriškai neutralūs, nes visų jonų teigiamasis krūvis lygus elektronų neigiamajam krūviui.

Abiejų elektros srovės sąlygų svarba įsitikinti padeda nesudėtingas bandymas, paaiškinantis, kaip elektros srovė atsiranda metaliniame laidininke. Bandymui naudojami du vienodi elektrometrai (2.1.6 pav., a). Vienas elektrometras (1) įelektrinamas teigiamai, o kitas (2) neįelektrinamas. Elektrometrai sujungiami metaline lazdele ir prie jos pritvirtinama elektros lemputė. Sujungus elektrometrus elektros lemputė staiga užsidega (2.1.6 pav., b) ir užgęsta. Metaline lazdele prateka trumpalaikė elektros srovė, kadangi tenkinamos abi srovės atsiradimo sąlygos. Pirma, metalinis laidininkas turi daug laisvųjų elektronų. Antra, teigiamai įelektrinto rutulio sukurtas elektrinis laukas priverčia laidininko laisvuosius elektronus judėti kryptingai.

Kryptingas laisvųjų elektronų judėjimas metaluose vadinamas elektros srove (2.1.6 pav., c). Laisvieji elektronai metaluose juda kryptingai, bet netvarkingai. Elektronų judėjimą metaluose tekant elektros srovei galima palyginti su kamuoliuko riedėjimu nuožulniąja plokštuma, prie kurios pritvirtinti stulpeliai (2.1.7 pav.). Riedėdamas žemyn kamuoliukas atsitrenkia į stulpelius ir keičia judėjimo trajektoriją, tačiau jo judėjimo kryptis išlieka ta pati.

Elektrinio lauko veikiamų elektronų judėjimo greitis nėra didelis – keli milimetrai per sekundę. Elektrinis laukas laidininkuose plinta greičiu, artimu šviesos greičiui, – 300 000 km/s. Dėl elektrinio lauko poveikio elektronai pradeda judėti iš karto visame laidininke. Todėl elektriniai signalai metaliniuose laidininkuose perduodami labai greitai. Pavyzdžiui, 9 000 km atstumą elektrinis signalas nueina per 0,03 s.

Jeigu kada nors stebėjote skruzdėles, žinote, kad jos bėgioja takais (2.1.8 pav.). Skruzdėlės pažymi taką cheminėmis medžiagomis, jei juo keliaudamos randa daug maisto. Jei į skruzdėlyną grįžta tuščiomis, tako nepažymi. Į skruzdėlių judėjimą taku galima žiūrėti kaip į elektronų judėjimą laidu, kuriuo teka elektros srovė. Elektronai juda iš vienos vietos į kitą kaip skruzdėlės, nešančios lapus. Užuot nešę lapus, elektronai neša nedidelį elektros krūvį (e = −1,6 ∙ 10^–19 C).