(Статья откорректирована, с учетом замечаний читателей)
Тот факт, что многопроволочный провод мягче и с ним удобнее работать – не является определяющим. Существует более веская причина – радиус изгиба.
Электрический ток
Мы уже знаем, что электрический заряд может передаваться от одного тела к другому. Эта передача происходит не только при касании заряженных тел, но и через изолированный проводник, например, через металлический пруток (смт. рис. 1.)
Время передачи (перераспределения) заряда от одного тела другому очень незначительно. Можно создать условия, при которых заряженные частицы будут дрейфовать по проводнику постоянно и упорядоченно. В таком случае говорят, что по проводнику течет электрический ток.
Это можно сделать разными способами:
· обеспечить постоянный приток заряженных частиц на одном конце проводника и нейтрализовать заряды на другом конце. Например, вращать диски электрофорной машины и через проводник отводить заряд на землю. Другими словами, необходимо создать разницу потенциалов на концах проводника.
· создать условия для дрейфа заряженных частиц по замкнутому контуру (образовать электрическую цепь);
При выполнении этих условий в проводнике образуется стабильное упорядоченное движение носителей (переносчиков) элементарных зарядов. Если направление дрейфа носителей элементарных зарядов не меняется, а разница потенциалов на концах проводника стабильна, то такой электрический ток называется постоянным.
Для поддержания электрического тока в цепи применяют источники питания: элементы Вольта, аккумуляторы, генераторы тока.
Генераторы тока могут создавать и поддерживать постоянный ток либо переменный – ток, направление (и другие характеристики) которого периодически меняются.
Носителями элементарных зарядов могут быть электроны (отрицательный заряд), ионы (отрицательные анионы или положительные катионы). Электронную проводимость имеют все металлы, а ионную проводимость имеют электролиты (растворы солей, кислот, щелочей), расплавы определенных веществ.
Остановимся на описании тока в металлах. В первом варианте этой статьи я довольно поверхностно описал процесс токопроводимости металлов, стремясь сформировать элементарное понятие об электрическом токе в читателей, которые только начинают осваивать азы физики. Как оказалось, я был не прав. Среди читателей есть те, которые, как минимум, усвоили школьную программу и справедливо возмущаются в своих комментариях. Поэтому исправляю свои недочеты. Ниже излагаю материал, придерживаясь классической теории электрического тока, изучаемой в школе.
Примечание. Классическая теория возникла на заре изучения электричества, и не является истиной в последней инстанции. Как любая другая теория она построена на предположениях (постулатах). В данной теории предполагается, что электрон – физическая частица, вращающаяся вокруг ядра, имеющая элементарный (наименьший ) отрицательный заряд. В качестве строения атома принимается ядерная (планетарная) модель Резерфорда. В металлах некоторые электроны, расположенные на отдаленных орбитах имеют очень слабые связи с ядром и могут покидать свои орбиты. Предполагается, что свободные электроны ведут себя так, как молекулы идеального газа – они хаотически двигаются, заполняя пространство внутри кристаллических решеток, образованных атомами (ионами). (см. рис. 2)
Реальная картина строения атома намного сложнее. Да и сам электрон оказался совсем не элементарной частицей (и даже не частицей, а своеобразным квантом энергии, имеющим массу, заряд, проявляющим волновые свойства и свойства частицы). Поэтому его поведение совершенно не похоже на поведение молекул идеального газа.
Тем не менее, классическая теория реально работает. С ее помощью объясняются почти все электрические явления и законы электродинамики.
Если проводником соединить полюса источника тока, то силы электрического поля приведут в движение свободные электроны, которые устремятся к положительному полюсу источника тока. По проводу потечет электрический ток.
Обратите внимание на ряд важных факторов:
1. Традиционно считают направление тока от положительного полюса к отрицательному, хотя в действительности же, отрицательные электроны движутся к положительному полюсу. Другими словами: направление тока условно противоположно направлению движения электронов (см. рис. 3).
2. Скорость распространения электрического тока близка к скорости света, хотя сами электроны в проводнике дрейфуют достаточно медленно – всего несколько долей миллиметра в секунду. То есть, происходит не механический перенос заряда, а передача энергии от одного полюса источника питания к другому.
3. При перемещении заряженных частиц по проводнику, они встречают сопротивление (образно говоря, натыкаются на атомы и ионы кристаллической решетки металла). В результате этих взаимодействий происходит нагревание провода и, как результат, потеря энергии (мощности) электрического тока.
4. У каждого металла свое индивидуальное (удельное) сопротивление. Низким удельным сопротивлением обладают благородные и цветные металлы, в частности медь.
Электрическое сопротивление обозначают символом R.
где ρ – удельное сопротивление, l – длина провода, S – сечение провода.
Сила тока – величина i, определяемая количеством электричества q, проходящим за очень маленький, единичный промежуток времени, через поперечное сечение проводника. Если количество электричества не меняется и через равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходят одинаковые заряды, то ток называется постоянным и обозначается символом I: I=q/t
Немецкий ученый-физик Георг Симон Ом установил зависимость между напряжением U, силой тока I и сопротивлением R: U=IR.
В честь этого ученого единицу сопротивления названо Омом (обозначается Ом или Ω).
Существует понятие плотность тока j: «Векторная величина, измеряемая зарядом, протекающим по поверхности проводника за единицу времени».
Численно j=i/S, где S – площадь сечения проводника. За направление вектора принимается направление движения положительных зарядов.
(Источник: Н. И. Карякин, К.Н. Быстряков, П. С. Киреев «Краткий справочник по физике», Государственное издательство «Высшая школа», Москва, 1963 г., стр.197).
Исходя из определения плотности тока и того факта, что заряды распределяются только на поверхности металлов, мною был сделан вывод, что электрический ток распространяется по поверхности проводника. Это предположение противоречит рассмотренной нами классической теории электрического тока, о чем отметили читатели в комментариях.
Чем многопроволочный провод лучше монолитного
При обустройстве электропроводки в доме и на производстве стараются применять провода с меньшим сопротивлением. Это помогает уменьшить потери энергии, а главное – уменьшает степень нагревания проводов, что иногда может привести к возгоранию изоляции и к замыканиям проводки.
Исходя из этого, целесообразно подбирать проводку с малым удельным сопротивлением жилы. Для этих целей подходит медь.
Сегодня также используют более дешевую алюминиевую проводку. Однако монолитные алюминиевые жилы пригодны для прокладки проводки в местах, где удается избегать малого радиуса изгиба. Монолитная медная проводка более прочная и допускает большие изгибы.
Очевидно, что допуски по изгибам многопроволочного провода превосходят провода с монолитными жилами. Основное их применение – в качестве шнуров для питания различной электротехники.
Примечание: Выражаю благодарность читателям, оставившим свои комментарии, которые побудили меня исправить первичный текст.