§ 17. Электрический ток

Определения и обозначения

Электрический ток — направленное, или упорядоченное, движение заряженных частиц. От хаотического движения оно отличается тем, что у частиц появляется общее преимущественное направление перемещения. Это понятие помогает отличать ток от обычного беспорядочного движения частиц вещества.

Носители электрического заряда — частицы, перемещение которых создаёт электрический ток. В металлах такими носителями являются свободные электроны, а в растворах электролитов — положительные и отрицательные ионы. Знание носителей позволяет понять, что именно движется в разных средах.

Направление электрического тока условно принимают за направление движения положительно заряженных частиц. В металлах движутся отрицательно заряженные электроны, поэтому их перемещение противоположно принятому направлению тока. Это соглашение нужно, чтобы одинаково обозначать направление тока в цепях.

Источник тока — устройство, в котором разделяются заряды и поддерживается электрическое поле. Поле направляет движение носителей в цепи, а источник помогает сохранять это движение длительное время. Без источника ток не поддерживался бы непрерывно.

Как это устроено

В веществе могут находиться подвижные заряженные частицы, но одного их наличия недостаточно для возникновения тока. Без внешнего воздействия частицы движутся хаотично: в целом их перемещения не направлены в одну сторону. Электрическое поле действует на заряженные частицы и сообщает их движению преимущественное направление. Поэтому ток появляется, когда есть и подвижные носители заряда, и поле, которое организует их движение.

Для длительного тока нужен замкнутый путь, по которому заряды могут двигаться непрерывно. Источник разделяет заряды и поддерживает электрическое поле в цепи, а соединённые проводники дают носителям путь для перемещения. Если цепь разомкнуть, непрерывный путь исчезнет и длительное движение зарядов прекратится. Так источник, поле и замкнутые проводники выполняют разные, но необходимые для работы цепи роли.

В разных веществах электрический ток создают разные носители. В металлах часть электронов может перемещаться между атомами, поэтому поле направляет движение этих электронов вдоль проводника. В растворе электролита носителями являются ионы: положительные движутся в одну сторону, отрицательные — в другую. И те и другие переносят заряд, хотя сами частицы и направления их движения различаются.

Прохождение тока можно заметить по его действиям, потому что движущиеся заряды воздействуют на окружающее вещество и пространство. Провод с током нагревается — это тепловое действие; оно используется, например, в нагревательных приборах. Рядом с проводником обнаруживается магнитное действие, благодаря которому работают электромагниты. В электролите ток может вызывать химические изменения, например выделение вещества на электродах.

Направление тока установили условно, когда природа носителей заряда ещё не была известна. За него приняли направление, в котором двигались бы положительные заряды. В металлической цепи свободные электроны имеют отрицательный заряд и перемещаются в противоположную сторону. Поэтому, показывая направление тока на схеме, не нужно менять принятое правило из-за того, что фактически движутся электроны.

Носители электрического тока и проявления тока

Сначала найдите в таблице среду или наблюдаемое проявление, а затем сравните, что происходит и какой пример это иллюстрирует. Строки про металлы и электролиты показывают носителей заряда, а следующие строки — способы обнаружить ток. Один и тот же ток может проявляться несколькими способами.

Разбор задач

Задача 1. В металлическом проводе есть свободные электроны. Можно ли утверждать, что в нём обязательно течёт электрический ток? Нужно проверить, достаточно ли одного наличия заряженных частиц. По определению ток — это не просто присутствие зарядов, а их направленное движение.

1. Свободные электроны являются носителями заряда в металле.
2. Но они могут двигаться хаотично, без общего направления.
3. Если их движение не упорядочено, электрического тока в смысле определения нет.

Ответ: нет, нельзя. Для тока нужны не только свободные электроны, но и их направленное движение, которое организует электрическое поле.

Задача 2. В замкнутой цепи электроны движутся от отрицательного полюса источника к положительному. Укажите условное направление тока. Здесь важно не принять фактическое движение электронов за направление, принятое для тока. По соглашению ток направлен так, как двигались бы положительные заряды.

1. Определяем направление движения электронов: от отрицательного полюса к положительному.
2. Учитываем, что электроны заряжены отрицательно, а условное направление тока противоположно их движению.
3. Значит, ток направлен от положительного полюса источника к отрицательному.

Ответ: от положительного полюса к отрицательному, то есть противоположно движению электронов.

Задача 3. При пропускании тока через раствор на электродах выделяется вещество, а провод нагревается. Назовите наблюдаемые действия тока и объясните, что они показывают. В условии описаны два разных изменения, поэтому каждое нужно сопоставить с соответствующим действием. Появление вещества связано с электролитом, а повышение температуры — с нагревом проводника.

1. Выделение вещества на электродах — химическое действие тока.
2. Нагревание провода — тепловое действие тока.
3. Оба наблюдения служат признаками того, что через соответствующие части цепи проходит ток.

Ответ: наблюдаются химическое и тепловое действия. Они показывают, что ток проходит через раствор и провод; в растворе движутся ионы, а проводник нагревается.

Типичные ошибки

Ошибка: считать током любое движение частиц. Её допускают, потому что в веществе частицы постоянно движутся. Но хаотическое движение не имеет общего направления, поэтому само по себе током не является. Проверьте себя: есть ли в описании именно упорядоченное движение зарядов?

Ошибка: полагать, что свободных зарядов достаточно для тока. Носители могут быть в веществе, но без электрического поля их движение не становится направленным. Для длительного тока в цепи нужна также её замкнутость. Проверьте, есть ли поле и непрерывный путь для зарядов.

Ошибка: направлять ток так же, как электроны в металле. Это происходит, если забыть, что направление тока условно связано с движением положительных зарядов. Электроны отрицательны и перемещаются противоположно этому направлению. Проверьте знак носителя: для электронов направление тока будет обратным.

Ошибка: думать, что ток бывает только в металлических проводах. Металлы часто приводят как пример проводников, поэтому другие среды легко упустить. В растворах электролитов ток создают перемещающиеся ионы. Чтобы проверить себя, спросите, могут ли в этой среде двигаться заряженные частицы.

Связь с другими темами

Для понимания тока нужно знать, что тела и частицы могут иметь электрический заряд и что заряды взаимодействуют. Это помогает объяснить, почему электрическое поле влияет на движение носителей. Понятие тока понадобится при изучении силы тока, напряжения, сопротивления и расчётов электрических цепей. Тепловое и магнитное действия станут основой для объяснения работы нагревательных приборов и электромагнитов.

Что запомнить

• Электрический ток — направленное движение заряженных частиц.
• Ток возникает при наличии свободных носителей заряда и электрического поля.
• Для длительного тока в цепи нужен источник тока и замкнутая цепь.
• В металлах ток создают электроны, в электролитах — положительные и отрицательные ионы.
• Условное направление тока противоположно направлению движения электронов в металле.
• Ток можно обнаружить по его тепловому, магнитному или химическому действию.