§ 23. Постоянный электрический ток. Источники электрического тока

Определения и обозначения

Электрический ток — упорядоченное движение электрически заряженных частиц. В металлах такими частицами являются свободные электроны, а положительные ионы решётки остаются на своих местах. Это определение помогает отличить ток от случайного движения частиц.

Постоянный электрический ток — ток, направление которого не изменяется со временем. Слово «постоянный» здесь относится именно к направлению: оно не означает, что ток обязательно одинаков по силе во все моменты. Такое понятие нужно, чтобы различать виды тока.

Источник электрического тока — устройство, в котором происходит разделение электрических зарядов и поддерживается их движение в цепи. Для этого источник преобразует другой вид энергии в электрическую. Он нужен, чтобы заряды продолжали двигаться, а ток не прекращался.

Электрическая цепь — соединённые проводниками источник тока и потребители, например лампа. Чтобы ток протекал длительное время, путь должен быть замкнутым: при разрыве цепи движение зарядов прекращается. Поэтому выключатель управляет током, соединяя или разъединяя участок цепи.

Как это устроено

В металле свободные электроны постоянно движутся, но без внешнего воздействия их движение хаотично. Электроны перемещаются в разных направлениях, и общего направленного переноса заряда не возникает. Поэтому само по себе наличие движущихся частиц ещё не означает, что в проводнике есть электрический ток.

Когда цепь замыкают, в проводнике возникает электрическое поле. Оно действует на свободные заряды и заставляет их двигаться упорядоченно, поверх хаотического движения. Пока поле поддерживает это направленное движение, в цепи существует ток; если воздействие прекращается, упорядоченное движение перестаёт поддерживаться.

Источник разделяет заряды: одни накапливаются на одном его полюсе, другие — на противоположном. Благодаря этому в цепи создаются условия для движения зарядов, а работа источника не даёт разделённым зарядам сразу смешаться. Энергия при этом не возникает из ничего: источник превращает химическую, механическую, световую или тепловую энергию в электрическую.

Направление тока договорились считать направлением движения положительных зарядов. В металлическом проводнике перемещаются электроны, имеющие отрицательный заряд, поэтому они движутся противоположно условному направлению тока. Это правило удобно для единообразного описания цепей, даже если реальные носители заряда — электроны.

Для длительного тока необходимы и замкнутый путь, и источник, поддерживающий разделение зарядов. Если путь разомкнут, заряды не могут непрерывно проходить по цепи, поэтому ток прекращается. Если источник не поддерживает разделение, движение постепенно перестаёт быть упорядоченным; замкнутость без источника сама по себе ток не обеспечивает.

Источники электрического тока и превращение энергии

В таблице сопоставлены виды источников с энергией, которую они превращают в электрическую, и примерами устройств. Сначала определи, какой процесс происходит внутри источника, а затем свяжи его с подходящим видом энергии. Так проще объяснить, почему батарея и генератор создают условия для тока разными способами.

Разбор задач

Задача 1. Назовите частицы, которые перемещаются в металлическом проводнике при протекании тока. Нужно различить носители заряда и частицы, образующие неподвижную основу металла.

1. Вспомним строение металла: в нём есть свободные электроны и положительные ионы кристаллической решётки.
2. Определим, какие частицы могут перемещаться по проводнику: электроны свободны, а ионы закреплены в узлах решётки.
3. Следовательно, при токе в металле направленно движутся свободные электроны.

Ответ: носители тока в металлическом проводнике — свободные электроны, а не положительные ионы решётки.

Задача 2. В цепи соединены батарея, лампа и провода. Когда лампа будет гореть и какова роль батареи? Для ответа надо проверить непрерывность пути и понять, откуда берётся направленное движение зарядов.

1. Проследим путь от одного полюса батареи через провода и лампу к другому полюсу.
2. Если путь нигде не прерывается, цепь замкнута; батарея разделяет заряды и поддерживает их движение.
3. Если провод отсоединён или выключатель разомкнут, путь прерывается и длительный ток через лампу не идёт.

Ответ: лампа будет гореть при замкнутой цепи. Батарея служит источником тока, а не просто соединительным элементом.

Задача 3. Для батареи, генератора и солнечного элемента определите превращение энергии и направление условного тока во внешней цепи. Движение электронов и направление тока — не одно и то же, поэтому проверим их отдельно.

1. В батарее химическая энергия превращается в электрическую; в генераторе механическая; в солнечном элементе световая.
2. Условный ток во внешней цепи направлен от положительного полюса источника к отрицательному.
3. Если внешняя цепь металлическая, электроны движутся от отрицательного полюса к положительному, то есть в противоположную сторону.

Ответ: батарея — химическая энергия, генератор — механическая, солнечный элемент — световая. Во внешней цепи условный ток направлен от «плюса» к «минусу».

Типичные ошибки

• Считать током любое движение электронов — ошибка: при хаотическом движении нет общего направленного переноса заряда. Её допускают, потому что в металле электроны движутся и без подключённого источника. Проверь себя: есть ли у движения общее направление?

• Полагать, что электроны идут по направлению условного тока, неверно: у электронов отрицательный заряд. Путаница возникает из-за условного правила о направлении тока. Чтобы проверить ответ, вспомни: в металле электроны движутся от «минуса» к «плюсу».

• Говорить, что источник создаёт заряды, неправильно: он разделяет уже имеющиеся заряды и поддерживает их движение. Так думают, если представляют источник как устройство, которое производит электричество из ничего. Проверка проста: назови вид энергии, который преобразует источник.

• Ожидать длительного тока в разомкнутой цепи — ошибка, потому что путь для непрерывного движения зарядов прерван. Её часто допускают, замечая, что заряды в проводах всё же есть. Проследи цепь целиком: если от одного полюса источника нельзя пройти к другому, ток не поддерживается.

Связь с другими темами

Для понимания тока нужно знать, что тела могут иметь электрический заряд, а в металлах есть свободные электроны. Эти сведения объясняют, какие частицы становятся носителями тока и почему проводник может проводить электричество. Позже понятия тока и источника понадобятся при изучении силы тока, напряжения и сопротивления. С их помощью описывают свойства цепей и рассчитывают электрические цепи.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Для длительного существования тока нужна замкнутая электрическая цепь.
• В металлах носителями тока являются свободные электроны.
• Условное направление тока противоположно направлению движения электронов в металле.
• Источник тока разделяет заряды и поддерживает их движение.
• В источниках электрическая энергия получается за счёт превращения других видов энергии.