"Физика (базовый и углублённый уровни)", Грачёв А.В., Погожев В.А., Салецкий А.М., Боков П.Ю.
Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Чтобы оно возникло, нужны свободные носители заряда и электрическое поле; для длительного тока необходимы источник и замкнутая цепь. Направление тока условно связывают с движением положительных зарядов, поэтому в металлическом проводнике оно противоположно движению электронов. Силу постоянного тока находят по заряду, прошедшему через поперечное сечение проводника за время: I = q/t. Эта величина показывает, сколько заряда переносится за секунду.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Носителями тока могут быть свободные электроны в металлах, положительные и отрицательные ионы в растворах и газах, а также электроны и дырки в полупроводниках. Это определение помогает отличать ток от любого движения частиц в веществе.
Для возникновения тока нужны свободные носители заряда и электрическое поле, которое приводит их в упорядоченное движение. Для длительного тока требуются замкнутая цепь и источник тока. Это условие показывает, почему одного проводника с зарядами недостаточно для непрерывного переноса заряда.
Направлением электрического тока условно считают направление движения положительно заряженных частиц. В металлах носителями являются электроны, поэтому их движение противоположно принятому направлению тока. Такое соглашение позволяет одинаково задавать направление тока в разных средах.
Сила тока показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Её обозначают I, а единица измерения — ампер (А); для постоянного тока I = q/t. Сила тока нужна, чтобы сравнивать перенос заряда в цепях, не смешивая его с общим количеством заряда.
В веществе заряженные частицы обычно движутся хаотически из-за теплового движения. Они пересекают мысленное поперечное сечение проводника в обе стороны, и в среднем перенос заряда уравновешивается. Когда появляется упорядоченная составляющая движения, заряды преимущественно перемещаются в одном направлении — это и есть электрический ток.
Свободные носители необходимы потому, что связанные заряды не могут перемещаться по веществу на заметные расстояния. Но сами по себе свободные электроны или ионы движутся беспорядочно, поэтому их движение ещё не создаёт направленного переноса. Электрическое поле действует на заряженные частицы силами и задаёт их упорядоченное движение.
Для длительного тока поле должно поддерживаться, а путь для движения зарядов — оставаться непрерывным. Источник тока разделяет заряды: на его полюсах накапливаются заряды разных знаков, благодаря чему в цепи поддерживается электрическое поле. В замкнутой цепи носители могут двигаться по непрерывному пути; при разрыве цепи этот путь исчезает.
Проводник и источник выполняют разные роли. Проводник даёт свободным носителям возможность перемещаться, а источник затрачивает энергию на разделение зарядов и поддержание разности электрических состояний на своих полюсах. Поэтому одного проводника недостаточно, чтобы длительно поддерживать ток: поле без источника постепенно исчезло бы.
Условное направление тока выбрали так, как двигались бы положительные заряды. Это соглашение сохраняется и в металлах, хотя там движутся отрицательно заряженные электроны. Электрическое поле заставляет электроны перемещаться против условного направления тока, поэтому при изображении цепи стрелка тока и направление движения электронов противоположны.
В таблице собраны понятия, их смысл и обозначения. Условие возникновения помогает проверить, возможен ли ток, а формула силы тока позволяет выполнить расчёт. Сначала определите, какую величину нужно найти, затем выберите подходящую строку и согласуйте единицы.
| Понятие | Что характеризует | Обозначение | Формула или условие | Единица измерения |
|---|---|---|---|---|
| Электрический ток | Упорядоченное движение зарядов | — | Нужны свободные носители и электрическое поле | — |
| Направление тока | Направление движения положительных зарядов | — | В металлах противоположно движению электронов | — |
| Сила постоянного тока | Заряд, проходящий через сечение за единицу времени | I | I = q/t | ампер (А) |
Задача 1. За 4 с через поперечное сечение проводника прошёл заряд 12 Кл. Найдите силу постоянного тока. Известны заряд q и время t, а требуется найти I. Значит, применяем определение силы тока через заряд за единицу времени.
Ответ: сила тока равна 3 А. Полученное значение означает, что каждую секунду через сечение проходит заряд 3 Кл.
Задача 2. Сила постоянного тока в проводнике равна 0,5 А. Какой заряд пройдёт через его поперечное сечение за 2 мин? Здесь требуется найти q, поэтому выражаем заряд из определения силы тока. Перед вычислением переводим минуты в секунды: 2 мин = 120 с.
Ответ: через сечение пройдёт заряд 60 Кл. Проверка единиц подтверждает, что ампер, умноженный на секунду, даёт кулон.
Задача 3. Через поперечное сечение проводника за 3 с прошёл заряд 6 Кл. Найдите силу тока и укажите направление движения электронов, если ток направлен вправо. В задаче две части: сначала вычисляем силу по заряду и времени, затем применяем правило для металлического проводника. Указанная стрелка задаёт условное направление тока.
Ответ: сила тока равна 2 А, электроны движутся влево. Направление движения носителей не меняет вычисленное значение силы тока.
Считать током любое движение зарядов — значит не учитывать его упорядоченность. Ошибку допускают, замечая движение электронов, но забывая о хаотическом тепловом движении. Проверьте себя: есть ли преимущественный перенос заряда в одном направлении?
Считать, что для постоянного тока достаточно свободных зарядов и проводника, — значит путать возникновение тока с его длительным существованием. Без поддерживающего действия источника поле не сохраняется постоянно. Проверьте, замкнута ли цепь и подключён ли источник.
Направлять ток в металле так же, как электроны, — значит забывать условное соглашение о положительных зарядах. Так ошибаются, принимая движение реальных носителей за направление стрелки тока. Сверьте знаки зарядов: для электронов направления противоположны.
Подставлять минуты вместо секунд или путать силу тока с зарядом — значит использовать формулу с несогласованными величинами. Время нужно перевести в секунды, а единицы результата проверить отдельно. Помните: I измеряется в амперах, q — в кулонах, и q = It.
Чтобы понять движение носителей, нужно знать, что электрический заряд бывает положительным и отрицательным, а в веществах могут существовать свободные заряды. Понятие электрического поля объясняет, как источник воздействует на эти заряды и вызывает их упорядоченное движение. Условия существования тока понадобятся при изучении электрических цепей, а сила тока — при разборе закона Ома и расчёте работы и мощности электрического тока.
Почему хаотическое движение электронов не считается электрическим током?
При хаотическом тепловом движении электроны перемещаются в разные стороны, поэтому их общий перенос через сечение проводника в среднем равен нулю. Током называют упорядоченное движение зарядов, возникающее под действием электрического поля.
Может ли ток существовать без источника?
Кратковременное движение зарядов возможно и после отключения источника, пока сохраняются условия для него. Но для длительного тока в цепи нужен источник, который поддерживает разделение зарядов и электрическое поле.
Почему направление тока в металле противоположно движению электронов?
Направление тока условились считать направлением движения положительных зарядов. В металлах носители заряда — электроны, имеющие отрицательный заряд, поэтому они движутся против принятого направления тока.
Чем сила тока отличается от электрического заряда?
Электрический заряд q характеризует количество перенесённого электричества и измеряется в кулонах. Сила тока I показывает, какой заряд проходит через сечение проводника за единицу времени, и измеряется в амперах.
Как найти заряд, прошедший через проводник, если известны сила тока и время?
Для постоянного тока заряд вычисляют по формуле q = It. Время нужно подставлять в секундах, а результат получится в кулонах.
§ 1. Условия возникновения и существования электрического тока. Направление и сила тока
