§ 2. Свободные носители заряда. Электрический ток в проводниках

Определения и обозначения

Свободные носители заряда — частицы, способные перемещаться по проводнику и переносить электрический заряд. В металлах это свободные электроны, в электролитах — положительные и отрицательные ионы, а в газах — ионы и электроны. Понятие помогает определить, какие частицы создают ток в конкретной среде.

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Для его существования нужны свободные носители и электрическое поле, которое задаёт им преимущественное направление движения. Поэтому одного наличия зарядов в веществе недостаточно.

Направление электрического тока по соглашению совпадает с направлением движения положительных зарядов. В металлах фактически перемещаются отрицательные электроны, поэтому их движение направлено противоположно току. Такое соглашение позволяет одинаково описывать ток в любых проводящих средах.

Сила тока I равна заряду q, проходящему через поперечное сечение проводника за время t: I = q/t. Единица силы тока — ампер, причём 1 А = 1 Кл/с. Формула показывает, насколько быстро через сечение переносится заряд.

Как это устроено

В металлах атомы образуют кристаллическую решётку, а внешние электроны связаны с отдельными атомами сравнительно слабо. Поэтому они могут перемещаться между узлами решётки, тогда как положительные ионы в основном лишь колеблются около своих положений. В других проводниках свободные частицы появляются иначе: молекулы электролита распадаются на ионы, а в газе нейтральные атомы и молекулы ионизируются.

Без внешнего поля свободные частицы всё равно движутся из-за теплового движения. Их скорости и направления постоянно меняются, поэтому за большое число столкновений перенос заряда в одну сторону в среднем не выделяется. Поле действует на заряженные частицы силой и немного смещает их хаотическое движение, создавая направленную составляющую скорости.

Такое сочетание хаотического и направленного движения и образует ток. Электроны металла продолжают сталкиваться с ионами решётки, но между столкновениями поле ускоряет их в определённую сторону. Для положительных зарядов эта сторона совпадает с направлением поля, а для электронов — противоположна.

Ток может существовать непрерывно, если поле постоянно поддерживается источником, например батареей. В разомкнутой цепи заряды быстро перераспределяются, после чего устойчивого движения через весь проводник не будет. Замкнутая цепь даёт зарядам непрерывный путь, а источник поддерживает разность потенциалов и электрическое поле.

Сила тока характеризует не скорость отдельной частицы, а общий перенос заряда через сечение проводника. Если за одинаковые промежутки времени проходят одинаковые заряды, ток постоянный и применима формула I = q/t. При неравномерном переносе эта формула задаёт среднюю силу тока за выбранный промежуток времени.

Носители заряда и электрический ток в разных средах

Сначала определите среду, затем найдите её свободные носители. Для отрицательных носителей направление их движения противоположно вкладу в условный ток, а для положительных совпадает с ним. В некоторых средах ток создают сразу несколько типов частиц, поэтому учитывают их общий перенос заряда.

Разбор задач

Задача 1

Через сечение проводника за 5 с прошёл заряд 10 Кл. Требуется найти силу тока. Известны полный перенесённый заряд и время, поэтому подходит определение силы тока.

1. Записываем формулу: I = q/t.
2. Подставляем данные: I = 10 Кл / 5 с = 2 Кл/с.
3. Заменяем Кл/с на единицу силы тока: I = 2 А.

Ответ: сила тока равна 2 А.

Задача 2

По металлическому проводнику течёт ток 0,8 А в течение 2 мин. Нужно определить заряд, прошедший через сечение. Сначала переводим время в секунды, потому что ампер означает кулон в секунду.

1. Переводим время: t = 2 · 60 = 120 с.
2. Выражаем заряд из формулы I = q/t: q = It.
3. Вычисляем: q = 0,8 А · 120 с = 96 Кл.

Ответ: через сечение прошёл заряд 96 Кл.

Задача 3

За 4 с через проводник прошёл заряд 3,2 Кл. Найдём число электронов и определим их направление относительно тока. Заряд каждого электрона по модулю равен |e| = 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл.

1. Число электронов равно отношению общего заряда к заряду одного электрона: N = q/|e|.
2. Подставляем: N = 3,2 / (1,6 · 10⁻¹⁹) = 2 · 10¹⁹.
3. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому движутся противоположно направлению условного тока.

Ответ: через сечение прошло 2 · 10¹⁹ электронов; их движение направлено противоположно току.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что в металле ток создают положительные ионы решётки. Их допускают, представляя ток как движение всех частиц вещества, но ионы лишь колеблются около равновесных положений. Проверьте себя: назовите частицы, которые действительно могут перемещаться на заметные расстояния.

Неверно указывать, что электроны движутся по направлению тока. Такое происходит из-за привычки связывать ток с движением любых зарядов, однако электрон отрицателен. Проверьте знак носителя: для электрона направление движения противоположно условному току.

Нельзя путать тепловое движение с током. Хаотические перемещения есть и без поля, но их средний перенос в одну сторону равен нулю. Проверка проста: спросите, появилось ли у движения общее направление под действием поля.

Ошибка в расчётах возникает, если оставить минуты вместо секунд или перепутать q и I. В формуле I = q/t заряд измеряют в кулонах, время — в секундах, а результат получают в амперах. Полезно также проверить единицы: из Кл/с должен получиться А.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления об электрическом заряде, электрическом поле и взаимодействии зарядов. Поле действует на свободные носители, а знак заряда определяет направление их движения.

Знание о носителях и силе тока используется при изучении электрических цепей и закона Ома. Позже эти понятия понадобятся для расчёта работы и мощности электрического тока.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Для возникновения тока нужны свободные носители заряда и электрическое поле.
• В металлах носителями тока являются свободные электроны.
• Направление тока условно принимают совпадающим с направлением движения положительных зарядов.
• В металле электроны движутся противоположно направлению тока.
• Сила тока равна заряду, прошедшему через сечение проводника за единицу времени: I = q/t.