§ 1. Электрический ток

Определения и обозначения

Электрический ток — направленное, или упорядоченное, движение электрически заряженных частиц. Переносить заряд могут свободные электроны, положительные и отрицательные ионы, а в некоторых средах — другие заряженные частицы. Это определение помогает отличить ток от любого другого движения частиц: важно не только то, что заряды перемещаются, но и то, что их движение имеет общее направление.

Сила тока — физическая величина, показывающая, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Её обозначают I, а для постоянного тока вычисляют по формуле I = q/t, где q — прошедший заряд, t — время. В СИ силу тока измеряют в амперах (А); 1 А = 1 Кл/с. Эта величина позволяет сравнивать токи по количеству заряда, переносимого за секунду.

Источник тока — устройство, которое разделяет электрические заряды и поддерживает электрическое поле, необходимое для длительного существования тока. В результате разделения возникает разность потенциалов между частями источника. Это понятие объясняет, почему одного проводника недостаточно: цепи требуется устройство, способное поддерживать направленное движение зарядов.

Условное направление тока — направление движения положительных зарядов. В металлических проводниках свободно перемещаются электроны, а их заряд отрицателен, поэтому под действием поля они движутся в сторону, противоположную принятому направлению тока. Такое соглашение позволяет одинаково описывать токи в металлах и в средах, где заряд могут переносить положительные частицы.

Как это устроено

В веществе заряженные частицы обычно совершают тепловое движение: сталкиваются, меняют направление и движутся беспорядочно. Даже если они быстро перемещаются, в среднем число частиц, проходящих через сечение в одну сторону, компенсируется числом частиц, движущихся обратно. Поэтому суммарного переноса заряда в определённом направлении нет. Ток появляется не от самого движения, а от его упорядоченной составляющей.

Чтобы заряды двигались направленно, в среде должны быть частицы, которые могут перемещаться, и электрическое поле. Поле действует на заряженные частицы силой: положительные носители движутся по направлению поля, а отрицательные — против него. Тепловые столкновения при этом не исчезают, но к беспорядочному движению добавляется небольшое направленное перемещение. Если свободных носителей нет или поле не создано, устойчивого электрического тока не будет.

Источник тока нужен потому, что заряды в проводнике не могут сами по себе долго оставаться разделёнными: под действием взаимодействия они стремятся перераспределиться. Источник выполняет работу по разделению зарядов и поддерживает между своими полюсами разность потенциалов. Когда цепь замкнута, электрическое поле действует на заряды в проводниках и направляет их движение. Так источник поддерживает условия, при которых ток существует длительное время, а не возникает лишь кратковременно.

Сила тока зависит от того, сколько заряда проходит через выбранное поперечное сечение за определённое время. Если за время t проходит заряд q, то для постоянного тока I = q/t; больше заряда за тот же промежуток означает большую силу тока. Например, при q = 12 Кл и t = 4 с отношение равно 3 Кл/с, то есть 3 А. Формула также позволяет найти заряд: q = It, если известны сила тока и время.

Направление тока договорились определять по движению положительных зарядов ещё до того, как стало известно, что в металлах заряд переносят электроны. Соглашение сохранили, чтобы пользоваться единым правилом для разных проводящих сред. В металлическом проводнике электроны имеют отрицательный заряд и перемещаются против направления электрического поля, тогда как условное направление тока совпадает с направлением поля. Поэтому два направления в металле противоположны, хотя относятся к одному и тому же переносу заряда.

Основные характеристики электрического тока

Таблица помогает быстро определить, какие величины нужны для расчёта силы тока, и проверить их единицы. Для решения задачи найдите среди данных q и t, затем примените I = q/t. Строка об условиях существования тока напоминает, что одной формулы недостаточно для объяснения самого явления.

Разбор задач

1. Направленное движение электронов

Условие. Определить, является ли направленное движение электронов в металлическом проводнике электрическим током. Здесь не требуется вычислять величину: нужно применить определение и выяснить, движутся ли заряженные частицы упорядоченно. Электроны имеют электрический заряд, а в условии задано направленное движение.

1. Уточняем, что движущиеся электроны являются носителями электрического заряда.
2. Сравниваем условие с определением: движение направленное, а не только хаотическое тепловое.
3. Следовательно, такое движение отвечает определению электрического тока.

Ответ. Да, направленное движение электронов в проводнике является электрическим током. Чтобы отличить его от хаотического теплового движения, проверяют наличие упорядоченной составляющей.

2. Сила тока по заряду и времени

Условие. За 4 с через поперечное сечение проводника прошёл заряд 12 Кл. Требуется найти силу тока. Из условия известны обе величины, которые входят в формулу для силы тока, поэтому сначала выбираем отношение заряда ко времени, а затем подставляем данные.

1. Записываем формулу: I = q/t.
2. Подставляем значения: I = 12 Кл/4 с = 3 Кл/с.
3. Используем равенство 1 Кл/с = 1 А, поэтому получаем I = 3 А.

Ответ. Сила тока равна 3 А. Проверка единиц подтверждает результат: заряд разделили на время, и получили кулоны в секунду, то есть амперы.

3. Направление условного тока

Условие. В металлическом проводнике электроны движутся слева направо. Нужно указать направление условного тока и объяснить его. Здесь нельзя просто назвать направление движения частиц: сначала следует установить знак носителей заряда, а затем применить принятое правило.

1. Определяем носители: в металле ток переносят свободные электроны.
2. Электроны отрицательны, поэтому их направление движения противоположно условному направлению тока.
3. Если электроны движутся слева направо, то условный ток направлен справа налево.

Ответ. Условный ток направлен справа налево. Таково направление движения положительных зарядов, принятое за направление тока.

Типичные ошибки

• Считать током любое движение заряженных частиц — значит не отличать тепловое движение от упорядоченного. Эту ошибку допускают, потому что частицы действительно перемещаются даже без включённой цепи. Проверьте себя: если их движения в среднем взаимно компенсируются, направленного переноса заряда нет.

• Полагать, что для тока достаточно свободных зарядов, — значит забывать о причине их направленного движения. Носители могут двигаться хаотически, если на них не действует поле. Перед выводом о наличии тока проверьте оба условия: свободные частицы и электрическое поле.

• Путать движение электронов с условным направлением тока легко, потому что именно электроны перемещаются в металле. Но они отрицательны, а направление тока определено как направление движения положительных зарядов. Для самопроверки укажите знак носителя: в металле направление электронов и тока противоположно.

• Вычислять силу тока как произведение заряда на время — значит неверно читать её определение. Произведение q и t не показывает, сколько заряда проходит за единицу времени. Проверьте формулу и размерность: I = q/t, а Кл/с соответствует амперу.

Связь с другими темами

Для понимания тока нужно знать, что тела и частицы могут иметь электрический заряд, заряды взаимодействуют, а электрическое поле действует на них. Эти представления объясняют, почему носители могут двигаться направленно и какую роль в этом играет поле. Далее понятия силы тока и его направления понадобятся при изучении электрических цепей, закона Ома и действия тока. Например, без них нельзя корректно связывать характеристики цепи и описывать, куда направлен ток.

Что запомнить

• Электрический ток — направленное движение заряженных частиц.
• Для существования тока необходимы свободные носители заряда и электрическое поле.
• Источник тока разделяет заряды и поддерживает электрическое поле в цепи.
• Сила тока определяется отношением заряда ко времени: I = q/t.
• Единица силы тока в СИ — ампер.
• Направление тока условно совпадает с направлением движения положительных зарядов.