§ 103. Условия, необходимые для существования электрического тока

Определения и обозначения

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. В веществе частицы постоянно движутся из-за теплового движения, но обычно их перемещения направлены случайно и взаимно компенсируются. При токе у движения появляется общее направление, поэтому происходит перенос электрического заряда. Именно направленность отличает ток от обычного хаотического движения.

Носители электрического заряда — частицы, которые могут перемещаться в среде и переносить заряд. В металлах такими носителями служат свободные электроны, а в электролитах — положительные и отрицательные ионы. Если заряды связаны с частицами, которые не могут перемещаться, направленный перенос невозможен. Поэтому наличие именно подвижных носителей — первое условие возникновения тока.

Электрическое поле — особая форма материи, которая действует на заряженные частицы с силой. Оно может сообщить движению носителей преимущественное направление, хотя беспорядочное тепловое движение при этом сохраняется. Положительные и отрицательные заряды поле направляет в разные стороны. Поле необходимо, чтобы движение частиц стало упорядоченным.

Источник тока — устройство, которое разделяет положительные и отрицательные заряды и поддерживает электрическое поле в цепи. Для разделения зарядов он преобразует другие виды энергии: например, батарея использует химическую, а генератор — механическую. Источник не создаёт носители заряда в проводах, а поддерживает условия, при которых они движутся. Без него поле в цепи не сохранялось бы длительно.

Как это устроено

Одного наличия заряженных частиц недостаточно, потому что они могут быть неподвижны или двигаться без общего направления. Например, в металле есть свободные электроны, но в равновесии их хаотические перемещения в среднем компенсируются. Для тока в среде должны быть подвижные носители: связанные заряды не смогут перенести заряд на заметное расстояние. Поэтому сначала выясняют, какие частицы могут перемещаться в данном веществе.

Электрическое поле действует на каждый заряд с силой, и благодаря этому движение носителей становится преимущественно направленным. При этом частицы не летят по прямым линиям: они сталкиваются с частицами вещества и продолжают беспорядочно двигаться. Но поле постоянно смещает их движение в одну сторону, создавая направленный перенос заряда. Знак заряда определяет сторону смещения: положительные и отрицательные носители движутся противоположно.

Чтобы ток существовал длительно, поле должно сохраняться, а не исчезнуть после короткого перераспределения зарядов. Источник тока разделяет заряды и за счёт преобразования энергии поддерживает это разделение. Между его полюсами сохраняются условия, при которых в соединённых проводниках действует электрическое поле. Поэтому источник выполняет в цепи роль устройства, поддерживающего направленное движение носителей.

В обычной электрической цепи носители должны иметь непрерывный путь, по которому они могут перемещаться. Если цепь разомкнута, движение через место разрыва невозможно: заряды перераспределяются, но установившийся ток по всей цепи не течёт. Замыкание цепи соединяет её участки в непрерывный маршрут. Вместе с источником оно позволяет поддерживать длительное движение носителей.

Движение отдельных частиц обычно слишком мало и быстро, чтобы наблюдать его непосредственно. О наличии тока судят по его действиям: проводник может нагреваться, вокруг него возникает магнитное действие, а в электролите ток способен вызвать химические изменения. Эти проявления служат признаками переноса заряда. Какой именно эффект заметен, зависит от среды и условий опыта.

Условия существования электрического тока

Таблица помогает проверить цепь по четырём условиям: от наличия подвижных зарядов до замкнутого пути. При разборе ситуации спрашивай себя, чего именно не хватает для длительного тока. Например, носители могут быть в проводнике, но при разомкнутой цепи движение по всей цепи невозможно.

Разбор задач

Задача 1. В металлическом проводнике есть свободные электроны, но проводник не подключён к источнику. Существует ли в нём электрический ток? Нужно различить наличие носителей и их упорядоченное движение: это два разных условия.

1. В металле действительно есть свободные электроны, способные переносить заряд.
2. Но проводник не подключён к источнику, поэтому в нём не поддерживается поле, которое направляло бы электроны.
3. Электроны продолжают хаотически двигаться, однако их перемещения не создают общего направления переноса.

Ответ: длительного электрического тока в проводнике нет. Наличие свободных электронов само по себе ещё не означает, что они движутся упорядоченно.

Задача 2. К проводнику подключили источник тока, но цепь оставили разомкнутой. Будет ли ток длительно проходить по всей цепи? Здесь нужно проверить не только наличие источника и поля, но и наличие непрерывного пути для носителей.

1. Источник способен разделять заряды и поддерживать электрическое поле.
2. Однако в цепи есть разрыв, поэтому носители не могут двигаться по замкнутому пути через всю цепь.
3. В отдельных участках возможно кратковременное перераспределение зарядов, но оно не означает, что установился длительный ток по всей цепи.

Ответ: длительно проходить по всей разомкнутой цепи ток не будет. Чтобы ток сохранялся, цепь нужно замкнуть.

Задача 3. В замкнутой цепи с источником движутся электроны. Что создаёт поле, почему движение становится упорядоченным и как направлен ток относительно электронов? Рассуждаем от причины движения к условному обозначению направления.

1. Источник разделяет заряды и поддерживает электрическое поле в цепи.
2. Поле действует на электроны отрицательного заряда и смещает их движение в определённую сторону; беспорядочное тепловое движение при этом сохраняется.
3. Условное направление тока принято связывать с движением положительных зарядов, поэтому для электронов оно будет противоположным.

Ответ: поле поддерживает источник, а движение электронов становится направленным под действием поля. Условное направление тока противоположно движению электронов.

Типичные ошибки

Считать любое движение зарядов током. Так думают, потому что частицы действительно постоянно движутся. Но током называют не всякое движение, а упорядоченное; проверь, есть ли у перемещения зарядов общее направление.

Полагать, что свободных зарядов достаточно. Носители могут быть в веществе, но двигаться хаотически. Ошибка возникает из-за смешения возможности переноса заряда с самим переносом; проверь, действует ли поле, которое упорядочивает движение.

Считать источник поставщиком зарядов. Такое представление кажется естественным, поскольку ток появляется после подключения источника. Однако носители уже есть в проводниках, а источник разделяет заряды и поддерживает поле; спроси себя, что именно движется по проводам и что создаёт условия для этого движения.

Путать движение электронов с направлением тока. В металле электроны движутся в сторону, противоположную условному направлению тока. Путаница связана с тем, что носителями в металлах являются отрицательные частицы; для проверки вспомни, что направление тока определено как направление движения положительного заряда.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об электрическом заряде, взаимодействии зарядов и электрическом поле: они объясняют, почему на носители действует сила. Источник тока связан с преобразованием энергии; эта идея понадобится при изучении ЭДС и напряжения. Условия существования тока помогают разбираться в электрических цепях и понимать, от чего зависит сила тока. Позже эти знания пригодятся при изучении закона Ома.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение зарядов.
• Для тока нужны свободные носители заряда.
• Направленное движение носителей вызывает электрическое поле.
• Источник тока поддерживает разделение зарядов и электрическое поле.
• Для длительного тока в цепи обычно необходим замкнутый путь.
• Условное направление тока в металле противоположно движению электронов.