§ 1. Условия существования электрического тока. Электрический ток в проводниках

Определения и обозначения

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Слово «упорядоченное» означает, что хаотическое движение частиц дополняется общим направленным перемещением под действием электрического поля. Ток обозначают, чтобы описывать работу электрических цепей количественно.

Носители заряда — частицы или части среды, способные перемещаться и переносить электрический заряд. В металлах это свободные электроны, в растворах — положительные и отрицательные ионы, а в ионизированном газе — ионы и электроны. От вида носителей зависят свойства проводника и направление их движения.

Сила тока I — физическая величина, равная отношению заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени t: I = q/t. Единица силы тока — ампер (А): 1 А = 1 Кл/с. Эта величина показывает не заряд отдельной частицы, а интенсивность переноса заряда всей совокупностью носителей.

Как это устроено

Внутри металла есть свободные электроны, которые участвуют в беспорядочном тепловом движении. Само по себе такое движение током не является: в разные стороны перемещается примерно одинаковое число электронов, поэтому суммарный перенос заряда через сечение равен нулю. Чтобы движение стало направленным, на заряды должно действовать электрическое поле. Поле сообщает электронам небольшую направленную скорость, которая накладывается на их хаотическое движение.

Электрическое поле в цепи создаётся источником тока, например батареей или генератором. Внутри источника происходят процессы, разделяющие заряды и поддерживающие разность потенциалов на его выводах. При подключении проводника поле распространяется по цепи, и свободные электроны начинают перемещаться согласованно. Поэтому источник не «производит» электроны в металлической цепи, а заставляет уже имеющиеся носители двигаться упорядоченно.

Цепь должна быть замкнутой, потому что заряды должны иметь непрерывный путь движения. Если в цепи есть разрыв, поле может кратковременно перераспределить заряды возле разрыва, но постоянный ток через всю цепь не поддерживается. Замыкатель или выключатель изменяет именно наличие этого пути. В замкнутой цепи источник, провода и потребитель образуют единую систему, по которой заряд движется непрерывно.

В разных веществах носители тока различны. В электролитах ионы движутся к электродам в противоположных направлениях, а в газах ток создают ионы и электроны. За положительное направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов, поэтому в металле ток направлен противоположно движению электронов. Чем больший заряд проходит через сечение за одну и ту же секунду, тем больше сила тока.

Условия существования электрического тока

Таблицу удобно использовать как проверочный алгоритм: если хотя бы одного условия нет, устойчивого тока в цепи не будет. Например, в металлическом проводнике есть свободные электроны, но при разомкнутой цепи их направленное движение не поддерживается. При решении задач сначала выясняйте, какие носители заряда участвуют в токе и что создаёт электрическое поле.

Разбор задач

Условие. Через поперечное сечение металлического проводника за время 5 мин проходит заряд 120 Кл. Найдите силу тока и определите, сколько электронов переносит этот заряд. Заряд электрона по модулю равен 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл.

Сначала нужно привести время к секундам, потому что ампер определяется как кулон в секунду. Затем используем формулу силы тока, а для подсчёта числа электронов разделим полный заряд на модуль заряда одного электрона. Знак заряда электрона здесь не нужен: число частиц находят по модулю.

1. Переведём время: t = 5 · 60 = 300 с.
2. Подставим данные в формулу I = q/t: I = 120 Кл / 300 с = 0,4 А.
3. Найдём число электронов: N = q/|e| = 120 / (1,6 · 10⁻¹⁹) = 75 · 10¹⁹ = 7,5 · 10²⁰.
4. Проверим смысл результата: за одну секунду через сечение проходит заряд 0,4 Кл, поэтому ток меньше 1 А; за 300 секунд такой заряд достигает 120 Кл.

Ответ: сила тока равна 0,4 А; через сечение за указанное время проходит примерно 7,5 · 10²⁰ электронов. Направление движения электронов противоположно условному направлению тока, но это не влияет на найденное значение силы тока.

Типичные ошибки

1. Считать хаотическое движение частиц электрическим током. Частицы в веществе могут двигаться даже без тока, но их перемещения тогда взаимно компенсируются. Проверьте, есть ли у движения общее направление и переносится ли заряд через сечение.

2. Забывать о замкнутости цепи. Наличие батареи и металлического провода ещё не гарантирует длительный ток: разрыв не даёт зарядам двигаться по полному пути. Перед вычислениями мысленно пройдите по цепи от одного вывода источника к другому и найдите возможный разрыв.

3. Путать направление тока с движением электронов. Электроны отрицательны, поэтому они движутся противоположно условному направлению тока. Чтобы проверить себя, вспомните: направление тока совпадает с движением положительных зарядов.

Связь с другими темами

Условия существования тока связывают эту тему с электрическим напряжением: источник создаёт разность потенциалов, а она характеризует способность поля перемещать заряды. Сила тока затем связывается с напряжением и сопротивлением законом Ома: I = U/R. Так появляется количественная модель участка цепи.

Движение электронов в металлах объясняет проводимость вещества и подводит к теме сопротивления. При прохождении тока энергия электрического поля превращается во внутреннюю, механическую, световую или химическую энергию. Поэтому условия тока важны для понимания работы нагревателей, двигателей, аккумуляторов и электронных устройств.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Для длительного тока нужны свободные носители заряда, электрическое поле и замкнутая цепь.
• В металлах ток создают свободные электроны.
• Условное направление тока противоположно направлению движения электронов.
• Сила тока определяется формулой I = q/t и измеряется в амперах.
• Для нахождения перенесённого заряда используют формулу q = It.