"Физика (базовый уровень)", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А., Чаругин В.М.
Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц в веществе или вакууме. Чтобы ток возник и сохранялся, нужны свободные носители заряда, электрическое поле и замкнутый путь для их движения. Источник тока разделяет заряды и поддерживает поле, компенсируя его ослабление. Силу тока определяют по заряду, проходящему через сечение проводника за единицу времени.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В отличие от хаотического движения частиц, ток имеет преимущественное направление. Ток характеризуется силой тока, то есть показывает, насколько интенсивно переносится заряд.
Носители электрического заряда — частицы, которые могут перемещаться в веществе и переносить заряд. В металлах такими носителями являются свободные электроны, а в электролитах — положительные и отрицательные ионы. От вида носителей зависят свойства проводника и направление движения частиц.
Сила тока — физическая величина, равная заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени. Её обозначают I и вычисляют по формуле I = q/t, где q — заряд, а t — время. Эта величина нужна, чтобы количественно сравнивать разные токи.
Источник тока — устройство, которое разделяет заряды и поддерживает электрическое поле, необходимое для длительного существования тока. К источникам относятся батарейки, аккумуляторы и генераторы. Без источника поле быстро ослабевает, поэтому устойчивое движение зарядов прекращается.
Для возникновения тока в среде должны быть свободные носители заряда. Если частицы связаны с атомами и не могут перемещаться, перенос заряда невозможен. Например, в металле свободные электроны уже есть, а в электролите подвижными становятся ионы.
Одного наличия носителей недостаточно, потому что без внешнего воздействия они движутся хаотически. Электрическое поле действует на заряженные частицы с силой, зависящей от их заряда, и задаёт преимущественное направление движения. Поэтому беспорядочное движение превращается в направленный перенос заряда.
При движении зарядов поле постепенно ослабевает из-за перераспределения и разделения зарядов. Если ничего не компенсирует это изменение, направленное движение скоро прекращается. Источник тока совершает работу по разделению зарядов и тем самым поддерживает поле в цепи.
В замкнутой электрической цепи источник обеспечивает движение зарядов по всему контуру, поэтому ток может существовать длительное время. При размыкании цепи непрерывный путь исчезает, и заряды не могут проходить через все участки цепи. Направление тока условно принимают за направление движения положительно заряженных частиц, хотя электроны в металлах движутся противоположно.
Таблица помогает проверять условия возникновения тока по порядку: сначала ищут носители заряда, затем поле и источник, а для длительного тока — замкнутый контур. В последнем столбце приведены типичные ситуации, с которыми удобно сравнивать условие задачи.
| Условие | Зачем необходимо | Пример |
|---|---|---|
| Наличие свободных носителей заряда | Они могут перемещаться и переносить заряд | Свободные электроны в металле, ионы в электролите |
| Наличие электрического поля | Оно направляет движение заряженных частиц | Поле в проводнике, подключённом к источнику |
| Поддержание поля источником тока | Источник восполняет разделение зарядов | Батарейка или аккумулятор |
| Замкнутая электрическая цепь для длительного тока | Обеспечивает непрерывный путь по всему контуру | Лампа с замкнутым выключателем |
В металлической проволоке есть свободные электроны, но к её концам не подключён источник. Требуется определить, будет ли в ней длительный электрический ток. Наличие подвижных зарядов нужно отделить от наличия причины их направленного движения.
Ответ: длительного электрического тока не будет. Свободные электроны сами по себе не являются достаточным условием. Нужны также электрическое поле и источник, поддерживающий его.
К лампе подключили источник, но в цепи оставили разомкнутый выключатель. Нужно объяснить, почему лампа не горит. Источник может создавать поле, однако цепь должна предоставлять зарядам непрерывный путь.
Ответ: лампа не горит из-за разомкнутой цепи. Чтобы ток стал длительным, выключатель нужно замкнуть. Тогда источник сможет поддерживать движение зарядов по всему контуру.
Сравним ток в металлическом проводнике и в растворе электролита. В обоих случаях нужно указать носители заряда и роль источника. Рассуждение строится по одним и тем же общим условиям.
Ответ: различаются носители, но условия тока одинаковы. В металле движутся электроны, в электролите — ионы. Источник нужен в обоих случаях для поддержания электрического поля.
Считать, что свободные заряды сами по себе создают ток, — ошибка. Её допускают, потому что путают возможность движения с направленным движением. Проверьте себя: если поля нет, частицы движутся хаотически, а не согласованно.
Нельзя считать, что поле в проводнике поддерживается без источника. Поле ослабевает при перераспределении зарядов, а источник восполняет это разделение. Проверка проста: мысленно уберите батарейку и спросите, что будет поддерживать поле.
Движение электронов в металле не совпадает с принятым направлением тока. Ошибка возникает из-за того, что электроны отрицательны. Учитывайте условное правило: ток направлен так, как двигались бы положительные заряды.
Разомкнутая цепь не обеспечивает длительный ток. Иногда полагают, что источник продолжает гонять заряды через разрыв, но непрерывного контура нет. Проверьте наличие полного пути от одного вывода источника через элементы к другому выводу.
Для понимания темы нужны знания о взаимодействии электрических зарядов и об электрическом поле, действующем на заряженные частицы. Она также опирается на строение вещества: в металлах ток создают свободные электроны, а в электролитах — ионы. Условия существования тока понадобятся при изучении электрических цепей, закона Ома и работы источников тока.
Почему свободные электроны в металле не всегда создают электрический ток?
Свободные электроны в металле постоянно движутся хаотически, но такое движение не является током. Для направленного движения необходимо электрическое поле, создаваемое, например, источником тока.
Что заставляет заряженные частицы двигаться упорядоченно?
На заряженные частицы действует электрическое поле. Под его действием их хаотическое движение получает преимущественное направление, и возникает электрический ток.
Зачем в электрической цепи нужен источник тока?
Источник тока разделяет заряды и поддерживает электрическое поле в цепи. Благодаря этому заряды могут длительное время двигаться направленно.
Почему ток прекращается, если разомкнуть цепь?
При размыкании цепи исчезает непрерывный путь для движения зарядов по всему контуру. Поэтому длительное направленное движение прекращается, даже если источник и носители заряда остаются.
Почему направление тока противоположно движению электронов в металле?
Направление тока условно определяют как направление движения положительных зарядов. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому в электрическом поле движутся противоположно принятому направлению тока.
§ 2. Условия существования электрического тока
