§ 3. Электрический ток в металлах

Определения и обозначения

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц. Для его существования нужны свободные носители заряда и электрическое поле. Эти условия объясняют, почему заряды могут перемещаться согласованно, а не просто хаотически.

Свободный электрон — электрон в металле, способный перемещаться между узлами кристаллической решётки и переносить заряд. Он не принадлежит всё время одному атому. Именно свободные электроны делают металл проводником.

Дрейфовая скорость — небольшая средняя скорость упорядоченного движения электронов под действием электрического поля. Она накладывается на гораздо более быстрое хаотическое тепловое движение. Дрейф показывает, какая часть движения создаёт ток.

Сила тока — физическая величина, равная заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени: I = q/t. Силу тока обозначают I и измеряют в амперах (А). Чем больше заряд за один и тот же промежуток времени, тем больше сила тока.

Как это устроено

В металлах внешние электроны связаны с отдельными атомами слабее, чем внутренние. При образовании кристаллической решётки такие электроны могут переходить от одного атома к другому и перемещаться по всему металлу. Поэтому в металле появляется множество свободных носителей заряда, а его проводимость называют электронной.

Без электрического поля свободные электроны не покоятся, а совершают тепловое движение. Они сталкиваются с частицами решётки и после столкновений меняют направление, поэтому движутся во все стороны. В среднем перемещения взаимно компенсируются, и через сечение не переносится заряд в каком-либо одном направлении.

Электрическое поле действует на каждый электрон силой. Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, его направленное движение происходит против направления напряжённости поля. К хаотической скорости добавляется небольшая составляющая, и возникает общий дрейф электронов, то есть электрический ток.

Дрейф электронов медленный, но это не означает медленную передачу действия выключателя. После замыкания цепи электрическое поле распространяется по проводнику и воздействует сразу на уже находящиеся в нём свободные электроны. Поэтому ток устанавливается, а лампа загорается практически сразу.

При движении электроны сталкиваются с ионами кристаллической решётки и другими частицами. Во время столкновений часть энергии упорядоченного движения передаётся решётке, усиливая колебания её частиц. Так возникает электрическое сопротивление и нагрев проводника.

Движение электронов в металлическом проводнике

Таблица помогает не смешивать тепловое и направленное движения электронов. В правом столбце указано, что поле не отменяет хаотическое движение, а добавляет к нему дрейф. Именно наличие дрейфа отличает состояние проводника с током.

Разбор задач

Направление движения электронов и тока

Условие. Металлический проводник подключён к источнику тока. Требуется определить направление движения электронов и направление электрического тока. Рассматриваем обычный участок внешней цепи, где электроны имеют отрицательный заряд.

1. Электроны отталкиваются отрицательным полюсом источника.
2. Поэтому их направленное движение идёт от отрицательного полюса к положительному.
3. Условное направление тока противоположно движению отрицательных зарядов, то есть от положительного полюса к отрицательному.

Ответ: электроны движутся от «минуса» к «плюсу», а ток направлен от «плюса» к «минусу».

Нахождение силы тока

Условие. Через поперечное сечение проводника за 2 мин проходит заряд 24 Кл. Нужно найти силу тока. В формуле I = q/t время должно быть выражено в секундах.

1. Переведём время: t = 2 · 60 = 120 с.
2. Подставим данные в определение силы тока: I = 24 Кл / 120 с.
3. Получим I = 0,2 А.

Ответ: сила тока равна 0,2 А. Перевод минут в секунды необходим, потому что ампер равен кулону, делённому на секунду.

Нахождение числа электронов

Условие. По проводнику течёт ток 1,6 А в течение 10 с. Требуется определить число электронов, прошедших через сечение. Сначала найдём весь прошедший заряд, а затем выясним, сколько элементарных зарядов в нём содержится.

1. Вычислим заряд: q = It = 1,6 · 10 = 16 Кл.
2. Разделим заряд на модуль заряда электрона: N = q/e.
3. Подставим e = 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл: N = 16 / (1,6 · 10⁻¹⁹) = 10²⁰.

Ответ: через сечение прошло 10²⁰ электронов. Знак заряда электрона здесь не используют, потому что требуется именно число частиц.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Иногда считают, что все электроны в металле движутся только в одном направлении. На самом деле без поля их тепловое движение хаотично, а направленным становится лишь небольшой дрейф. Проверка: разделите полную тепловую скорость и среднюю скорость дрейфа.

Ошибка 2. Направление движения электронов принимают за направление тока. Так происходит из-за привычки связывать ток с реальным движением частиц. Проверка: вспомните, что условное направление тока совпадает с движением положительных зарядов и противоположно движению электронов.

Ошибка 3. Скорость распространения электрического поля путают с дрейфовой скоростью электронов. Поле устанавливается быстро, а сами электроны перемещаются в среднем медленно. Проверка: спросите себя, что передаёт действие по цепи, а что переносит заряд.

Ошибка 4. В формулу I = q/t подставляют минуты или часы без перевода. Это нарушает единицы, поскольку ампер означает кулон в секунду. Проверка: перед вычислением переведите время в секунды и запишите единицы результата.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления об электрическом заряде, электрическом поле, проводниках и диэлектриках, а также о строении атома. Эти знания объясняют появление свободных носителей и действие поля на них.

Далее тема связывается с законом Ома, электрическим сопротивлением, зависимостью сопротивления от температуры и законом Джоуля—Ленца. Понимание дрейфа электронов помогает объяснить, почему проводник нагревается при прохождении тока.

На практике это используется при объяснении работы электрических цепей, проводов, нагревательных приборов и измерительных устройств. Сила тока позволяет количественно описывать перенос заряда в цепи.

Что запомнить

• Металлы проводят ток благодаря наличию свободных электронов.
• Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.
• Без электрического поля электроны движутся хаотически, и тока не возникает.
• Электрическое поле создаёт направленный дрейф электронов.
• Направление тока противоположно направлению движения электронов.
• Сила тока равна заряду, проходящему через сечение проводника за единицу времени.
• Столкновения электронов с частицами решётки вызывают сопротивление и нагрев проводника.