28. Электрический ток. Источники электрического тока

Определения и обозначения

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах перемещаются свободные электроны, а в электролитах — положительные и отрицательные ионы. Это понятие нужно, чтобы отличать ток от любого движения частиц.

Источник электрического тока — устройство, которое разделяет заряды и поддерживает такое разделение. Благодаря ему в цепи сохраняется электрическое поле, заставляющее заряды двигаться. Источник нужен для длительного существования тока, а не для создания новых зарядов.

Электрическая цепь — это источник, потребитель и соединяющие их проводники. Потребитель, например лампа, получает электрическую энергию и преобразует её в свет, тепло или другую форму энергии. Для непрерывного тока все части должны образовывать замкнутый контур.

Направление электрического тока условно принимают за направление движения положительно заряженных частиц. В металлах фактически движутся электроны, имеющие отрицательный заряд, поэтому их движение направлено противоположно принятому направлению тока. Такое правило позволяет одинаково обозначать ток в любых цепях.

Как это устроено

Чтобы возник ток, в веществе должны быть свободные заряженные частицы. Свободными называют частицы, которые могут перемещаться внутри среды, а не удерживаются около определённых атомов или молекул. Если таких носителей нет, электрическое поле не сможет обеспечить перенос заряда через вещество.

Само по себе движение частиц ещё не означает наличие тока. Например, электроны в металлическом проводнике постоянно и беспорядочно движутся из-за теплового движения, но в среднем перемещаются во все стороны одинаково. Электрическим током это движение становится тогда, когда появляется преимущественное направление, создаваемое электрическим полем.

Источник разделяет заряды и тем самым поддерживает электрическое поле в цепи. Когда цепь замыкают, поле начинает направлять свободные заряженные частицы по проводникам и через потребитель. Пока источник способен сохранять разделение зарядов, движение носителей остаётся упорядоченным и ток может продолжаться.

Для работы источника используется энергия другого вида. В батарее химические реакции обеспечивают разделение зарядов, в генераторе механическое вращение превращается в электрическую энергию, а фотоэлемент использует энергию света. Поэтому источник не производит электрические заряды, а выполняет работу по их разделению.

В разомкнутой цепи полный путь для движения зарядов прерывается. На месте разрыва быстро накапливаются заряды, и это препятствует дальнейшему устойчивому перераспределению. Поэтому лампа в такой цепи не светится, а длительный ток через весь контур не течёт.

Источники электрического тока и преобразование энергии

По таблице удобно определить, какой процесс является «входом» для источника и во что он превращается. Название источника показывает устройство, а второй столбец — происхождение получаемой электрической энергии. Примеры помогают связать общий принцип с реальными приборами.

Разбор задач

Хаотическое движение зарядов

Условие: заряженные частицы хаотически движутся в проводнике, но направленного движения нет. Нужно определить, существует ли электрический ток. Решение начинаем не с самого факта движения, а с проверки его упорядоченности.

1. Выясняем, что в проводнике есть заряженные частицы и они могут перемещаться.
2. Проверяем направление движения: частицы движутся беспорядочно, поэтому перемещения в противоположные стороны взаимно компенсируются.
3. Сравниваем ситуацию с определением тока: общего направленного движения зарядов нет.

Ответ: электрического тока нет, потому что наблюдается только хаотическое движение частиц.

Разрыв в цепи

Условие: источник соединён проводами с лампой, но один провод отсоединён. Нужно выяснить, будет ли лампа светиться. Для ответа проверяем, образуют ли элементы полный замкнутый контур.

1. В цепи есть источник, потребитель и проводники, но один участок проводящего пути прерван.
2. Из-за разрыва заряды не могут непрерывно пройти от одного вывода источника через лампу к другому выводу.
3. Без полного пути источник не поддерживает устойчивый ток через лампу, поэтому потребитель не получает необходимую энергию.

Ответ: лампа светиться не будет, поскольку цепь разомкнута и длительный ток через неё не течёт.

Батарейка и генератор

Условие: нужно сравнить батарейку и генератор по источнику энергии и роли в замкнутой цепи. Оба устройства являются источниками тока, но используют разные процессы. Сравнение проводим по двум признакам.

1. Батарейка преобразует химическую энергию реакций в электрическую, а генератор преобразует механическую энергию вращения.
2. Каждый источник разделяет заряды и поддерживает электрическое поле между своими выводами.
3. В замкнутой цепи оба источника направляют движение свободных зарядов через потребитель, благодаря чему тот работает.

Ответ: батарейка получает энергию из химических реакций, генератор — из механического движения; роль обоих состоит в поддержании разделения зарядов и тока в замкнутой цепи.

Типичные ошибки

Ошибка — считать электрическим током любое движение зарядов. Её допускают, потому что частицы действительно могут двигаться даже без подключённого источника. Проверьте себя: есть ли у движения общее преимущественное направление; если нет, это не ток.

Ошибка — думать, что для тока достаточно наличия заряженных частиц. Частицы могут быть связанными или двигаться хаотически, не создавая переноса заряда в одном направлении. Проверьте наличие свободных носителей и электрического поля, которое направляет их движение.

Ошибка — полагать, что источник производит новые заряды. Такое представление возникает из-за того, что после подключения прибора ток появляется у выводов источника. На самом деле источник разделяет уже существующие заряды и поддерживает поле, используя энергию другого вида.

Ошибка — отождествлять направление тока с направлением движения электронов в металле. Электроны отрицательны и движутся противоположно условному направлению тока. Чтобы проверить себя, вспомните правило: направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов.

Связь с другими темами

До изучения тока нужно знать, что тела и частицы могут иметь электрический заряд, а заряды взаимодействуют. Эти знания объясняют, почему электрическое поле способно влиять на движение частиц. Без представления о заряде трудно понять, что именно перемещается в цепи.

Понятия источника и электрической цепи понадобятся при изучении силы тока, напряжения и электрических схем. Сила тока описывает, сколько заряда проходит через сечение проводника за время, а напряжение связано с работой электрического поля. Поэтому понимание устройства цепи станет основой для следующих тем.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Для возникновения тока нужны свободные заряженные частицы и условия для их направленного движения.
• Источник разделяет заряды и поддерживает электрическое поле в цепи.
• Для длительного тока цепь должна быть замкнутой.
• Источники тока преобразуют другие виды энергии в электрическую.
• Направление тока условно принимают за направление движения положительных зарядов.