32. Электрическая цепь. Направление электрического тока

Определения и обозначения

Электрическая цепь — замкнутая система соединённых элементов, по которой может проходить электрический ток. Проще говоря, это непрерывный путь для движения зарядов от одного полюса источника к другому и обратно через источник. Понятие цепи помогает выяснить, почему одного наличия провода и лампы недостаточно: элементы должны образовать замкнутый контур.

Источник тока — устройство, создающее и поддерживающее электрическое поле, необходимое для упорядоченного движения зарядов в цепи. Примеры источников — батарейка и аккумулятор. Именно источник обеспечивает условия для движения зарядов, поэтому без него цепь не сможет долго работать.

Потребитель электрической энергии — элемент цепи, в котором электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии, например в тепло или свет. Лампа светится, а нагреватель нагревается благодаря такому преобразованию. Это понятие помогает различать источник, который поддерживает движение зарядов, и устройство, которое использует энергию цепи.

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. В металлической проволоке такими частицами служат электроны. Условное направление тока на внешнем участке показывают от положительного полюса источника к отрицательному; это обозначение нужно, чтобы одинаково читать схемы, даже если реальные носители заряда движутся иначе.

Как это устроено

Чтобы ток существовал длительное время, цепь должна быть замкнутой. В замкнутом контуре заряды могут непрерывно перемещаться по всем его участкам, а источник поддерживает условия для этого движения. Если хотя бы в одном месте появляется разрыв, например выключатель размыкают, путь становится незавершённым и упорядоченное движение зарядов по цепи прекращается.

Источник тока разделяет заряды и поддерживает электрическое поле в цепи. Разделение создаёт на полюсах источника разные электрические состояния: один полюс положительный, другой отрицательный. Поле действует на заряженные частицы в проводах и приводит их в упорядоченное движение; без такой поддержки заряды быстро перестали бы двигаться согласованно, и устойчивого тока не было бы.

В простой цепи источник, потребитель и соединительные провода выполняют разные функции. Источник поддерживает поле, провода обеспечивают путь для движения зарядов, а потребитель преобразует электрическую энергию, например в свет и тепло. Выключатель позволяет управлять цепью: когда его контакты соединены, контур замкнут, а когда разъединены — в контуре появляется разрыв.

Направление тока принято считать от положительного полюса источника к отрицательному по внешней цепи. Это исторически установленное условное направление, а не утверждение о том, что именно так движутся электроны. В металлических проводниках электроны имеют отрицательный заряд и движутся в противоположную сторону — от отрицательного полюса к положительному.

На схемах элементы цепи изображают условными обозначениями, а не подробными рисунками приборов. Такие значки проще начертить и легче сравнивать, поэтому главное на схеме — не внешний вид элементов, а их соединение. Стрелка показывает принятое направление тока на выбранном участке; чтобы не ошибиться, сначала находят положительный и отрицательный полюса источника.

Элементы простой электрической цепи и их роль

Пользуясь таблицей, сначала определите назначение каждого элемента, а затем найдите его обозначение на схеме. Последний столбец показывает, что разрыв в любом месте последовательного контура мешает току проходить через все элементы. Поэтому при поиске причины, по которой прибор не работает, проверяют не только сам потребитель, но и весь путь цепи.

Разбор задач

Задача 1. Нарисуйте схему цепи из источника тока, лампы, выключателя и соединительных проводов; укажите направление тока во внешней части цепи.

1. Сначала выясним, какие элементы нужно включить: источник, лампу и выключатель. Соединим их проводами в один замкнутый контур, чтобы конец каждого элемента переходил к следующему, а путь возвращался к источнику. Выключатель на схеме должен быть замкнут, иначе лампа не загорится.
2. Затем найдём положительный и отрицательный полюса источника. По внешней части контура проведём стрелку от положительного полюса через провода, выключатель и лампу к отрицательному. Внутри источника направление стрелки таким же образом не указывают.

Ответ: элементы изображают условными знаками, соединёнными в замкнутый контур; стрелка во внешней цепи направлена от «плюса» источника к «минусу».

Задача 2. В цепи с лампой и источником разомкнули выключатель. Объясните, почему лампа перестала светиться.

1. Определим состояние контура: разомкнутый выключатель означает, что его контакты не соединены и между ними есть разрыв. Значит, непрерывного пути от одного полюса источника через лампу к другому полюсу больше нет.
2. Без замкнутого пути заряды не движутся упорядоченно по всей цепи. Поэтому через лампу не проходит ток, и она перестаёт получать электрическую энергию, необходимую для свечения.

Ответ: лампа погасла, потому что размыкание выключателя нарушило замкнутость цепи и ток прекратился.

Задача 3. Электроны в металлическом проводе движутся от отрицательного полюса источника к положительному. Укажите условное направление тока и объясните, совпадают ли эти направления.

1. Вспомним условное правило: во внешней части цепи ток направлен от положительного полюса источника к отрицательному. Поэтому для провода нужно определить, какой его конец ближе к каждому полюсу, и провести стрелку тока от «плюса» к «минусу».
2. Сравним стрелку с движением электронов. Электроны перемещаются от отрицательного полюса к положительному, то есть в противоположную сторону. Это связано с их отрицательным зарядом и условным выбором направления тока, а не с ошибкой в описании движения.

Ответ: условное направление тока — от положительного полюса к отрицательному; оно противоположно движению электронов в металле.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что для тока достаточно подключить потребитель к одному полюсу источника. Так думают, когда представляют ток как движение зарядов только в одном проводе, но для длительного тока нужен замкнутый путь. Проверьте себя: можно ли проследить непрерывный контур через источник и потребитель обратно к источнику? Если нет, цепь разомкнута.

Ошибка: путать условное направление тока с движением электронов в металле. Их направление противоположно, потому что ток условно указывают так, как двигались бы положительные заряды. Чтобы проверить ответ, отдельно назовите направление стрелки тока и направление движения электронов, не подменяя одно другим.

Ошибка: полагать, что выключатель разрывает цепь только рядом с собой. Его положение в контуре не меняет того, что размыкание любого участка последовательной цепи нарушает общий путь. Проверьте себя: если в замкнутом контуре убрать хотя бы один соединительный участок, останется ли непрерывный путь для зарядов? Нет, поэтому ток прекратится во всех элементах.

Ошибка: считать соединительные провода источником энергии. Поскольку по проводам идёт ток, их иногда принимают за то, что «питает» прибор, но провода лишь соединяют элементы и обеспечивают путь для зарядов. Самопроверка проста: найдите на схеме элемент, который поддерживает электрическое поле; это источник, а не провод.

Связь с другими темами

Для понимания электрической цепи нужно знать, что тела состоят из заряженных частиц, и различать положительные и отрицательные заряды. Эти знания помогают понять, почему источник разделяет заряды и почему электроны движутся не так, как принято указывать направление тока. В дальнейшем понятие цепи понадобится при изучении силы тока, напряжения и электрического сопротивления. Оно также нужно, чтобы понимать расчёты цепей и разбираться, как их элементы соединены.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Для длительного существования тока цепь должна быть замкнутой.
• Источник тока поддерживает электрическое поле в цепи.
• Потребитель преобразует электрическую энергию в другие виды энергии.
• Условное направление тока во внешней цепи принято от положительного полюса источника к отрицательному.
• В металлических проводниках электроны движутся против условного направления тока.
• Элементы цепи на схемах показывают условными обозначениями.