"Физика", Грачёв А.В.,Погожев В.А., Вишнякова Е.А.
Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Чтобы он возник, нужны свободные носители заряда и электрическое поле, направляющее их движение. Источник тока разделяет заряды и поддерживает разность потенциалов, а замкнутая цепь создаёт непрерывный путь для зарядов. В параграфе разобраны элементы цепи, их условные обозначения и принятое направление тока.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах заряд переносят свободные электроны, а в электролитах — положительные и отрицательные ионы. Это понятие нужно, чтобы отличать направленное движение зарядов от их беспорядочного движения.
Источник тока — устройство, в котором разделяются электрические заряды и поддерживается разность потенциалов, необходимая для тока. К источникам относятся, например, батарейка и аккумулятор. Источник создаёт условия, при которых свободные заряды могут двигаться по цепи.
Электрическая цепь — соединённые проводниками источник тока и другие элементы, по которым может проходить ток. В простейшую цепь входят источник, провода, ключ и потребитель. Такое определение помогает понять, что отдельный прибор без соединённого пути не образует работающую цепь.
Электрическая схема — условное изображение цепи с помощью общепринятых обозначений её элементов. На схеме не передают настоящий вид приборов, а показывают их функции и соединения. Поэтому по схеме легко проверить, замкнута ли цепь и как связаны её части.
В веществе могут присутствовать заряженные частицы, но это ещё не означает наличие тока. Например, свободные электроны в металлическом проводнике непрерывно движутся хаотично: одни — в одну сторону, другие — в противоположную. В среднем такой обмен не создаёт общего переноса заряда. Ток появляется, когда движение частиц становится преимущественно направленным.
Источник тока совершает работу по разделению зарядов: на одном полюсе накапливается избыток электронов, а на другом возникает их недостаток. Из-за этого между полюсами поддерживается разность потенциалов, то есть способность создавать электрическое поле. В проводнике поле действует на свободные заряды и придаёт их движению определённое направление. Без источника разделение зарядов постепенно исчезло бы, и направленное движение прекратилось.
Для длительного тока нужен замкнутый путь от одного полюса источника к другому через внешние элементы. Тогда заряды могут непрерывно перемещаться по проводам и потребителю, а источник снова разделяет их внутри себя. Если цепь разомкнуть, путь движения прерывается. Поэтому ток в разомкнутой цепи прекращается, даже если в проводах по-прежнему есть свободные электроны.
Рассмотрим цепь из батарейки, проводов, ключа и лампы. Батарейка создаёт разность потенциалов, провода соединяют элементы, ключ управляет замыканием цепи, а лампа преобразует электрическую энергию в свет и тепло. В замкнутой цепи ток проходит от положительного полюса источника по внешним проводам через лампу к отрицательному полюсу. Электроны в металлических проводах движутся при этом от отрицательного полюса к положительному, то есть противоположно условному направлению тока.
| Элемент | Как обозначают на схеме | Назначение |
|---|---|---|
| Источник тока | Соответствующим условным знаком | Поддерживает разделение зарядов и создаёт условия для тока |
| Соединительные провода | Линиями | Соединяют элементы и обеспечивают путь для зарядов |
| Ключ | Условным знаком ключа | Замыкает и размыкает цепь |
| Потребитель | Условным знаком соответствующего прибора | Преобразует электрическую энергию в другие виды |
При чтении схемы сначала найдите источник тока, затем проследите линию проводов через остальные элементы. Проверьте, образуется ли непрерывный замкнутый путь между полюсами источника. Если ключ разомкнут или в соединении есть разрыв, потребитель работать не будет.
Условие. В металлическом проводнике есть свободные электроны. Можно ли утверждать, что в нём уже идёт электрический ток? Объясните ответ.
Ответ: утверждать этого нельзя. Ток возникнет только при направленном движении свободных электронов.
Условие. Нарисуйте схему цепи из источника тока, лампы и ключа, соединённых проводами. Покажите состояние цепи, при котором лампа горит.
Ответ: лампа горит в схеме с замкнутым ключом и непрерывными соединительными проводами.
Условие. В замкнутой цепи электроны движутся от отрицательного полюса источника к положительному. Укажите направление тока во внешней цепи и объясните, что произойдёт после размыкания ключа.
Ответ: ток направлен от положительного полюса к отрицательному; после размыкания ключа ток прекращается, и лампа гаснет.
«Любые заряды — это ток». Ошибка возникает из-за смешения понятия заряда и его движения. Проверьте себя: спросите, движутся ли частицы упорядоченно в одном преимущественном направлении.
«Свободных зарядов уже достаточно». В металле такие заряды есть постоянно, но без электрического поля они движутся хаотично. Проверьте наличие не только носителей, но и источника, создающего направленное движение.
«В разомкнутой цепи ток продолжается». Иногда путают кратковременное перераспределение зарядов с длительным током. Проверьте, есть ли непрерывный путь между полюсами источника: при разрыве устойчивый ток прекращается.
«Ток и электроны движутся одинаково». Так думают, забывая, что направление тока выбрано условно для положительных зарядов. В металле сравните стрелки: ток идёт от плюса к минусу, электроны — от минуса к плюсу.
Для понимания электрического тока нужно знать, что вещества состоят из частиц, а некоторые частицы имеют электрический заряд. Свободные носители заряда могут перемещаться внутри вещества.
Понятия заряда и взаимодействия зарядов помогают объяснить работу источника тока. Разделение зарядов создаёт электрическое поле, действующее на свободные частицы.
Эта тема служит основой для изучения силы тока, напряжения и сопротивления. Позже с их помощью можно будет рассчитывать параметры электрических цепей.
Почему одних свободных электронов недостаточно для возникновения тока?
Свободные электроны в металле движутся беспорядочно, поэтому их движения в разных направлениях в среднем компенсируют друг друга. Током становится только их направленное, упорядоченное движение, которое возникает под действием электрического поля.
Какую роль в электрической цепи выполняет источник тока?
Источник тока разделяет положительные и отрицательные заряды и поддерживает разность потенциалов между своими полюсами. Благодаря этому во внешней цепи возникает электрическое поле, направляющее свободные заряды.
Почему ток прекращается, если разомкнуть цепь?
При размыкании цепи путь для движения зарядов становится прерывистым. Поэтому устойчивое направленное движение прекращается, а потребитель перестаёт работать.
В каком направлении движется ток во внешней цепи?
По соглашению направление тока во внешней цепи считают направлением движения положительных зарядов: от положительного полюса источника к отрицательному. Это условное направление используют при изображении и расчёте цепей.
Почему направление тока в металле противоположно движению электронов?
Электроны имеют отрицательный заряд и движутся во внешней цепи от отрицательного полюса к положительному. Направление тока исторически определено как направление движения положительных зарядов, поэтому оно противоположно движению электронов.
§ 43. Электрический ток. Условия его возникновения. Электрическая цепь
