§ 44. Электрический ток в металлах

Определения и обозначения

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Слово упорядоченное означает, что частицы в среднем перемещаются в одном направлении. Это понятие нужно, чтобы отличать ток от обычного хаотического движения частиц.

Свободные электроны — электроны в металле, которые могут перемещаться по кристаллической решётке. Они не принадлежат строго одному атому и способны переходить от одного участка металла к другому. Именно свободные электроны переносят заряд в металлических проводниках.

Электронная проводимость — способность металлов проводить ток благодаря движению свободных электронов. Чем легче эти электроны перемещаются под действием поля, тем лучше металл проводит ток. Благодаря электронной проводимости металлические провода используют в электрических цепях.

Сила тока — физическая величина, равная отношению электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения: I = q/t. Сила тока показывает, какой заряд проходит через сечение за одну секунду. Единица силы тока — ампер, обозначение А.

Как это устроено

В металле атомы образуют кристаллическую решётку и занимают в ней определённые положения. Положительные ионы колеблются около своих мест, а часть электронов отрывается от отдельных атомов и становится общей для всего кристалла. Поэтому свободные электроны могут перемещаться между ионами, хотя сама решётка сохраняет форму металлического тела.

При отсутствии электрического поля свободные электроны всё равно не покоятся. Они непрерывно движутся из-за теплового движения и сталкиваются с частицами решётки. Направления и скорости таких перемещений случайны, поэтому переходы электронов в одну сторону в среднем уравновешиваются переходами в противоположную сторону.

Когда внутри проводника появляется электрическое поле, на каждый электрон начинает действовать электрическая сила. Электрон по-прежнему участвует в хаотическом тепловом движении, но между столкновениями получает небольшое перемещение против направления поля. Так возникает преимущественный дрейф электронов и упорядоченный перенос заряда, то есть электрический ток.

Направление тока договорились считать направлением движения положительных зарядов. Электрон имеет отрицательный заряд, поэтому сила поля действует на него в сторону, противоположную направлению, принятому за направление тока. Это условное правило позволяет одинаково описывать ток в разных проводниках, даже если реальные носители заряда движутся иначе.

Свободные электроны не летят по металлу беспрепятственно. Они сталкиваются с ионами решётки, примесями и другими нарушениями её строения. При столкновениях упорядоченное движение тормозится, энергия передаётся решётке, и проводник нагревается; это проявление электрического сопротивления.

Движение свободных электронов в металле

Сначала определите, есть ли у электронов общее направление движения. Если общего направления нет, переносы заряда взаимно компенсируются и тока не возникает. При наличии поля к хаотическому движению добавляется дрейф, поэтому появляется ток, а столкновения объясняют сопротивление и нагрев.

Разбор задач

Задача 1. Хаотическое движение электронов

Условие: нужно определить, возникает ли ток в металлическом проводнике, если электроны движутся хаотично, но электрического поля нет. Даны движение частиц и отсутствие поля. Требуется отличить тепловое движение от направленного переноса заряда.

1. Хаотическое движение означает, что электроны перемещаются в разных направлениях.
2. Перемещения в одну сторону в среднем компенсируются перемещениями в противоположную сторону.
3. Так как электрического поля нет, преимущественного направления движения не появляется.

Ответ: электрический ток не возникает. Хаотическое тепловое движение электронов само по себе током не является.

Задача 2. Расчёт силы тока

Условие: за 2 минуты через поперечное сечение проводника проходит заряд 240 Кл. Нужно найти силу тока. Используем формулу I = q/t, но сначала переведём время в секунды.

1. Переведём время: t = 2 · 60 = 120 с.
2. Подставим данные в формулу: I = 240 Кл / 120 с.
3. Выполним деление: I = 2 А.

Ответ: сила тока равна 2 А. Проверка единиц показывает, что Кл/с — это ампер.

Задача 3. Число прошедших электронов

Условие: сила тока равна 0,8 А, а время прохождения заряда составляет 5 с. Заряд одного электрона по модулю равен 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл. Сначала найдём весь заряд, а затем определим, сколько электронов его перенесло.

1. Находим заряд: q = It = 0,8 А · 5 с = 4 Кл.
2. Используем связь общего заряда с числом электронов: q = Ne.
3. Выражаем число электронов: N = q/e = 4 / (1,6 · 10⁻¹⁹) = 2,5 · 10¹⁹.

Ответ: через сечение прошло 2,5 · 10¹⁹ электронов. Знак заряда электрона здесь не учитывается, потому что требуется число частиц, а берётся модуль заряда.

Типичные ошибки

Хаотическое движение считают током. Так ошибаются, потому что электроны действительно перемещаются даже без поля. Проверьте себя: есть ли у движения общее направление и ненулевой направленный перенос заряда?

Электроны направляют так же, как ток. Путают реальное движение отрицательных зарядов с условным направлением положительных. Проверьте знак заряда: в металле электроны движутся противоположно направлению тока.

Силу тока путают с зарядом. Заряд показывает количество электричества, а сила тока — скорость его прохождения через сечение. Проверьте формулу и единицы: I = q/t, а единица силы тока — ампер.

Время не переводят в секунды. Минуты или часы сразу подставляют в формулу, из-за чего ответ получается неверным. Перед расчётом проверьте, что время выражено в секундах, если заряд дан в кулонах, а ток требуется в амперах.

Связь с другими темами

Для понимания движения электронов нужны знания о строении атома и электрическом заряде. Также пригодятся представления о действии электрического поля и умение переводить единицы времени и заряда. Эти основы помогают объяснить, почему металл проводит ток.

Тема связана с электрической цепью, силой тока, напряжением и сопротивлением. В цепи поле создаётся источником, а сила тока показывает перенос заряда через сечение проводника. Поэтому модель свободных электронов помогает понимать работу всей цепи.

Движение электронов лежит в основе закона Ома и объясняет нагрев проводников. Сопротивление ограничивает ток, а выделение тепла используется в электрических приборах. Так микроскопическое движение частиц связывается с практической работой техники.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Носителями тока в металлах являются свободные электроны.
• Без электрического поля электроны движутся хаотично, поэтому направленного тока нет.
• Электрическое поле вызывает направленный дрейф свободных электронов.
• Электроны движутся противоположно условному направлению тока.
• Сила тока определяется отношением заряда ко времени: I = q/t.
• Столкновения электронов с частицами решётки вызывают сопротивление и нагрев проводника.