§ 10. Электрический ток

Определения и обозначения

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. В металле такими частицами обычно являются электроны, а в растворах могут двигаться положительные и отрицательные ионы. Важно отличать ток от теплового движения: при нагревании частицы движутся хаотично, а при токе их перемещение имеет общее направление.

Условия существования тока — наличие свободных заряженных частиц и электрического поля. Свободные частицы могут перемещаться внутри вещества, а поле действует на них и направляет движение. Эти условия помогают понять, почему одного проводника недостаточно для появления тока.

Источник тока — устройство, которое разделяет заряды и поддерживает электрическое поле в цепи. К источникам относятся батарейка, аккумулятор, генератор электростанции. Источник не создаёт новые заряды в проводе, а заставляет уже имеющиеся заряды двигаться направленно.

Направление электрического тока условно принимают за направление движения положительно заряженных частиц. В металлическом проводнике электроны имеют отрицательный заряд и движутся в сторону, противоположную направлению тока. Такое правило позволяет одинаково обозначать направление тока в любых электрических схемах.

Как это устроено

В металлическом проводнике есть свободные электроны, поэтому он способен проводить ток. Однако без электрического поля электроны движутся под действием теплового движения беспорядочно: одни направляются вправо, другие — влево. Перемещения взаимно компенсируются, поэтому общего переноса заряда в одну сторону нет. Значит, свободные частицы сами по себе ещё не означают наличие электрического тока.

Источник тока внутри себя выполняет работу по разделению зарядов. Например, в батарейке химические процессы перемещают заряды к разным полюсам, между которыми возникает электрическое поле. После подключения проводника поле начинает действовать на свободные заряды и направляет их движение. Так источник не расходует заряды, а поддерживает условия для их движения.

Для длительного тока проводники и приборы должны образовать замкнутую электрическую цепь. В такой цепи заряды могут пройти от одного полюса источника через прибор к другому полюсу, а источник снова разделяет их. Если цепь разомкнуть, непрерывный путь исчезает, поэтому направленное движение быстро прекращается. Именно поэтому лампа гаснет при разрыве даже одного провода.

Ток можно обнаружить по его действиям. Он нагревает проводники, создаёт магнитное поле вокруг провода, вызывает химические превращения в растворах и влияет на организм человека. Причина этих явлений в том, что движущиеся заряды передают энергию веществу и окружающему пространству. По наблюдаемому результату можно определить, какой эффект проявляется сильнее.

Направление тока выбрали до того, как установили роль электронов в металлах. Поэтому за положительное направление условились считать движение положительных зарядов от положительного полюса источника к отрицательному во внешней цепи. Электроны в металлическом проводнике движутся к положительному полюсу, то есть противоположно току. Это не противоречие, а принятое единое правило для описания цепей.

Действия электрического тока и их проявления

Пользуясь таблицей, сначала найдите наблюдаемый результат, а затем свяжите его с соответствующим действием тока. В одном приборе могут проявляться сразу несколько действий, но обычно одно из них используют как основное. Например, в электромагните ток оказывает и магнитное, и тепловое действие.

Разбор задач

Направление тока в металлическом проводнике

Условие: электроны в металлическом проводнике движутся направленно от одного конца к другому. Требуется указать направление электрического тока.

1. Определим, какие частицы создают ток: это электроны, имеющие отрицательный заряд.
2. Вспомним условное правило: направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов.
3. Так как отрицательные электроны движутся противоположно положительному направлению, направление тока будет обратным движению электронов.

Ответ: электрический ток направлен от другого конца проводника к тому, откуда движутся электроны.

Лампа в разомкнутой цепи

Условие: лампа соединена с источником проводами, но один провод отсоединён. Нужно объяснить, почему лампа не светится и что изменить.

1. Проверим путь для зарядов: отсоединённый провод создаёт разрыв, поэтому цепь не является замкнутой.
2. Без полного пути заряды не могут непрерывно проходить через лампу от одного полюса источника к другому.
3. Восстановим соединение, подключив провод обратно или заменив его исправным.

Ответ: лампа не светится из-за разомкнутой цепи. Нужно восстановить непрерывное соединение всех элементов с источником.

Действия тока в сосуде с раствором

Условие: в растворе при подключении источника на электродах появляются вещества, а провода нагреваются. Требуется определить действия тока и роль источника.

1. Появление веществ на электродах означает, что в растворе происходят химические превращения, то есть наблюдается химическое действие.
2. Нагрев проводов указывает на тепловое действие тока.
3. Источник необходим, потому что он разделяет заряды и поддерживает электрическое поле, направляющее движение ионов в растворе.

Ответ: наблюдаются химическое и тепловое действия тока. Источник создаёт условия для направленного движения зарядов и поддерживает его во время опыта.

Типичные ошибки

Ошибка: считать током любое движение частиц. Её допускают, потому что частицы действительно постоянно движутся из-за нагревания, но при этом их перемещение хаотично. Проверьте себя: есть ли у движения общее направление и перенос заряда?

Ошибка: думать, что свободные заряды сами гарантируют ток. Свободные частицы могут двигаться беспорядочно, если на них не действует электрическое поле. Проверьте наличие не только проводника, но и источника или другого условия, создающего поле.

Ошибка: считать, что источник создаёт заряды в проводе. Источник разделяет уже существующие заряды и поддерживает электрическое поле, поэтому провод не наполняется новыми электронами. Проверьте формулировку: правильно говорить о разделении зарядов и передаче энергии.

Ошибка: указывать направление тока по движению электронов в металле. Электроны отрицательны, поэтому их движение противоположно условному направлению тока. Для проверки мысленно замените электроны положительными зарядами: их направление и будет направлением тока.

Связь с другими темами

До изучения тока нужно знать, что вещества состоят из частиц, а некоторые частицы и тела имеют электрический заряд. Это помогает понять, какие частицы могут переносить заряд в разных средах. Свободные заряды являются основой проводимости вещества.

Источник тока и замкнутая электрическая цепь понадобятся при изучении схем и условий работы электрических приборов. По схеме можно определить, соединены ли элементы непрерывным проводящим путём. Это позволяет заранее понять, будет ли работать лампа или другой прибор.

Действия тока связаны с последующими темами о нагревательных устройствах, электромагнитах и химическом действии электричества. Тепловой эффект используют в плитках и утюгах, магнитный — в электромагнитах. Химический эффект лежит в основе некоторых способов получения и нанесения веществ.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Для возникновения тока нужны свободные заряженные частицы и электрическое поле.
• Источник тока разделяет заряды и поддерживает электрическое поле.
• Для длительного тока цепь должна быть замкнута.
• Направление тока условно совпадает с направлением движения положительных зарядов.
• Электрический ток оказывает тепловое, магнитное, химическое и физиологическое действия.