§ 46. Электрический ток

Определения и обозначения

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Его носителями могут быть электроны, ионы и другие заряженные частицы. Это определение помогает отличить ток от обычного движения частиц внутри вещества.

Носители электрического заряда — частицы, движение которых образует ток: электроны, ионы или другие заряженные частицы. В металлах такими носителями обычно служат свободные электроны, а в растворах — положительные и отрицательные ионы. Знание носителей позволяет понять, что происходит в разных проводниках.

Направление электрического тока — направление движения положительно заряженных частиц, принятое за направление тока. Если движутся отрицательные частицы, направление тока считают противоположным их движению. Такое правило нужно, чтобы одинаково описывать ток в любых цепях.

Источник электрического тока — устройство, создающее и поддерживающее электрическое поле и обеспечивающее движение зарядов в цепи. К источникам относятся, например, батарейка и аккумулятор. Без источника заряды вскоре перестали бы двигаться направленно.

Как это устроено

В веществе заряженные частицы постоянно движутся из-за теплового движения. Оно беспорядочно: частицы летят в разные стороны, сталкиваются, меняют скорость, поэтому общего переноса заряда в одном направлении нет. Когда появляется электрическое поле, на заряженную частицу действует электрическая сила, и к хаотическому движению добавляется направленное перемещение.

Свободные заряженные частицы в проводнике могут перемещаться между атомами или молекулами. Электрическое поле действует на них одновременно во всём участке цепи, поэтому их движение приобретает преимущественное направление. У электронов направление перемещения противоположно полю, а у положительных зарядов совпадает с ним.

Для тока нужны сразу три условия: свободные носители заряда, электрическое поле и замкнутая цепь. Если нет свободных частиц, поле не сможет переносить заряд; если нет поля, движение останется беспорядочным. Даже при наличии носителей и поля разрыв цепи не позволяет зарядам двигаться по полному пути.

Источник тока разделяет заряды и поддерживает их разность на своих полюсах, создавая электрическое поле в цепи. Внутри источника за счёт других видов энергии заряды перемещаются против действующих электрических сил, а во внешней цепи они движутся направленно. После размыкания пути для непрерывного движения нет, поэтому ток прекращается.

Присутствие тока выявляют по его действиям. Проводник может нагреваться, ток создаёт магнитное поле, в растворах вызывает химические превращения, а при прохождении через организм оказывает физиологическое воздействие. Конкретное действие зависит от вещества, силы тока и условий опыта, поэтому отсутствие одного эффекта не всегда означает отсутствие тока.

Действия электрического тока

В таблице указано, какой результат вызывает ток и по какому признаку его можно заметить. Пример помогает связать общее действие с привычным устройством или опытом. Для проверки выбирают наблюдаемый признак, но учитывают, что не каждое действие проявляется одновременно.

Разбор задач

1. Движение электронов в металлическом проводнике

Условие. В металлическом проводнике электроны сначала движутся беспорядочно, а затем под действием электрического поля получают направленное перемещение. Нужно определить, возникает ли ток в каждом случае. Главное — проверить не только наличие зарядов, но и характер их движения.

1. Электроны в металле являются свободными носителями заряда.
2. При хаотическом тепловом движении отдельные электроны перемещаются, но их движения в разных направлениях взаимно компенсируются.
3. Под действием электрического поля появляется общий дрейф электронов в одну сторону.

Ответ. При одном только беспорядочном движении электрического тока не возникает. При направленном движении электронов под действием поля ток есть.

2. Направления движения электронов и тока

Условие. Металлический проводник подключён к источнику, поэтому свободные электроны движутся от отрицательного полюса к положительному. Требуется сравнить это направление с направлением электрического тока. Нужно учесть знак заряда электрона.

1. Электрон имеет отрицательный заряд, поэтому электрическая сила направляет его противоположно направлению, принятому для положительных зарядов.
2. За направление тока условно берут движение положительных зарядов во внешней цепи.
3. Следовательно, движение электронов направлено от отрицательного полюса к положительному, а ток — от положительного полюса к отрицательному.

Ответ. В металлическом проводнике направления движения электронов и тока противоположны. Это не противоречие, а результат принятого определения направления тока.

3. Разомкнутая цепь и лампа

Условие. Лампа включена в цепь с источником, но выключатель разомкнут, поэтому лампа не светится. Нужно объяснить причину и назвать условия, которые необходимо восстановить. Рассуждаем по всем элементам существования тока.

1. В металлических проводах и нити лампы есть свободные электроны.
2. Источник тока способен создавать электрическое поле, но разомкнутый выключатель прерывает путь зарядов.
3. После замыкания цепи появляется непрерывный путь, поле вызывает направленное движение электронов, и нить нагревается до свечения.

Ответ. При разомкнутом выключателе тока в цепи нет, поэтому лампа не светится. Нужно сохранить источник, свободные носители и электрическое поле, а также замкнуть цепь.

Типичные ошибки

Любое движение зарядов считают током. Ошибка появляется потому, что частицы действительно перемещаются даже без подключения источника. Проверка проста: нужно спросить, есть ли у движения общее направление, а не только отдельные хаотические перемещения.

Путают направление тока с движением электронов. Причина — электрон часто представляют главным переносчиком заряда в металле и переносят его направление на ток. Проверьте знак заряда: для отрицательных электронов направление тока противоположно их движению.

Считают достаточными проводник и свободные электроны. В проводнике носители могут двигаться беспорядочно, если электрическое поле не создано источником. Самопроверка: назовите все три условия — носители, поле и замкнутая цепь.

Делают вывод о токе только по одному действию. Например, химическое действие невозможно увидеть в металлической цепи, а слабый нагрев может быть незаметен. Нужно учитывать условия опыта и проверять другие доступные признаки, не нарушая правил безопасности.

Связь с другими темами

До изучения тока нужны представления об электрическом заряде, положительных и отрицательных частицах, проводниках, изоляторах и электрическом поле. Эти понятия объясняют, какие частицы могут перемещаться и почему поле задаёт им направление.

Дальше электрический ток описывают количественно с помощью силы тока, напряжения и сопротивления. Законы электрической цепи связывают эти величины и позволяют рассчитывать работу её элементов.

Понимание тока помогает объяснить работу ламп, электродвигателей и других электромагнитных устройств. Оно также необходимо для правил электробезопасности: ток может нагревать тело, воздействовать на мышцы и повреждать ткани.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Носителями тока могут быть электроны, ионы и другие заряженные частицы.
• Для существования тока нужны свободные носители заряда и электрическое поле.
• В обычной электрической цепи источник тока поддерживает электрическое поле.
• Ток существует в замкнутой цепи.
• За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.
• Электрический ток оказывает тепловое, магнитное, химическое и физиологическое действия.