ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. НАПРАВЛЕНИЕ И СИЛА ТОКА. Направление электрического тока

Источники электрического тока

Источниками электрическою тока являются батареи, аккумуляторы, динамомашины, различные виды генераторов и т. д. Они производят электроэнергию за счет какого-нибудь другого вида энергии, например, химической, механической, тепловой и пр. Следовательно, и в случаях с источниками электрического тока закон сохранения энергии остается в силе.

Каждый источник тока имеет свойство при замыкании цепи создавать в проводниках электрическое поле, которое с определенной силой действует на свободные электроны. Поэтому говорят, что каждый источник тока имеет определенную электродвижущую силу (ЭДС).

Источники электрического тока электронов не производят, но созданное ими электрическое поле приводит в движение свободные электроны, находящиеся в самих проводниках. В этом отношении любой источник тока можно сравнить с насосом, который приводит в движение воду в замкнутой системе труб (рис. 3.3б). Насос передает энергию турбине так же, как батарейка передает энергию лампочке. Очевидно, в любой неразветвленной системе количество воды, протекающей в толстых и тонких трубах за единицу времени, одно и то же, только по тонким трубам частицы воды движутся с большей

Рис.3.3.

скоростью. По аналогии можно сказать, что величина тока в неразветвленной электрической цепи везде одна та же, только в проводниках большего диаметра электроны движутся медленнее, чем в более тонких проводниках.

Скорость электрического тока

Электрическое поле распространяется по проводам со скоростью 300 000 километров в секунду. Эта скорость так велика, что за одну секунду поле может обойти земной шар около восьми раз!

Скорость направленного движения электронов в проводниках намного меньше и зависит от плотности тока.

По накаленной нити электрической лампочки электроны движутся со скоростью 1—2 сантиметра в секунду, в то время как в шнурах и кабелях эта скорость не превышает 2—3 миллиметров в секунду. Здесь может возникнуть вопрос: почему же говорят, что скорость электрического тока огромна?

Для того, чтобы разобраться в этом, представим себе несколько десятков кубиков, плотно сложенных по прямой линии на гладкой поверхности. Если толкнем первый кубик, то толчок дойдет до последнего кубика почти моментально, однако, скорость каждого кубика в отдельности не будет очень большой. Таким же образом при замыкании электрической цепи электрическое поле распространяется по проводнику с огромной скоростью и почти одновременно приводит в движение как близкие, так и дальние электроны. Вот почему и принято считать, что электрический ток распространяется по проводникам со скоростью около 300 000 километров в секунду.

Направление электрического тока

Мы уже выяснили, что в металлах электрический ток обусловлен только одним видом носителей зарядов – электронами. Однако в электролитах электрический ток обусловлен как электронами, так и положительными ионами. Подобную картину наблюдаем

Рис. 3.4.

и в полупроводниках, где электрический ток обусловлен двумя видами заряженных частиц: электронами и дырками (дырки имеют свойства положительно заряженных частиц, т. к. представляют собой места, в которых отсутствуют электроны). На рис. 3.4а условно показан полупроводник, по которому не течет ток. Видно, что электроны и дырки движутся хаотично в различных направлениях вследствие теплового колебания. Если же полупроводник соединен с источником тока, то возникает электрическое поле, и дырки начинают двигаться в направлении поля, а электроны – навстречу полю (рис. 3.4б).

Еще в прошлом веке было принято под направлением электрического тока понимать направление движения положительно заряженных зарядов (тогда еще не знали, что ток в металлах обусловлен только электронами). По традиции это правило сохранилось и до сих пор. Поэтому согласно этому правилу, направление тока в металлах противоположно направлению движения электронов. Следовательно, ток во внешней цепи течет в направлении от положительного полюса к отрицательному.

studfiles.net

Направление электрического тока

Всем известно, что суть электрического тока заключается в упорядоченном движении заряженных частиц в каких-либо проводниках. Чаще всего для этих целей используются различные металлы, где в качестве тока выступают отрицательно заряженные частицы – электроны. В кислотных, щелочных и солевых растворах электрический ток возникает в результате движения положительных и отрицательных ионов.

С самого начала, когда это явление было открыто, у многих ученых возникал вопрос: какие движущиеся заряженные частицы образуют направление тока? Чтобы до конца разобраться в данной проблеме, следует остановиться на источниках тока, поскольку именно они инициируют движение заряженных частиц в проводниках.

Откуда берется электрический ток

Движение заряженных частиц появляется в результате действия, производимого аккумуляторами, батареями, генераторами и другими устройствами, преобразующими различные виды энергии в электрическую. Закон сохранения энергии наглядно действует в процессе таких преобразований.

Сами частицы начинают двигаться, когда цепь становится замкнутой, а в проводнике возникает электрическое поле, оказывающее определенное воздействие на свободные электроны. В связи с этим было установлено, что все источники тока обладают установленной электродвижущей силой или ЭДС.

Электроны не появляются из источников тока, они присутствуют в самих проводниках и, являясь свободными, начинают двигаться под действием созданного поля. В качестве наиболее яркого сравнительного примера выступает насос перекачивающий жидкость в трубах, замкнутых между собой. В зависимости от диаметра труб и количества разветвлений, жидкость может двигаться по ним с большей или меньшей скоростью. Эти свойства в полной мере характеризуют течение тока, которое изменяется в соответствии с сечением проводника.

На практике это выглядит следующим образом. Провод, сечением 1,5 мм2, рассчитан на максимальную силу тока в 16 А. К нему может быть подключена нагрузка не более 3-3,5 кВт. При подключении более мощного оборудования проводник не выдержит и выйдет из строя.

Разобравшись с источниками тока, необходимо определить его направление, которое приняли ученые после проведенных исследований в этой области. Условно было принято направление движения положительных зарядов, поскольку ток от положительного полюса движется к отрицательному полюсу источника тока.

Движение частиц и направление тока

Прежде всего, следует отметить, что не все движущиеся заряженные частицы вызывают образование тока. Например, под действием тепла заряды будут двигаться, но это движение – хаотическое и ненаправленное. Если же к тепловому движению добавляется действие электрическое поле, то под его влиянием хаотические перемещения частиц примут определенную направленность.

Заряженные частицы, образующие ток, движутся в направлении, в зависимости от знака их заряда. То есть, движение положительно заряженных частиц происходит от «+» к «-», а отрицательно заряженных, наоборот, от «-» к «+». Встречное движение характерно для газовой и электролитической среды, поэтому часто возникает вопрос, каким будет настоящее направление тока?

По общему соглашению было принято решение считать направление движения частиц с положительными зарядами, за направление электрического тока. В этом случае возникает некоторое противоречие, затрагивающее металлические проводники, в которых перенос зарядов осуществляется свободными электронами. Хорошо известно, что они двигаются от минуса к плюсу. Тем не менее, приходится считать направление тока в этом случае, противоположным движению свободных электронов. Однако, несмотря на некоторые неудобства, данное правило четко определяет, в каком направлении движется электрический ток.

electric-220.ru

Постоянный электрический ток - материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: постоянный электрический ток, сила тока, напряжение.

Электрический ток обеспечивает комфортом жизнь современного человека. Технологические достижения цивилизации — энергетика, транспорт, радио, телевидение, компьютеры, мобильная связь — основаны на использовании электрического тока.

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, при котором происходит перенос заряда из одних областей пространства в другие.

Электрический ток может возникать в самых различных средах: твёрдых телах, жидкостях, газах. Порой и среды никакой не нужно — ток может существовать даже в вакууме! Мы поговорим об этом в своё время, а пока приведём лишь некоторые примеры.

• Замкнём полюса батарейки металлическим проводом. Свободные электроны провода начнут направленное движение от «минуса» батарейки к «плюсу».Это — пример тока в металлах.

• Бросим в стакан воды щепотку поваренной соли . Молекулы соли диссоциируют на ионы, так что в растворе появятся свободные заряды: положительные ионы и отрицательные ионы . Теперь засунем в воду два электрода, соединённые с полюсами батарейки. Ионы начнут направленное движение к отрицательному электроду, а ионы — к положительному.Это — пример прохождения тока через раствор электролита.

• Грозовые тучи создают столь мощные электрические поля, что оказывается возможным пробой воздушного промежутка длиной в несколько километров. В результате сквозь воздух проходит гигантский разряд — молния.Это — пример электрического тока в газе.

Во всех трёх рассмотренных примерах электрический ток обусловлен движением заряженных частиц внутри тела и называется током проводимости.

• Вот несколько иной пример. Будем перемещать в пространстве заряженное тело. Такая ситуация согласуется с определением тока! Направленное движение зарядов — есть, перенос заряда в пространстве — присутствует. Ток, созданный движением макроскопического заряженного тела, называется конвекционным.

Заметим, что не всякое движение заряженных частиц образует ток. Например, хаотическое тепловое движение зарядов проводника — не направленное (оно совершается в каких угодно направлениях), и потому током не является (при возникновении тока свободные заряды продолжают совершать тепловое движение! Просто в этом случае к хаотическим перемещениям заряженных частиц добавляется их упорядоченный дрейф в определённомнаправлении).Не будет током и поступательное движение электрически нейтрального тела: хотя заряженные частицы в его атомах и совершают направленное движение, не происходит переноса заряда из одних участков пространства в другие.

Направление электрического тока

Направление движения заряженных частиц, образующих ток, зависит от знака их заряда. Положительно заряженные частицы будут двигаться от «плюса» к «минусу», а отрицательно заряженные — наоборот, от «минуса» к «плюсу». В электролитах и газах, например, присутствуют как положительные, так и отрицательные свободные заряды, и ток создаётся их встречным движением в обоих направлениях. Какое же из этих направлений принять за направление электрического тока?

Направлением тока принято считать направление движения положительных зарядов.

Попросту говоря, по соглашению ток течёт от «плюса» к «минусу» (рис. 1; положительная клемма источника тока изображена длинной чертой, отрицательная клемма — короткой).

Рис. 1. Направление тока

Данное соглашение вступает в некоторое противоречие с наиболее распространённым случаем металлических проводников. В металле носителями заряда являются свободные электроны, и двигаются они от «минуса» к «плюсу». Но в соответствии с соглашением мы вынуждены считать, что направление тока в металлическом проводнике противоположно движению свободных электронов. Это, конечно, не очень удобно.

Тут, однако, ничего не поделаешь — придётся принять эту ситуацию как данность. Так уж исторически сложилось. Выбор направления тока был предложен Ампером (договорённость о направлении тока понадобилась Амперу для того, чтобы дать чёткое правило определения направления силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Сегодня эту силу мы называем силой Ампера, направление которой определяется по правилу левой руки) в первой половине XIX века, за 70 лет до открытия электрона. К этому выбору все привыкли, и когда в 1916 году выяснилось, что ток в металлах вызван движением свободных электронов, ничего менять уже не стали.

Действия электрического тока

Как мы можем определить, протекает электрический ток или нет? О возникновении электрического тока можно судить по следующим его проявлениям.

1. Тепловое действие тока. Электрический ток вызывает нагревание вещества, в котором он протекает. Именно так нагреваются спирали нагревательных приборов и ламп накаливания. Именно поэтому мы видим молнию. В основе действия тепловых амперметров лежит тепловое расширение проводника с током, приводящее к перемещению стрелки прибора.

2. Магнитное действие тока. Электрический ток создаёт магнитное поле: стрелка компаса, расположенная рядом с проводом, при включении тока поворачивается перпендикулярно проводу. Магнитное поле тока можно многократно усилить, если обмотать провод вокруг железного стержня — получится электромагнит. На этом принципе основано действие амперметров магнитоэлектрической системы: электромагнит поворачивается в поле постоянного магнита, в результате чего стрелка прибора перемещается по шкале.

3. Химическое действие тока. При прохождении тока через электролиты можно наблюдать изменение химического состава вещества. Так, в растворе положительные ионы двигаются к отрицательному электроду, и этот электрод покрывается медью.

Электрический ток называется постоянным, если за равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковый заряд.

Постоянный ток наиболее прост для изучения. С него мы и начинаем.

Сила и плотность тока

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. В случае постоянного тока абсолютная величина силы тока есть отношение абсолютной величины заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время , к этому самому времени:

$I=\frac{\displaystyle q}{\displaystyle t \vphantom{1^a}}.$ (1)

Измеряется сила тока в амперах (A). При силе тока в А через поперечное сечение проводника за с проходит заряд в Кл.

Подчеркнём, что формула (1) определяет абсолютную величину, или модуль силы тока.Сила тока может иметь ещё и знак! Этот знак не связан со знаком зарядов, образующих ток, и выбирается из иных соображений. А именно, в ряде ситуаций (например, если заранее не ясно, куда потечёт ток) удобно зафиксировать некоторое направление обхода цепи (скажем, против часовой стрелки) и считать силу тока положительной, если направление тока совпадает с направлением обхода, и отрицательной, если ток течёт против направления обхода (сравните с тригонометрическим кругом: углы считаются положительными, если отсчитываются против часовой стрелки, и отрицательными, если по часовой стрелке).

В случае постоянного тока сила тока есть величина постоянная. Она показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за с.

Часто бывает удобно не связываться с площадью поперечного сечения и ввести величину плотности тока:

$j=\frac{\displaystyle I}{\displaystyle S \vphantom{1^a}},$ (2)

где — сила тока, — площадь поперечного сечения проводника (разумеется, это сечение перпендикулярно направлению тока). С учётом формулы (1) имеем также:

$j=\frac{\displaystyle q}{\displaystyle St \vphantom{1^a}}.$

Плотность тока показывает, какой заряд проходит за единицу времени через единицу площади поперечного сечения проводника. Согласно формуле (2), плотность тока измеряется в А/м2.

Скорость направленного движения зарядов

Когда мы включаем в комнате свет, нам кажется, что лампочка загорается мгновенно. Скорость распространения тока по проводам очень велика: она близка к 300000 км/с (скорости света в вакууме). Если бы лампочка находилась на Луне, она зажглась бы через секунду с небольшим.

Однако не следует думать, что с такой грандиозной скоростью двигаются свободные заряды, образующие ток. Оказывается, их скорость составляет всего-навсего доли миллиметра в секунду.

Почему же ток распространяется по проводам так быстро? Дело в том, что свободные заряды взаимодействуют друг с другом и, находясь под действием электрического поля источника тока, при замыкании цепи приходят в движение почти одновременно вдоль всего проводника. Скорость распространения тока есть скорость передачи электрического взаимодействия между свободными зарядами, и она близка к скорости света в вакууме. Скорость же, с которой сами заряды перемещаются внутри проводника, может быть на много порядков меньше.

Итак, подчеркнём ещё раз, что мы различаем две скорости.

1. Скорость распространения тока. Это — скорость передачи электрического сигнала по цепи. Близка к 300000 км/с.

2. Скорость направленного движения свободных зарядов. Это — средняя скорость перемещения зарядов, образующих ток. Называется ещё скоростью дрейфа.

Мы сейчас выведем формулу, выражающую силу тока через скорость направленного движения зарядов проводника.

Пусть проводник имеет площадь поперечного сечения (рис. 2). Свободные заряды проводника будем считать положительными; величину свободного заряда обозначим (в наиболее важном для практики случая металлического проводника это есть заряд электрона). Концентрация свободных зарядов (т. е. их число в единице объёма) равна .

Рис. 2. К выводу формулы I = envS

Какой заряд пройдёт через поперечное сечение нашего проводника за время ?

С одной стороны, разумеется,

q = It. (3)

С другой стороны, сечение пересекут все те свободные заряды, которые спустя время окажутся внутри цилиндра ABCD с высотой . Их число равно:

$N = nV_{ABCD} = nSvt.$

Следовательно, их общий заряд будет равен:

q = eN = enSvt. (4)

Приравнивая правые части формул (3) и (4) и сокращая на , получим:

I = envS. (5)

Соответственно, плотность тока оказывается равна:

j = env.

Давайте в качестве примера посчитаем, какова скорость движения свободных электронов в медном проводе при силе тока A.

Заряд электрона известен: $e = 1,6 \cdot 10^{-19}$ Кл.

Чему равна концентрация свободных электронов? Она совпадает с концентрацией атомов меди, поскольку от каждого атома отщепляется по одному валентному электрону. Ну а концентрацию атомов мы находить умеем:

$n=\frac{\displaystyle N}{\displaystyle V \vphantom{1^a}}=\frac{\displaystyle \nu N_A}{\displaystyle V \vphantom{1^a}}=\frac{\displaystyle m N_A}{\displaystyle \mu V \vphantom{1^a}}=\frac{\displaystyle \rho N_A}{\displaystyle \mu \vphantom{1^a}} = \frac{\displaystyle 8900 \cdot 6,02 \cdot 10^{23}}{\displaystyle 0,0635 \vphantom{1^a}}\approx 8,5 \cdot 10^{28}$ м

Положим S = 1 мм . Из формулы (5) получим:

$v=\frac{\displaystyle 1}{\displaystyle enS \vphantom{1^a}}=\frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 1,6 \cdot 10^{-19} \cdot 8,5 \cdot 10^{28} \cdot 10^{-6} \vphantom{1^a}}\approx 7,4 \cdot 10^{-5}$ м/с.

Это порядка одной десятой миллиметра в секунду.

Стационарное электрическое поле

Мы всё время говорим о направленном движении зарядов, но ещё не касались вопроса о том, почему свободные заряды совершают такое движение. Почему, собственно, возникает электрический ток?

Для упорядоченного перемещения зарядов внутри проводника необходима сила, действующая на заряды в определённом направлении. Откуда берётся эта сила? Со стороны электрического поля!

Чтобы в проводнике протекал постоянный ток, внутри проводника должно существовать стационарное (то есть — постоянное, не зависящее от времени) электрическое поле. Иными словами, между концами проводника нужно поддерживать постоянную разность потенциалов.

Стационарное электрическое поле должно создаваться зарядами проводников, входящих в электрическую цепь. Однако заряженные проводники сами по себе не смогут обеспечить протекание постоянного тока.

Рассмотрим, к примеру, два проводящих шара, заряженных разноимённо. Соединим их проводом. Между концами провода возникнет разность потенциалов, а внутри провода — электрическое поле. По проводу потечёт ток. Но по мере прохождения тока разность потенциалов между шарами будет уменьшаться, вслед за ней станет убывать и напряжённость поля в проводе. В конце концов потенциалы шаров станут равны друг другу, поле в проводе обратится в нуль, и ток исчезнет. Мы оказались в электростатике: шары плюс провод образуют единый проводник, в каждой точке которого потенциал принимает одно и то же значение; напряжённостьполя внутри проводника равна нулю, никакого тока нет.

То, что электростатическое поле само по себе не годится на роль стационарного поля, создающего ток, ясно и из более общих соображений. Ведь электростатическое поле потенциально, его работа при перемещении заряда по замкнутому пути равна нулю. Следовательно, оно не может вызывать циркулирование зарядов по замкнутой электрической цепи — для этого требуется совершать ненулевую работу.

Кто же будет совершать эту ненулевую работу? Кто будет поддерживать в цепи разность потенциалов и обеспечивать стационарное электрическое поле, создающее ток в проводниках?

Ответ — источник тока, важнейший элемент электрической цепи.

Чтобы в проводнике протекал постоянный ток, концы проводника должны быть присоединены к клеммам источника тока (батарейки, аккумулятора и т. д.).

Клеммы источника — это заряженные проводники. Если цепь замкнута, то заряды с клемм перемещаются по цепи — как в рассмотренном выше примере с шарами. Но теперь разность потенциалов между клеммами не уменьшается: источник тока непрерывно восполняет заряды на клеммах, поддерживая разность потенциалов между концами цепи на неизменном уровне.

В этом и состоит предназначение источника постоянного тока. Внутри него протекают процессы неэлектрического (чаще всего — химического) происхождения, которые обеспечивают непрерывное разделение зарядов. Эти заряды поставляются на клеммы источника в необходимом количестве.

Количественную характеристику неэлектрических процессов разделения зарядов внутри источника — так называемую ЭДС — мы изучим позже, в соответствующем листке.

А сейчас вернёмся к стационарному электрическому полю. Каким же образом оно возникает в проводниках цепи при наличии источника тока?

Заряженные клеммы источника создают на концах проводника электрическое поле. Свободные заряды проводника, находящиеся вблизи клемм, приходят в движение и действуют своим электрическим полем на соседние заряды. Со скоростью, близкой к скорости света, это взаимодействие передаётся вдоль всей цепи, и в цепи устанавливается постоянный электрический ток. Стабилизируется и электрическое поле, создаваемое движущимися зарядами.

Стационарное электрическое поле — это поле свободных зарядов проводника, совершающих направленное движение.

Стационарное электрическое поле не меняется со временем потому, что при постоянном токе не меняется картина распределения зарядов в проводнике: на место заряда, покинувшего данный участок проводника, в следующий момент времени поступает точно такой же заряд. По этой причине стационарное поле во многом (но не во всём) аналогично полю электростатическому.

А именно, справедливы следующие два утверждения, которые понадобятся нам в дальнейшем (их доказательство даётся в вузовском курсе физики).

1. Как и электростатическое поле, стационарное электрическое поле потенциально. Это позволяет говорить о разности потенциалов (т. е. напряжении) на любом участке цепи (именно эту разность потенциалов мы измеряем вольтметром).Потенциальность, напомним, означает, что работа стационарного поля по перемещению заряда не зависит от формы траектории. Именно поэтому при параллельном соединении проводников напряжение на каждом из них одинаково: оно равно разности потенциалов стационарного поля между теми двумя точками, к которым подключены проводники.2. В отличие от электростатического поля, стационарное поле движущихся зарядов проникает внутрь проводника (дело в том, что свободные заряды, участвуя в направленном движении, не успевают должным образом перестраиваться и принимать «электростатические» конфигурации).Линии напряжённости стационарного поля внутри проводника параллельны его поверхности, как бы ни изгибался проводник. Поэтому, как и в однородном электростатическом поле, справедлива формула U = El , где — напряжение на концах проводника, — напряжённость стационарного поля в проводнике, — длина проводника.

Звоните нам: 8 (800) 775-06-82 (бесплатный звонок по России) +7 (495) 984-09-27 (бесплатный звонок по Москве)

Или нажмите на кнопку «Узнать больше», чтобы заполнить контактную форму. Мы обязательно Вам перезвоним.

ege-study.ru

Направление электрического тока ⋆ diodov.net

Направление электрического тока принято считать от плюса к минусу генератора или источника питания, и принимается, что он протекает в металлических проводниках. Однако I образуется не только в проводниках, но и в газах и жидкостях. Атомы металлов связаны в прочную кристаллическую решетку, поэтому свободно перемещаться могут только свободные электроны; ионы остаться неподвижными. Атомы газов и жидкостей могут свободно перемещаться, поскольку не имеют прочных связей. Следовательно, носителями зарядов служат ионы и эл-ны.

Кристаллическая решетка металла, газ и жидкость

Направление движения электронов и ионов

Поэтому при определении силы тока I в газах и жидкостях, необходимо учитывать сумму положительных и отрицательных зарядов, прошедших через площадь поперечного сечения за единицу времени. Например, в металлическом проводнике I = 1 А, если через проводник за одну секунду проходят 6,2818 эл-нов (1 Кл).

Один ампер в газе или жидкости могут образовать 3,1418 эл-нов (0,5 Кл) и столько же положительных ионов (еще 0,5 Кл). Если заряд иона вдвое превышает заряд эл-на, то потребуется в два раза меньше ионов для создания одного ампера.

Направление электрического тока в проводниках

Исторически сложилось так, что направление протекание электрического тока принято от «плюса» к «минусу», то есть от положительного к отрицательному электроду источника питания. На самом деле, если рассматривать металлический проводник, то электроны, являющиеся единственными носителями заряда, движутся от отрицательного электрода к положительном. Следовательно действительное направления тока противоположно принятому.

Направление электрического тока

Такое направление предложил Бенджамин Франклин ввиду отсутствия знаний того времени о природе носителей электрического заряда в проводниках. Портрет Бенджамина Франклина изображен на сто долларовой купюре.

Направление электрического тока в газах и жидкостях

В газах и жидкостях электрический ток может протекать от плюса к минусу, согласно традиционному представлению, поскольку в них может преобладать количество положительных ионов. Направление не стали изменять на «правильное», поскольку оно слишком плотно вошло в обиход.

diodov.net

от минуса к плюсу или наоборот?

Все мы хорошо знаем, что электричество представляет собой направленный поток заряженных частиц в результате воздействия электрического поля. Это вам скажет любой школьник. А вот вопрос о том, каково направление тока и куда деваются эти самые частицы, многих может поставить в тупик.

Суть вопроса

Как известно, в проводнике электричество переносят электроны, в электролитах – катионы и анионы (или попросту ионы), в полупроводниках электроны работают с так называемыми «дырками», в газах – ионы с электронами. От наличия свободных элементарных частиц в том или ином материале и зависит его электропроводность. При отсутствии электрического поля в металлическом проводнике ток идти не будет. Но как только на двух его участках возникнет разность потенциалов, т.е. появится напряжение, в движении электронов прекратится хаос и наступит порядок: они начнут отталкиваться от минуса и направятся в сторону плюса. Казалось бы, вот и ответ на вопрос «Каково направление тока?». Но не тут-то было. Достаточно заглянуть в энциклопедический словарь или просто в любой учебник по физике, как сразу станет заметно некое противоречие. Там говорится, что условно словосочетание «направление тока» обозначает направленное движение положительных зарядов, другими словами: от плюса к минусу. Как быть с этим утверждением? Ведь здесь невооруженным глазом заметно противоречие! цепь постоянного тока

Сила привычки

Когда люди научились составлять цепь постоянного тока, они еще не знали о существовании электрона. Тем более, в то время не подозревали что он движется от минуса к плюсу. Когда Ампер предложил в первой половине 19-го столетия направление тока от плюса к минусу, все восприняли это как должное и это решение никто не стал оспаривать. Прошло 70 лет, пока люди не выяснили, что ток в металлах происходит благодаря движениям электронов. А когда они это поняли (это случилось в 1916 году), все настолько привыкли к сделанному Ампером выбору, что уже не стали ничего менять.

«Золотая середина» направление движения тока

В электролитах отрицательно заряженные частицы движутся к катоду, а положительные - к аноду. То же самое происходит и в газах. Если подумать, какое направление тока будет в этом случае, в голову приходит только один вариант: перемещение разнополярных электрических зарядов в замкнутой цепи происходит навстречу друг другу. Если принять это утверждение за основу, то оно снимет существующее ныне противоречие. Возможно, это вызовет удивление, но еще более 70 лет назад ученые получили документальные подтверждения того, что противоположные по знаку электрические заряды в проводящей среде действительно движутся друг другу навстречу. Данное утверждение будет справедливо для любого проводника вне зависимости от его типа: металла, газа, электролита, полупроводника. Как бы там ни было, остается надеяться, что со временем физики устранят путаницу в терминологии и примут однозначное определение того, что же все-таки такое направление движения тока. Привычку, конечно, менять сложно, но ведь нужно же наконец поставить все на свои места.

fb.ru

Постоянный электрический ток

3.8.3Сила и плотность тока

Электрический ток называется постоянным, если за равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковый заряд. Постоянный ток наиболее прост для изучения. С него мы и начинаем.

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. В случае постоянного тока абсолютная величина силы тока есть отношение абсолютной величины заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника за время t, к этому самому времени:

Измеряется сила тока в амперах (A)11. При силе тока в 1 А через поперечное сечение проводника за 1 с проходит заряд в 1 Кл.

Подчеркнём, что формула (3.41) определяет абсолютную величину, или модуль силы тока. Сила тока может иметь ещё и знак! Этот знак не связан со знаком зарядов, образующих ток, и выбирается из иных соображений. А именно, в ряде ситуаций (например, если заранее не ясно, куда потечёт ток) удобно зафиксировать некоторое направление обхода цепи (скажем, против часовой стрелки) и считать силу тока положительной, если направление тока совпадает

снаправлением обхода, и отрицательной, если ток течёт против направления обхода12.

Вслучае постоянного тока сила тока есть величина постоянная. Она показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за 1 с.

Часто бывает удобно не связываться с площадью поперечного сечения и ввести величину

плотности тока:

где I сила тока, S площадь поперечного сечения проводника (разумеется, это сечение перпендикулярно направлению тока). С учётом формулы (3.41) имеем также:

j = Stq :

Плотность тока показывает, какой заряд проходит за единицу времени через единицу площади поперечного сечения проводника. Согласно формуле (3.42), плотность тока измеряется в А/м2.

3.8.4Скорость направленного движения зарядов

11Единица силы тока определяется через магнитное взаимодействие проводов с током. А именно, пусть имеются два параллельных провода, очень длинных и тонких, расположенных в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга. По этим проводам течёт одинаковый ток. Мы говорим, что сила тока равна 1 A, если сила взаимодействия проводов равна 2 107 Н на каждый метр провода.

12Сравните с тригонометрическим кругом: углы считаются положительными, если отсчитываются против часовой стрелки, и отрицательными, если по часовой стрелке.

studfiles.net

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. НАПРАВЛЕНИЕ И СИЛА ТОКА

В некоторых веществах часть электронов очень слабо связана с положительными зарядами, находящимися в ядрах атома. Эти так называемые полусвободные электроны могут передвигаться из одного атома в другой и в межатомном пространстве.

Вещества, обладающие свободными и полусвободными электронами, называются проводниками электрического тока. К таким веществам, прежде всего, относятся металлы, уголь, растворы солей, кислот и щелочей. Другие вещества, в которых мало свободных и полусвободных электронов, называются непроводниками, изоляторами, или диэлектриками. Диэлектриками являются воздух и другие газы, стекло, фарфор, резина, сухое дерево и многие другие вещества. В обычном состоянии свободные электроны в проводниках беспорядочно (хаотически) передвигаются внутри вещества в различных направлениях и с различными скоростями. Они беспрерывно сталкиваются с атомами вещества, выбивают из них новые электроны, сами занимая их место, и т. д.

Возьмем две металлические пластины (рис. 4). Зарядим одну из них положительно (т. е. создадим в ней недостаток электронов), а другую отрицательно (т. е. создадим избыток электронов). Потенциал первой пластины будет положительным, а потенциал второй пластины отрицательным, т. е. между пластинами возникает разность потенциалов. Если соединить эти пластины между собой проводником (металлической проволокой), то свободные электроны, в избытке находящиеся на правой пластине, под действием сил электрического поля пластин устремятся по соединительному проводнику к левой пластине. Электроны всегда движутся от того места, где они находятся в избытке, т. е. от минуса, туда где имеется их недостаток, т. е. к плюсу. Таким образом, появится упорядоченное передвижение свободных электронов в проводнике, которое называется электрическим током.

Электрически разноименно заряженные пластины в данном случае являются источником тока и вместе с соединительным проводом составляют замкнутую электрическую цепь.

В приведенном выше примере движение электронов (т. е. электрический ток) в проводнике, соединяющем две заряженные металлические пластины, не может быть продолжительным. Число электронов на положительной пластине будет возрастать, а на отрицательной убывать. Через некоторое время избыток электронов на правой пластине компенсирует их недостаток на левой пластине и пластины приобретут одинаковый потенциал. В этот момент ток в проводнике прекратится;

Таким образом, необходимым условием для протекания электрического тока по проводнику является наличие разности потенциалов (напряжения) между его концами. Для создания разности потенциалов, поддерживающей в замкнутой цепи продолжительный по времени электрический ток, служат приборы, называемые источниками электрического тока.

Разность потенциалов разомкнутого источника тока (в данном случае пластин, не соединенных между собой проводником) носит название электродвижущей силы (сокращенно э.д.с.).

Электродвижущая сила, так же как и напряжение, в зависимости от ее величины измеряется в вольтах, киловольтах, милливольтах и микровольтах. Свободные электроны в проводнике движутся от низкого потенциала в направлении более высокого (т. е. от минуса к плюсу). Такое направление движения электронов называется истинным или действительным. Однако в электротехнике принято считать, что ток идет от плюса к минусу. Такое направление тока было установлено совершенно произвольно еще до открытия элементарных частиц — электронов. Это условное направление тока принято называть техническим. Следует запомнить, что направление тока принято считать противоположно направленным действительному движению электронов в проводнике (см. рис, 4). Электрический ток, который все время проходит в цепи в одном направлении и имеет неизменную (постоянную) величину, называется постоянным током.

Количество направленно движущихся электронов и их средняя скорость перемещения определяют количество электричества, которое проходит за единицу времени через сечение проводника, т. е. силу тока.

Следовательно, силой электрического тока в проводнике называется количество электричества, проходящего через поперечное сечение проводника в течение одной секунды.

Для измерения силы тока принята единица, называемая ампером (сокращенно а). Одному амперу соответствует прохождение через поперечное сечение проводника 6,3 • 1018 электронов в секунду. Ток силой в один ампер, проходя через раствор азотнокислого серебра, выделяет из него каждую секунду 1,118 мг серебра. "Иногда ток выражают более мелкими величинами—тысячными долями ампера (миллиамперами) и миллионными долями ампера (микроамперами). Миллиампер обозначается буквами ма, а микроампер — буквами мка. 1 а=1000 ма—1000000 мка.

Следует отметить, что скорость перемещения электронов в проводнике весьма мала и измеряется долями сантиметра или миллиметра в секунду. Это объясняется тем, что электроны беспрерывно сталкиваются с частицами проводника. Однако скорость распространения тока в проводе очень велика и достигает скорости света, т. е. 300 000 км/сек. Если на одном конце провода возникает ток, то он почти мгновенно распространяется по всему проводнику, так как все электроны проводника одновременно приходят в движение.

nauchebe.net

Каталог товаров