Причины появления
Заряженные частицы начинают перемещаться благодаря действию различных источников питания. К их числу принадлежат батареи, аккумуляторы, генераторы и другие устройства, способные превращать всевозможные виды энергии в электрическую. Во время этих преобразований наглядно проявляется закон сохранения энергии. Частицы начинают движение в тот момент, когда электрическая цепь замыкается, что приводит к появлению в проводнике электрополя.
Именно оно и оказывает определенное воздействие на свободные частицы. Во время исследований ученые установили, что каждый источник электротока обладает электродвижущей силой (ЭДС). Следует помнить, что электроны не появляются благодаря источнику питания, а присутствуют в материале проводника. Они начинают двигаться под прямым воздействием электрополя, так как не связаны атомными связями и являются свободными.
В качестве примера можно привести замкнутую систему труб, воду в которых перекачивает насос. В зависимости от размеров труб и числа ответвлений, жидкость будет перемещаться в них с разной скоростью.
Все эти свойства присущи и течению электротока, которое изменяется в зависимости от сечения проводников.
Необходимые условия поддержания электрического тока в цепи
Выше выведены три условия существования электрического тока в замкнутой цепи. Их надо рассмотреть подробнее.
Свободные носители зарядов
Первое необходимое условие существования электрического тока – наличие свободных носителей зарядов. Заряды не существуют отдельно от их носителей, поэтому надо рассматривать частицы, которые могут переносить заряд.
В металлах и других веществах с подобным типом проводимости (графит и т.п.) таковыми служат свободные электроны. Они слабо взаимодействуют с ядром, и могут покидать атом и относительно беспрепятственно перемещаться внутри проводника.
Также свободные электроны служат носителями заряда в полупроводниках, но в некоторых случаях говорят о «дырочной» проводимости этого класса твёрдых веществ (в противовес «электронной»). Это понятие нужно только для описания физических процессов, фактически ток в полупроводниках представляет собой всё то же движение электронов. Материалы, в которых электроны не могут покидать атом, являются диэлектриками. В них ток не возникает.
Направление электротока
Необходимо понимать, что электроток вызывает не каждое перемещение заряженных частиц. Под воздействием тепла электроны также начинают двигаться, но их движение является хаотичным и не имеет конкретного направления. Если к тепловому воздействию на проводник добавить электрополе, то электроны начнут двигаться с определенной направленностью.
Направление перемещения частиц, образующих электроток, зависит от их заряда:
- положительные движутся от «плюса» к «минусу»;
- отрицательные — от «минуса» к «плюсу».
Встречное перемещение частиц наблюдается в электролитических растворах и газах. Поэтому крайне важно точно установить, каково настоящее направление тока в цепи. В результате было принято решение, что движение положительных частиц является направлением электротока. Однако это утверждение не совпадает с действительностью, когда разговор идет о металлических проводниках.
Дело в том, что в них перенос заряда происходит из-за перемещения электронов, заряженных отрицательно. При этом точно известно, что они двигаются от минуса к положительному полюсу. В данном случае приходится считать направление тока противоположным перемещению заряженных частиц.
Несмотря на определенное неудобство, это правило четко говорит, что принимают за направление электрического тока и куда он течет.
Почему за направление тока было принято движение от положительного полюса к отрицательному?
Такая путаница в этом вопросе возникла по одной простой причине. Дело в том, что явление электрического тока было открыто раньше, чем более подробные знания о строении атома. На тот момент считалось, что сам атом неделим, не было никакой информации об электронах и ионах.
Поэтому считали, что ток может иметь два разных направления. Но почему так происходило, объяснить не могли.
Существовали даже предположения, что существует два разных вида тока. Эти виды могли при соприкосновении нейтрализовать друг друга. На самом деле, тело просто получало одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов. Оно становилось электрически нейтральным. Так что дело тут было совсем не в каких-то видах тока.
В итоге, известный французский ученый Андре Ампер (о нем вы еще более подробно узнаете в следующих уроках) убедил научное сообщество принять одно из двух направлений за основное. И выбор пал на направление от положительного источника тока к отрицательному (рисунок 2).
Рисунок 2. Направление тока и движение заряженных частиц
Движение частиц в различных проводниках
Электроток способен возникнуть не только в металлах, но и других веществах. При этом они могут находиться в различных агрегатных состояниях. Чтобы лучше понять тему, стоит указать и движение тока в жидкостях, газах и твердых веществах:
- Металлы обладают большим количеством свободных электронов, которые и являются основным источником электротока.
- Электролиты представляют собой жидкости, которые способны проводить электроток. К этой группе проводников принадлежат растворы солей, кислот, щелочей. Оказавшись в воде, молекулы всех этих веществ расщепляются на ионы — заряженные отдельные атомы либо их группы. Ионы могут иметь положительный (катионы) либо отрицательный (анионы) заряд. Именно вследствие их направленного движения в растворах возникает электроток.
- В плазме и газах электроток вызывает перемещение положительных ионов и электронов, имеющих отрицательный заряд.
- В вакууме ток появляется благодаря вылетающим с поверхности металла электронам.
Ток, возникающий вследствие передвижения заряженных частиц внутри тел относительно определенной среды, называется электротоком проводимости.
Также существует определение конвекционного электротока, представляющего собой движение макроскопических частиц. Примером конвекционного тока являются дождевые капли во время молнии.
Как в реальности протекает электрический ток?
Существование современного мира невозможно представить без электрического тока. Он обеспечивает функционирование огромного множества устройств и электроприборов, а также целых систем. Понятие «электрический ток» помогает провести аналогию между этим явлением и протеканием жидкости, что придает данному термину некоторую наглядность. Электрический ток протекает благодаря тому, что электромагнитное поле движется вдоль проводящей среды со скоростью, примерно равной скорости света. Данное движение идет в направлении от большего потенциала к меньшему, то есть от «+» к «-». Одновременно с этим носители зарядов перемещаются с чуть медленнее и в разных направлениях (в зависимости от материала).
Какие бывают носители зарядов?
Существуют два вида носителей зарядов – отрицательные и положительные. Заряд со знаком «минус» может иметь ионы и электроны, а положительный заряд в основном имеют только ионы. Отрицательные заряды перемещаются в направлении большему потенциала, а положительные – наоборот. Это движение и приводит к появлению электрического тока. Данная неопределенность устранена в общепринятом правиле, которое гласит, что ток всегда протекает от «+» к «-», вне зависимости от типа зарядов.
Как заряды движутся в металлах?
Почти все металлы, применяемые в электротехнике, не содержат ионов, поскольку пребывают в твердом состоянии. Для них свойственна проводимость электронного типа. Это означает, что свободные электроны, выступающие в роли носителей зарядов, движутся в направлении, обратном току.
Металлы обладают относительно низким электрическим сопротивлением. Если разность потенциалов отсутствует, электрическое поле срывает электроны со своих орбит. По этой причине при небольшой разности потенциалов возникает значимое количество носителей зарядов.
Как заряды движутся в полупроводниках?
Полупроводники имеют гораздо более низкую проводимость, чем металлы (в условиях комнатной температуры). Существуют полупроводники двух типов – n и p. Полупроводники первого типа содержат избыток электронов. Когда они переходят к p-типу, возникает их недостаток. Остальные электроны без особых трудностей перемещаются по своим возможным местам внутри атома. Это равноценно движению зарядов со знаком «+». Поскольку в полупроводниках электроны слабо связаны с атомами, при повышении температуры изменяется количество несвязанных электронов, и проводимость полупроводника быстро возрастает. Вывод: в полупроводниках заряды могут двигаться в направлении протекания тока или же в противоположном направлении (p- и n-тип соответственно).
Как заряды движутся в газах и жидкостях?
В жидкостях и газах носителями зарядов выступают ионы, которые бывают отрицательными (так называемые катионы) и положительными (анионы). Если количество катионов больше, они движутся обратно направлению тока. Если же преобладают анионы, их движение совпадает с направлением тока.
Действие тока
Зная, что принимается за направление тока, стоит выяснить и его действие. О появлении силы электротока можно узнать по показаниям специальных приборов. Однако они не всегда есть под рукой. В такой ситуации о наличии электротока можно судить по следующим явлениям:
- Тепловое. Движение заряженных частиц приводит к нагреву материала проводника. Именно это явление используется в работе ламп освещения либо нагревательных приборов.
- Магнитное. Если в цепи есть ток, то он создаст магнитное поле. Проверить этот факт можно с помощью компаса: если поднести его к проводу, то стрелка повернется перпендикулярно проводнику. Созданное током магнитное поле можно усилить, обмотав железный стержень проволокой. В результате получится электромагнит.
- Химическое. Если ток протекает в электролитах, то химический состав раствора изменится. Например, в растворе CuSO4 электроток возникает благодаря движению положительных ионов Cu. Они перемещаются к отрицательному электроду, который со временем покроется слоем меди.
Сегодня сложно представить человеческую цивилизацию без электричества. Природу этих явления пытались установить многие ученые еще до открытия электронов. Первым физиком, выдвинувшим гипотезу о наличии двух типов зарядов, стал Бенджамин Франклин.
После открытия электронов не состыковка гипотезы Франклина была обнаружена, но ученые решили, что определяться направление электротока будет по-прежнему.
Официальное электричество
Между 1881 и 1904 годами было проведено несколько собраний Международного электрического конгресса (МЭК), на котором был установлен ряд общих электромагнитных единиц, таких как ом, вольт, фарад и кулон. Именно в этот период было создано официальное определение электрического тока.
С открытием электрона и ионов все стало ясно, и теория электрической жидкости Франклина была похоронена. Доказано, что электричество состоит из небольших одиночных зарядов, которые могут перемещаться под действием напряжения. И хотя электроны в проводах перетекали с отрицательного на положительный, а ионы в растворах текли в обоих направлениях, все эти частицы имеют одну общую черту — они заряжены одинаковым значением. Благодаря этому не было необходимости создавать несколько разных определений, и все эти явления были связаны одним общим термином: упорядоченный поток электрического заряда или электрический ток.
Единицей измерения электрического тока является ампер, а устройства для измерения тока называются амперметрами. Первый амперметр был в виде серебряной пластинки, которую погружали в раствор нитрата серебра. Под действием протекающего тока серебро выпало из раствора и оседало на пластине. Взвесив пластину до и после ученые определили, что один ампер тока соответствует осаждению 0,001118 грамма серебра в секунду. Это определение изменилось с годами, и сегодня один ампер — это поток заряда и значение одного кулона за одну секунду.
