Направление течения тока: как определить, что принято за направление

Электричество и магнетизм

 В проводниках часть валентных электронов  не связана с определенными атомами и может свободно перемещаться по всему его объему. В отсутствие приложенного к проводнику электрического поля такие свободные электроны — электроны проводимости — движутся хаотично, часто сталкиваясь с ионами и атомами, и изменяя при этом энергию и направление своего движения. Через любое сечение проводника в одну сторону проходит столько же электронов, сколько и в противоположную. Поэтому результирующего переноса электронов через такое сечение нет, и электрический ток равен нулю. Если же к концам проводника приложить разность потенциалов, то под действием сил электрического поля свободные заряды в проводнике начнут двигаться из области большего потенциала в область меньшего — возникнет электрический ток. Исторически сложилось так, что за направление тока принимают направление движение положительных зарядов, которое соответствует их переходу от большего потенциала к меньшему.

 

Электрический ток характеризуется силой тока I  (рис. 4.1).

 

Сила тока есть скалярная величина, численно равная заряду переносимому через поперечное сечение проводника в единицу времени                  (4.1)

 

 

Рис. 4.1. Сила тока в проводнике 

Согласно (4.1), сила тока в проводнике равна отношению заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время  к этому времени.

Замечание: В общем случае сила тока через некоторую поверхность равна потоку заряда через эту поверхность.

Если сила тока с течением времени не изменяется, то есть за любые равные промежутки времени через любое сечение проводника проходят одинаковые заряды, то такой ток называется

постоянным, и тогда заряд, протекший за время t, может быть найден как (рис. 4.2)

(4.2)

  

Рис. 4.2. Постоянный ток, протекающий через разные сечения проводника 

Величина , численно равная заряду, проходящему через единицу площади поперечного сечения проводника за единицу времени, называется плотностью тока.

 С учетом определения силы тока плотность тока через данное сечение может быть выражена через силу тока , протекающего через это сечение

(4.3)

 

При равномерном распределении потока зарядов по всей площади сечения проводника плотность тока равна

(4. 4)

 

 

В СИ единицей измерения силы тока является ампер (А). В СИ эта единица измерения является основной.

Уравнение (4.1) связывает единицы измерения силы тока и заряда

В СИ единицей измерения плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м2):

Это очень малая величина, поэтому на практике обычно имеют дело с более крупными единицами, например

 

Плотность тока можно выразить через объемную плотность зарядов  и скорость их движения v (рис. 4.3).

Рис. 4.3. К связи плотности тока j  с объемной плотностью зарядов    и дрейфовой скоростью v носителей заряда. За время dt  через площадку S  пройдут все заряды из объема dV = vdt S  

Полный заряд, проходящий за время dt через некоторую поверхность S, перпендикулярную вектору скорости v, равен

(4.5)

Так как dq/(Sdt) есть модуль плотности тока j, можно записать

(4.6)

Поскольку скорость v есть векторная величина, то и плотность тока также удобно считать векторной величиной, следовательно

 

Здесь  плотность заряда, скорость направленного движения носителей заряда.

Замечание: Для общности использован индекс , так как носителями заряда, способными участвовать в создании тока проводимости, могут быть не только электроны, но, например, протоны в пучке, полученном из ускорителя или многозарядные ионы в плазме, или так называемые «дырки» в полупроводниках «р» типа, короче, любые заряженные частицы, способные перемещаться под воздействием внешних силовых полей. 

Кроме того, удобно выразить плотность заряда  через число  носителей заряда в единице объема — (концентрацию носителей заряда) . В итоге получаем:

(4.7)

Следует подчеркнуть, что плотность тока, в отличие от силы тока — дифференциальная векторная величина. Зная плотность тока, мы знаем распределение течения заряда по проводнику. Силу тока всегда можно вычислить по его плотности. Соотношение (4.4) может быть «обращено»: если взять бесконечно малый элемент площади , то сила тока через него определится как . Соответственно, силу тока через любую поверхность S можно найти интегрированием

(4.8)

Что же понимать под скоростью заряда v, если таких зарядов — множество, и они заведомо не движутся все одинаково? В отсутствие внешнего электрического поля, скорости теплового движения носителей тока  распределены хаотично, подчиняясь общим закономерностям статистической физики. Среднее статистическое значение  ввиду изотропии распределения по направлениям теплового движения. При наложении поля возникает некоторая дрейфовая скорость — средняя скорость направленного движения носителей заряда:

которая будет отлична от нуля. Проведем аналогию. Когда вода вырывается из шланга, и мы интересуемся, какое ее количество поступает в единицу времени на клумбу, нам надо знать скорость струи и поперечное сечение шланга. И нас совершенно не волнуют скорости отдельных молекул, хотя они и очень велики, намного больше скорости струи воды, как мы убедились в предыдущей части курса.

Таким образом, скорость  в выражении (4.7) — это дрейфовая скорость носителей тока в присутствии внешнего электрического поля или любого другого силового поля, обуславливающего направленное (упорядоченное) движение носители заряда. Если в веществе возможно движение зарядов разного знака, то полная плотность тока определяется векторной суммой плотностей потоков заряда каждого знака.

Как уже указывалось, в отсутствие электрического поля движение носителей заряда хаотично и не создает результирующего тока. Если, приложив электрическое поле, сообщить носителям заряда даже малую (по сравнению с их тепловой скоростью) скорость дрейфа, то, из-за наличия в проводниках огромного количества свободных электронов, возникнет значительный ток.

Поскольку дрейфовая скорость носителей тока создается электрическим полем, логично предположить пропорциональность

так что и плотность тока будет пропорциональна вектору напряженности (рис. 4.4)

(4.9)

Более подробно этот вопрос обсуждается в Дополнении

Входящий в соотношение (4.9) 

Коэффициент пропорциональности   называется проводимостью вещества проводника.

Проводимость связывает напряженность поля в данной точке с установившейся скоростью «течения» носителей заряда. Поэтому она может зависеть от локальных свойств проводника вблизи этой точки (то есть от строения вещества), но не зависит от формы и размеров проводника в целом. Соотношение (4.9) носит название закона Ома для плотности тока в проводнике

(его называют также законом Ома в дифференциальной форме).

Рис. 4.4. Силовые линии электрического поля совпадают с линиями тока 

Чтобы понять порядки величин, оценим дрейфовую скорость носителей заряда в одном из наиболее распространенных материалов — меди. Возьмем для примера силу тока I = 1 А, и пусть площадь поперечного сечения провода составляет
1 мм² = 10^–6 м². Тогда плотность тока равна j = 10⁶ А/м². Теперь воспользуемся соотношением (4.7)

Носителями зарядов в меди являются электроны (е = 1.6·10^-19 Кл), и нам осталось оценить их концентрацию . В таблице Менделеева медь помещается в первой группе элементов, у нее один валентный электрон, который может быть отдан в зону проводимости. Поэтому число свободных электронов примерно совпадает с числом атомов. Берем из справочника плотность меди — r _Cu=8,9·10³ кг/м3. Молярная масса меди указана в таблице Менделеева — M_Cu = 63,5·10^–3 кг/моль. Отношение 

 

— это число молей в 1 м³. Умножая на число Авогадро Na = 6,02·10²³ моль^–1, получаем число атомов в единице объема, то есть концентрацию электронов

Теперь получаем искомую оценку дрейфовой скорости электронов

Для сравнения: скорости хаотического теплового движения электронов при 20°С в меди по порядку величины составляют 10⁶ м/с, то есть на одиннадцать порядков величины больше. 

Возьмем произвольную воображаемую замкнутую поверхность S, которую в разных направлениях пересекают движущиеся заряды. Мы видели, что полный ток через поверхность равен

где dq — заряд, пересекающий поверхность за время dt. Обозначим через q ‘ заряд, находящийся внутри поверхности. Его можно выразить через плотность заряда , проинтегрированную по всему объему, ограниченному поверхностью

Из фундаментального закона природы — закона сохранения заряда — следует, что заряд dq, вышедший через поверхность за время dt, уменьшит заряд q ‘ внутри поверхности точно на эту же величину, то есть dq ‘ = –dq  или

Подставляя сюда написанные выше выражения для скоростей изменения заряда внутри поверхности , получаем математическое соотношение, выражающее закон сохранения заряда в интегральной форме

(4.10)

Напомним, что интегрирования ведутся по произвольной поверхности S и ограниченному ею объему V.

Постоянный электрический ток. Направление тока, формула — материал для подготовки к Единому государственному экзамену по физике

Чтобы проводник проводил постоянный ток, он должен быть неподвижным (т.е. постоянная и не зависящая от времени) электрическое поле. Другими словами, между концами проводника должна поддерживаться постоянная разность потенциалов.

Содержание

Постоянный электрический ток

Электричество обеспечивает комфорт современной жизни. Технологический прогресс цивилизации – энергетика, транспорт, радио, телевидение, компьютеры, мобильная связь – все это основано на использовании электрического тока.

Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц, которое переносит заряд из одной области пространства в другую.

Электрический ток может генерироваться в различных средах: твердых телах, жидкостях и газах. Иногда вам даже не нужна среда – электричество может существовать даже в вакууме! Мы поговорим об этом в будущем, а пока приведем лишь несколько примеров.

– Заблокируйте клеммы аккумулятора металлической проволокой. Свободные электроны из провода начнут направленное движение от минусовой стороны батареи к плюсовой.
Это пример электричества в металлах.

– Положите щепотку поваренной соли в стакан воды. Молекулы соли будут диссоциировать на ионы, так что в растворе появятся положительные ионы и отрицательные ионы. Теперь опустите в воду два электрода, подключенных к клеммам аккумулятора. Ионы начнут двигаться к отрицательному электроду, а ионы – к положительному.
Это пример тока, протекающего через раствор электролита.

– Облака молний создают настолько сильные электрические поля, что их можно пронзить через промежуток в несколько километров в воздухе. В результате через воздух проходит гигантский разряд – молния.
Это пример электрического тока в газе.

Во всех трех примерах электрический ток вызван движением заряженных частиц внутри тела и называется ток проводимости.

– Вот несколько иной пример. Пусть мы перемещаем заряженное тело в пространстве. Эта ситуация согласуется с определением тока! Направленное движение зарядов присутствует, перенос зарядов в пространстве присутствует. Ток, возникающий в результате макроскопического движения заряженного тела, называется конвекция.

Обратите внимание, что не любое движение заряженных частиц создает ток. Например, хаотическое тепловое движение зарядов в проводнике не является направленным (оно идет в любом направлении) и поэтому не является током (когда есть ток, свободные заряды все еще совершают тепловое движение! В этом случае хаотическое движение заряженных частиц просто дополняется их упорядоченным дрейфом в определенном
направление).
Движение вперед электрически нейтрального тела также не будет током: хотя заряженные частицы в его атомах совершают направленное движение, переноса заряда из одной области пространства в другую не происходит.

Несмотря на некоторые неудобства, этот принцип позволяет понять, что принимается за направление электрического тока и куда он течет.

Направление электрического тока

Важно понимать, что электрический ток вызывает не любое движение заряженных частиц. Под воздействием тепла электроны также начинают двигаться, но их движение хаотично и не имеет определенного направления. Если к тепловому воздействию на проводник добавить электрическое поле, то электроны начинают двигаться в определенном направлении.

Направление, в котором движутся частицы, составляющие электрический ток, зависит от их заряда:

• положительные частицы переходят от “плюса” к “минусу”;
• Отрицательные частицы движутся от отрицательных к положительным.

Противоположное движение молекул наблюдается в электролитических растворах и газах. Поэтому очень важно точно установить истинное направление тока в цепи. Поэтому было решено, что движение положительных частиц происходит в направлении электрического тока. Однако это утверждение не совпадает с реальностью, когда речь идет о металлических проводниках.

Факт, что перенос заряда в них обусловлен движением отрицательно заряженных электронов. Однако мы точно знаем, что они перемещаются от отрицательного полюса к положительному. В этом случае мы должны учитывать, что направление тока противоположно движению заряженных частиц.

Несмотря на некоторые неудобства, этот принцип позволяет понять, что предполагается направлением электрического тока и куда он течет.

Исторически сложилось так, что направление электрического тока предполагается от “плюса” к “минусу”, т.е. от положительного электрода к отрицательному электроду источника питания. На самом деле, если рассматривать металлический проводник, то электроны, которые являются единственными носителями заряда, движутся от отрицательного электрода к положительному. Поэтому фактическое направление тока противоположно предполагаемому.

Направление электрического тока

Обычно предполагается, что направление электрического тока – от плюса к минусу со стороны генератора или источника энергии, и предполагается, что он течет в металлических проводниках. Однако I возникает не только в проводниках, но и в газах и жидкостях. Атомы металла связаны друг с другом в прочную кристаллическую решетку, поэтому только свободные электроны могут свободно перемещаться; ионы остаются неподвижными. Атомы в газах и жидкостях могут свободно перемещаться, потому что у них нет прочных связей. Поэтому носителями заряда являются ионы и электроны.

Поэтому при определении тока I В газах и жидкостях следует учитывать сумму положительных и отрицательных зарядов, прошедших через площадь поперечного сечения за единицу времени. Например, в металлическом проводнике I = 1 Аесли за одну секунду через проводник протекает 6,28 18 эл-онов (1 кулон).

Один ампер в газе или жидкости может произвести 3,14 18 эл-нов (0,5 Cl) и столько же положительных ионов (еще 0,5 Cl). Если ион имеет вдвое больший заряд, чем ион el-, то для производства одного ампера требуется вдвое меньше ионов.

Направление электрического тока в проводниках

Исторически сложилось так, что направление электрического тока предполагается от “плюса” к “минусу”, т.е. от положительного электрода к отрицательному электроду источника питания. На самом деле, если рассматривать металлический проводник, то электроны, которые являются единственными носителями заряда, движутся от отрицательного электрода к положительному. Поэтому фактическое направление тока противоположно предполагаемому.

Это направление было предложено Бенджамином Франклином при отсутствии в то время знаний о природе носителей электрического заряда в проводниках. На стодолларовой купюре можно увидеть портрет Бенджамина Франклина.

Направление электрического тока в газах и жидкостях

В газах и жидкостях электрический ток может течь от плюса к минусу, согласно традиционному мнению, потому что положительные ионы могут преобладать. Направление не было изменено на “вправо”, потому что оно стало слишком плотным.

При направленном движении заряженные частицы могут также участвовать в тепловом хаотическом движении. Характер движения частиц при протекании электрического тока можно сравнить с явлением конвекции в жидкостях и газах, при котором направленные конвекционные токи сопровождаются беспорядочным движением частиц.

В отсутствие электрического поля свободные электроны в проводниках движутся беспорядочно. Если концы проводника (или провода) подключить к полюсам источника тока, то в проводнике будет протекать электрический ток.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

Для того чтобы различные электроприборы – электродвигатели, лампы, плиты и т.д. работали, в них должен возникать электрический ток. Электрические приборы называются ресиверы или потребители энергии. Соединительные кабели используются для доставки электроэнергии от источника питания к потребителю.

Для регулирования протекания электрического тока и включения и выключения потребителей электроэнергии используются различные устройства контроля токаРазъединители, выключатели, автоматические выключатели и другие коммутационные и отключающие устройства.

Источник питания, электрические нагрузки и устройства управления, соединенные проводами, образуют электрическую цепь. электрическая цепь. Чтобы цепь проводила ток, она должна быть замкнута. Разрыв цепи или замена проводящей части цепи на изолятор прекращает протекание тока.

Немецкий профессор Геттингена Г.К. Лихтенберг первым ввел символы для отдельных компонентов электрических цепей. Он дал им практическую цель и использовал их в Своей работе. Благодаря ему математические знаки «+» и «-» использовались для представления электрических зарядов.

НАПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

До открытия электрона ученые предполагали, что в цепи движутся только положительные заряды. Поэтому общепринятым направлением электрического тока в цепи является направление, в котором движутся (или могут двигаться) положительные заряды в проводнике, то есть направление от положительного полюса источника тока к отрицательному полюсу. Однако это не означает, что положительные заряды движутся во всех проводниках. В одних случаях в проводнике движутся только отрицательные заряды, в других – заряды обоих знаков движутся в противоположных направлениях. Однако определение направленного тока возникло в то время, когда природа электрического тока не была полностью понята.

При направленном движении заряженные частицы могут также участвовать в хаотическом тепловом движении. Природу движения частиц при протекании электрического тока можно сравнить с явлением конвекции в жидкостях и газах, где в направленных конвективных токах наблюдается случайное движение частиц.

В металлических проводниках ток генерируется отрицательно заряженными частицами – электронами электроныкоторые движутся по цепи от отрицательного полюса источника тока к положительному полюсу. Направление тока и направление движения носителей заряда в этом случае противоположны.

Термины “электрический ток” и “направление электрического тока” были введены французским физиком Андре Мари Ампером. Именно он предложил считать направлением электрического тока то направление, в котором движется “положительное электричество”.

Благодаря работам Ампера шаг за шагом росла новая наука – электродинамика, основанная на математической теории экспериментов. В 1826 году Ампер опубликовал работу под названием “Теория электродинамических явлений, выведенная чисто из опыта”.

Ампер также ввел в науку такие термины, как “электростатика”, “электродинамика”, “соленоид”, “электродвижущая сила”, “напряжение”, “гальванометр” и даже “кибернетика”. Он предположил, что, вероятно, возникнет новая наука об общих законах процессов управления, и предложил назвать ее кибернетикой.

Вы уже видели конспект урока по физике для 8-го класса: “Электрические цепи. Направление электрического тока”..

И даже после открытия Томсоном электрона в 1897 году, конвенция о направлении тока все еще существовала. Даже если в проводнике или вакууме действительно движутся только электроны, направление тока все равно принимается за противоположное – от плюса к минусу.

Направление электрического тока

Подключите светодиод к батарее, и если полярность правильная, он будет светиться. В каком направлении будет течь ток? Все знают, что в наши дни это от плюса к минусу. Внутри батареи ток течет от отрицательного заряда к положительному – ток в этой замкнутой цепи постоянен.

Направление тока в цепи принято считать направлением движения положительно заряженных частиц, но в металлах движутся именно электроны, а они, как мы знаем, заряжены отрицательно. Поэтому в действительности термин “направление течения” является условным. Давайте выясним, почему, в то время как электроны текут от минуса к плюсу, все говорят, что ток течет от плюса к минусу. К чему этот бред?

Ответ кроется в истории возникновения электротехники. Когда Франклин разрабатывал свою теорию электричества, он рассматривал его движение как движение жидкости, которая как бы перетекает из одного тела в другое. Там, где больше электрической жидкости, она перетекает оттуда в места, где ее меньше.

Франклин называл тела с избытком электрической жидкости (условно!) положительно наэлектризованными, а тела с недостатком электрической жидкости – отрицательно наэлектризованными. Именно отсюда берет начало идея о движении электрических зарядов. Положительный заряд течет, как по системе сообщающихся сосудов, от одного заряженного тела к другому.

Позже французский исследователь Шарль Дюфе в своих экспериментах по электризации трением обнаружил, что заряжаются не только натираемые тела, но и трущиеся, причем заряды обоих тел нейтрализуются при контакте. Оказывается, существует два различных типа электрических зарядов, которые нейтрализуют друг друга при взаимодействии. Теория двух видов электричества была разработана современником Франклина Робертом Симмером, который сам убедился, что в теории Франклина что-то не совсем верно.

Шотландский физик Роберт Симмер носил две пары чулок: одну пару утепленных шерстяных чулок и вторую пару шелковых чулок. Когда он одновременно снял с ноги оба чулка, а затем вытащил один из другого, он наблюдал следующую картину: шерстяной и шелковый чулки раздулись, как бы приняв форму ноги и резко прилипнув друг к другу. В то же время чулки из того же материала, что и шерстяные, и шелковые чулки отталкивали друг друга.

Если Симмер держал в одной руке два шелковых чулка, а в другой – два шерстяных, то, когда он сводил руки вместе, отталкивание чулок из одного материала и притяжение чулок из другого материала приводило к интересному взаимодействию между ними: казалось, что разнородные чулки набрасываются друг на друга и соединяются в клубок.

Наблюдения за поведением собственных чулок привели Роберта Симмера к выводу, что в каждом теле есть не одна, а две электрические жидкости, положительная и отрицательная, которые содержатся в теле в равных количествах.

Когда два тела трутся друг о друга, некоторые из этих жидкостей могут переходить из одного тела в другое, в этом случае в одном теле будет избыток одной из жидкостей, а в другом – ее недостаток. Оба тела наэлектризованы с противоположными знаками электричества.

Тем не менее, электростатические явления можно было успешно объяснить как гипотезой Франклина, так и двухэлектронной гипотезой Симмера. В течение некоторого времени эти теории конкурировали друг с другом.

Однако, когда в 1779 году Алессандро Вольта построил свой вольтов столб, а впоследствии был изучен процесс электролиза, ученые пришли к однозначному выводу, что в растворах и жидкостях действительно движутся два противоположных тока носителей заряда – положительный и отрицательный. Дуалистическая теория электрического тока, хотя и не всеми понимаемая, продолжала преобладать.

Наконец, в 1820 году, выступая перед Парижской академией наук, Ампер предложил выбрать одно направление заряда в качестве основного направления тока. Это было удобно для него, поскольку Ампер изучал взаимодействие токов и взаимодействие токов с магнитами. И не говоря уже о том, что каждый раз во время общения по одному и тому же проводнику в двух направлениях движутся два тока с противоположными зарядами.

Ампер предложил просто принимать направление положительного электричества за направление тока и все время говорить о направлении тока, имея в виду движение положительного заряда. С тех пор утверждение Ампера о направлении течения получило широкое признание и используется по сей день.

Когда Максвелл разрабатывал свою теорию электромагнетизма и решил использовать правило правого винта для удобства определения направления вектора магнитной индукции, он также придерживался этого положения: направление тока – это направление положительного заряда.

Фарадей в свою очередь отметил, что направление тока условно, это просто удобное средство для ученых однозначно определить направление тока. Ленц, вводя свое правило Ленца (см. Основные законы электротехники), также использовал термин “направление тока” для обозначения положительного движения электрического тока. Это просто удобно.

И даже после открытия Томсоном электрона в 1897 году, конвенция о направлении тока продолжала существовать. Даже если в проводнике или вакууме действительно движутся только электроны, за направление тока все равно принимается противоположное направление – от плюса к минусу.

Спустя более века после открытия электрона, несмотря на ионные представления Фарадея, даже после появления электронных трубок и транзисторов, несмотря на сложность их описания, обычное положение вещей все еще сохраняется. Просто удобнее работать с токами, перемещаться через их магнитные поля, и это, похоже, не вызывает ни у кого реальных затруднений.

Эти идеи о движении положительных зарядов широко распространилась в научных кругах и вошла в учебники по физике. Следовательно, фактическое направление движения электронов в проводнике противоположно предполагаемому направлению электрического тока.

Общая конструкция электричества

Когда к проводнику прикладывается электрическое поле, свободные электроны (носители отрицательного заряда) начинают дрейфовать в соответствии с направлением электрического поля. Электрический ток.

Движение электронов представляет собой движение отрицательного заряда, поэтому – – -. Электрический ток – это мера количества электрического заряда, переносимого через поперечное сечение проводника в единицу времени.

В международной системе СИ единицей заряда является кулон, а единицей времени – секунда. Поэтому единицей тока является кулон в секунду (Кл/сек).

Измерение тока

Текущая единица Кулон в секунду в системе СИ имеет специальное название Ампер (A) – в честь известного французского ученого Андре-Мари Ампер (на фото в заголовке этой статьи).
Как известно, отрицательный электрический заряд электрона составляет -1,602 – 10 -19 Кулона. Поэтому один кулон электрического заряда состоит из 1 / 1,602 – 10 -19 = 6,24 – 10 – 18 электронов.
Поэтому, если 6,24 – 10 – 18 электронов пересекают поперечное сечение проводника за одну секунду, величина этого тока равна одному амперу.

Для измерения тока есть измерительный прибор – амперметр.

Рис. 1

Амперметр подключается к электрической цепи ( Рис. 1 ) последовательно с той частью цепи, сила тока которой должна быть измерена. При подключении амперметра необходимо соблюдать правильную полярность: плюс амперметра подключается к плюсу источника тока, а минус амперметра – к минусу источника тока.

Направление электрического тока

Если схема, показанная на рисунке Рис. 1 Когда выключатель замкнут, в цепи течет электрический ток. Возникает вопрос: “В каком направлении?”.

Мы знаем, что электрический ток в металлическом проводнике – это упорядоченное движение отрицательно заряженных частиц, электронов (в других средах это могут быть ионы или ионы и электроны). Отрицательно заряженные электроны во внешней цепи перемещаются от минусовой стороны источника к плюсовой стороне (подобные заряды отталкиваются друг от друга, противоположные заряды притягиваются друг к другу), это хорошо видно на примере Рис. 2 .

Учебник физики для восьмого класса дает нам другой ответ: “Направление электрического тока в цепи считается направлением движения положительных зарядов”. – то есть от плюса источника энергии к минусу источника.

Выбор направления тока, направление, противоположное истинномуОднако причины этого несоответствия можно объяснить, если проследить историю электротехники.

Дело в том, чтоИстория электротехники показывает, что электрические заряды изучались задолго до открытия электронов, поэтому природа носителей заряда в металлах еще не была известна.
Понятие положительного и отрицательного заряда было введено американским ученым и политиком Бенджамином Франклином.

В своей работе “Опыты и наблюдения над электричеством” (1747) Франклин попытался теоретически объяснить электрические явления. Он первым сделал ключевое предположение об атомной, “зернистой” природе электричества: “Электрическая материя состоит из частиц, которые должны быть чрезвычайно мелкими».

Франклин считал.что тело, накапливающее электричество, заряжено положительно, а тело, теряющее электричество, заряжено отрицательно. Когда они соединены, избыточный положительный заряд перетекает туда, где его не хватает, то есть к отрицательно заряженному телу (по аналогии с соединенным сосудом).

Эти идеи о движении положительных зарядов получили широкое распространение в научных кругах и вошли в учебники по физике. Следовательно, фактическое направление движения электронов в проводнике противоположно предполагаемому направлению электрического тока.

После открытия электрона. Ученые решили оставить все как есть, потому что многое пришлось бы изменить (и не только в учебниках), чтобы дать истинное направление течения. Это также связано с тем, что знак заряда практически ни на что не влияет, пока все используют один и тот же контракт.
Истинное направление электронов используется только при необходимости объяснить некоторые физические эффекты в полупроводниковых устройствах (диодах, транзисторах, тиристорах и т.д.).

Читайте далее:

• Многоликий протон.
• Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряда.
• 1 Понятие электромагнитного поля и его различные проявления. Материальность – Работа в школе.
• Как работает pH-электрод.
• Как и откуда берутся молнии: типы, физическая природа, причины. Физика атмосферы.
• Куда течет электричество; Сайт для электриков – статьи, советы, примеры, схемы.
• Что такое электродный потенциал; Школа для инженеров-электриков: электротехника и электроника.

Каково направление потока электричества в цепи постоянного тока?

спросил 3 года 9 месяцев назад

Изменено 5 месяцев назад

Просмотрено 4к раз

$\begingroup$

Я знаю, что в переменном токе направление потока электронов постоянно меняется, но этот вопрос для цепи постоянного тока, как светодиод с батарейкой.

Ток в такой цепи течет от — стороны батареи к + стороне батареи? Для меня это имеет смысл, поскольку отрицательная сторона хочет избавиться от отрицательных электронов, поскольку их слишком много, а положительная сторона хочет получить электроны, чтобы они двигались в этом направлении.

Но недавно я услышал, что на самом деле все наоборот? + > — Я также слышал, что это связано с тем, как впервые было открыто электричество, и они ошиблись? Теперь я действительно запутался, как он на самом деле течет, или это просто названия положительных и отрицательных сторон батареи перевернуты..

Кто-нибудь может пролить свет на это? Я был бы очень признателен.

• электричество
• электрические цепи

$\endgroup$

2

$\begingroup$

Направление тока на самом деле является условным. Прежде чем мы узнали, что движущимися зарядами являются электроны, люди думали, что положительные заряды ответственны за ток. Но это не имеет значения, есть 2 переворота знака, когда вы меняете с отрицательного на положительный или наоборот: один для направления тока, а другой для знака заряда. Вы получите тот же ответ, что и раньше.

$\endgroup$

$\begingroup$

Лучше всего представить это так: проводник в цепи, например, такой металл, как медь, представляет собой решетку выровненных атомов. Теперь + заряд подобен дырке в решетке, в которой есть атом меди, которому не хватает одного электрона. Этот положительный заряд течет от + полюса к — полюсу, что подобно дырке одного недостающего электрона в решетке, движущейся к — полюсу. И движется к отрицательному полюсу, потому что этот полюс богаче электронами. Таким образом, через решетку текут не электроны, а дырки (отсутствующие электроны), которые по определению являются положительными зарядами. Вы также можете представить это как колодец или долину, в которой группа атомов меди имеет меньше электронов, чем их нейтральное состояние. Эта яма смещается по решетке к отрицательному полюсу. На самом деле некоторые электроны также прыгают в решетку и устремляются к дырам (или ямам), чтобы заполнить их. Эти электроны действительно движутся к положительному полюсу, но обычно они не так быстро перемещаются по решетке. Дырки (с + зарядами) подобны маленьким вакуумным пузырькам недостающих электронов. Эти переключаются быстрее. Так что ток в данном случае — это ток электронных ям (пузырьков недостающих электронов в решетке проводника), которые движутся к отрицательному полюсу.

Теперь важно понять, что электрические токи отличаются от водяных течений, в которых давление, создаваемое потоком молекул воды, вызывает кинетическую энергию. Как, например, в паровой машине, в которой давление приводит в движение поршни. Электрическая энергия не производится электронами, толкающими что-либо и оказывающими давление. Энергия становится кинетической, когда положительно заряженные молекулы притягиваются к отрицательно заряженным молекулам, особенно если обе находятся в твердом состоянии и должны физически двигаться навстречу друг другу, как это происходит во вращающемся электродвигателе.

Таким образом, можно сказать, что в случае течения воды это отталкивание, то есть давление многих молекул воды на барьеры, вызывающее движение. В случае электрических токов именно притяжение (разноименных зарядов) в твердых телах вызывает движение. Или, в случае с лампочкой, производит тепло, которое излучает свет в определенных элементах.

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Ток течет со стороны + на сторону -. Однако электроны перетекают со стороны — на сторону +. Эти утверждения не противоречат друг другу, если вы понимаете, что такое ток.

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Причина, по которой текущее направление + к -: Франклин бросил монету, и она упала не туда!

Объясняет, почему символ диода указывает НЕПРАВИЛЬНО!!

Серьезно. Я не шучу!

$\endgroup$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

КАК ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ТЕЧИТ ТОК?

Если вы EE, вы определенно знаете ответ на этот вопрос, или, по крайней мере, вы думаете, что знаете. Если вы сказали положительное отрицательному, вы ошибаетесь. Затем вы помните, что ток — это заряд электронов, движущихся в проводнике, и они переходят от отрицательного к положительному. Конечно, это правильный ответ. Так почему же все обычно ошибаются? Просто потому, что этому их учили в колледже. Это кажется универсальной условностью, но я не могу понять, почему в колледжах не учат истине? Но тогда вы задаетесь вопросом, должны ли мы действительно заботиться? И зачем я вообще это поднимаю? Просто мой интерес, я думаю.

Как профессор электроники, когда-то полный рабочий день, а теперь адъюнкт, я учу тому, что ток представляет собой поток электронов, а затем переключаюсь на обучение положительному и отрицательному потоку, что, по мнению большинства колледжей и университетов, является правильным способом преподавания того, как работают электрические цепи и как проектировать и анализировать их. Большинство учебников показывают текущие стрелки от положительного к отрицательному. Почему это? С тех пор, как я начал преподавать, я снова и снова задавал этот вопрос профессорам, которых встречал. Все говорят одно и то же по-разному. Например: «Вот как я это выучил». Или «Все учебники так показывают». Или «Это традиция». Некоторые даже говорят, что эту концепцию легче понять или что все символы диодов и транзисторов используют стрелки, указывающие на это. Я совсем не так это вижу. Я действительно такой тупой? Для меня все эти усилия — просто увековечивание мифа. Почему бы не учить истине? Скажите это любому профессору колледжа, и вы получите аргумент всей жизни. Я никогда не видел столько энтузиазма по поводу такой темы. Я люблю время от времени поднимать этот вопрос на собраниях преподавателей, просто чтобы засвидетельствовать хаос.

Я полагаю, традиции — это самое главное. В самом начале пионеры электротехники действительно не знали, в каком направлении течет ток или каким он был на самом деле. Некоторые представляли это как сок или жидкость. Другие думали, что это какая-то неизвестная частица. Но все они, казалось, согласились с общим направлением, от положительного к отрицательному. Это стало известно как обычный поток тока. Затем, в 1897 году, британский физик Томпсон обнаружил, что ток на самом деле представляет собой электроны, когда он проводил некоторые исследования на ЭЛТ. Тем не менее, даже когда правда стала известна, все придерживались старой модели. Профессора привыкли преподавать таким образом, были написаны книги, установлены стандарты, а остальное уже история. Конец истории.

Я пришел в инженерию по пути техника. Я изучал электронику в техникуме, и меня учили, что ток — это поток электронов, и весь анализ цепей проводился таким образом. Даже учебники для технических специалистов показывали настоящую правду о переходе от отрицательного к положительному. Все еще делаю. И военные тоже учат отрицательному течению к положительному. Я по-прежнему скатываюсь от негативного к позитивному режиму, когда преподаю, хотя колледжи по-прежнему настаивают на том, чтобы мы делали акцент на обычном потоке. Я никогда не считал это недостатком. В самом деле, что такого сложного, что профессор не может научить и тому, и другому? Студенты определенно достаточно умны, чтобы понять разницу. Зачем запутывать, избегать или высмеивать правду, как это часто бывает в академических кругах?

Одна причудливая вещь, которая действительно раздражает меня, заключается в том, что многие издатели учебников на самом деле тратят усилия и средства на создание двух версий своих текстов, одну с обычным потоком, а другую с электронным потоком. Если они не поймут правильное направление, профессора не примут книгу. Глупо, да? Но это путь академического мира. Никто не хотел бы быть пойманным на «неправильном» обучении текущему течению.

В конце концов, я думаю, это не имеет значения. Когда мы проектируем в эти дни, кого это волнует? Даже расширенный сетевой анализ с помощью ячеистых или узловых решений выполняется с помощью программного обеспечения, где, как и в прошлом, вам приходилось обращать внимание на то, как вы рисовали стрелки.