Направление тока в цепи: как определить, что принято за направление

куда он может течь, частицы переноса, определение стороны

Физика

12.11.21

14 мин.

Ток образуется при определённом перемещении частиц. Традиционно за них принимают электроны и ионы. Но на самом деле всё гораздо сложнее. В движении участвуют как положительные носители зарядов, так и отрицательные, поэтому, чтобы было удобно исследовать процессы, за направление электрического тока взяли изменение положения плюсовых частиц. Другими словами, учёные договорились, что он течёт по проводнику от «плюса» к «минусу».

Оглавление:

• Общие сведения
• Электрический ток в веществах
• Направление движения
• История принятия направления

Общие сведения

Скалярная физическая величина, позволяющая телу излучать электромагнитное поле, называется зарядом. Он не может существовать сам по себе без носителей. В качестве их принимаются подвижные частицы или квазичастицы.

Именно они обеспечивают возникновение электрического тока. Например, в качестве их может выступать электрон, ион, дырка или позитрон.

За единицу измерения электрического заряда принят кулон (Кл). Фактически он показывает, сколько прошло через поперечное сечение элементарных частиц. При этом ток принимают равный одному амперу, а время одной секунде. Несмотря на то что в замкнутой системе могут появляться новые частицы, обладающие зарядом, их общее число всегда остаётся постоянным. Если одни рождаются, то другие уничтожаются. Эта закономерность установлена была в 1843 году Фарадеем и известна как закон сохранения электрического заряда.

В любом физическом теле имеются носители зарядов. Если на них не оказывается взаимодействие, наступает так называемый электронный баланс: энергия находится на постоянном уровне. Когда движение частиц происходит хаотично, она поглощается и выделяется в равных частях. Но если к телу приложена внешняя сила, которая заставляет двигаться заряды в одном направлении, возникает электрический ток.

Поток частиц может быть двух видов:

1. Переменный — характеризуется изменением значения и направления во времени. Течение зарядов изменяется по определённому закону. Чаще всего это синусоидальная функция. Если выполнить измерение, можно увидеть, что ток будет непрерывно изменять направление.
2. Постоянный — при его возникновении направление движение носителей заряда не изменяется или смена выражена слабо. В последнем случае ток считают пульсирующим. Фактически это периодический электрический ток, у которого среднее значение за период отлично от нуля. Получается он при выпрямлении переменного.

Количественной характеристикой направленного потока является сила. Её определяют, как количество заряженных частиц, пройденное через поперечное сечение за единицу времени. Вокруг каждого носителя существует электрическое поле. Оно описывается с помощью напряжения, величина которого находится как разность потенциалов. Это характеристика, которая показывает изменение заряд при переходе частицы из одного положения в другое.

Электрический ток в веществах

Направленное движение частиц может возникнуть в разных физических телах вне зависимости от их агрегатного состояния. Способность вещества пропускать через себя ток определяется проводимостью. Это параметр характеризуется числом свободных носителей, которые участвуют в переносе заряда.

В зависимости от своих физических свойств, все существующие тела можно разделить на следующие виды:

1. Проводники — твёрдые вещества, имеющие достаточное количество свободных электронов, которые и являются источником тока. Основными носителями в них являются электроны. К ним относятся все металлы.
2. Диэлектрики — материалы с большой величиной удельного сопротивления, в них практически невозможно создать ток.
3. Полупроводники — по проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Их характеристики сильно зависят от температуры и степени примесей в кристаллической решётке.
4. Электролиты — жидкости, способные пропускать электрический ток. Как пример, можно привести водные растворы кислот, щелочей, солей. При взаимодействии с водой молекулы веществ распадаются на ионы. Они, в свою очередь, образуют отдельные атомы или группы. Эти образования обладают положительным зарядом (катионы) или отрицательным (анионы).
5. Газы и плазма — ток в них создаётся за счёт перемещения электронов и положительных ионов.
6. Вакуум — основные носители электроны. Чтобы они появились, в среду вводят металлические электроды.

Таким образом, в веществах токи возникают в результате упорядоченного изменения положения заряженных частиц относительно той или иной среды. Этот процесс называют возникновением тока проводимости. Но вместе с этим существует и движение макроскопических заряженных тел — конвекционное. Примером такого вида тока могут служить капли дождя во время грома.

Атомы проводников прочно сидят в кристаллической решётке, поэтому свободно двигаться могут только электроны, не имеющие связей. Частицы же газов и жидкостей могут перемещаться, так как не имеют прочных связей, поэтому носителями зарядов будут как ионы, так и электроны. Их дрейфовая скорость определяется типом материала проводника, массой, окружающей температурой и приложенной разностью потенциалов.

Направление движения

Скорость распространения электричества по проводникам очень высока. По заверениям учёных, она приближается к значению, равному распространению света. Но эта скорость не определяет движение самих зарядов. Всё дело в том, что в замкнутой цепи под действием внешней силы свободные частицы взаимодействуют по всей длине тела, поэтому скорость распространения зарядов имеет своё название — дрейфовая.

В какую сторону направлено перемещение положительных зарядов, ту и принимают за направление электрического тока. Но известно, что в металлах электроны выступают как носители, поэтому выбор направления был принят условно. Физики договорились, что

ток направлен от плюса к минусу. Это было связано с опытами Франклина, разрабатывающего свою жидкостную теорию. Он увидел, что перетекание в сообщающих сосудах происходит из большей ёмкости в меньшую, то есть из более электризованного места в меньшее.

Например, в полупроводнике можно представить себе цепочку атомов, в которой появился положительный ион. За счёт действия поля произойдёт перемещение электрона от атома, стоящего после частицы к нему. Затем по цепочке носитель заряда начнёт переходить от третьего атома ко второму иону, от четвёртого к третьему. Значит, в полупроводнике ток течёт против поля. Перенос зарядов от атомов, заряженных нейтрально, происходит за счёт движения электронов против действия силовых линий и дырок, совпадающих с ними по направлению.

Свободный электрон, встречаясь с дыркой, образует положительный ион.

Этот процесс называют рекомбинацией. В идеальном проводнике примесей нет, поэтому уничтожение дырок и электронов не происходит. Число положительных и отрицательных частиц одинаково. Но в природе таких материалов нет, а изготовить их такого качества довольно трудно и дорого.

Свойства веществ изменяются в зависимости от типов примеси. Дырочный механизм может вовсе отсутствовать, а ток будет идти только за счёт свободных электронов. Такие материалы называют электронными. В ином же случае — дырочными. Например, при соединении металла с полупроводником ток может течь как от первого материала ко второму, так и обратно. Это связано с тем, что в электронном полупроводнике из-за избытка отрицательных частиц происходит их диффундирование в металл, а в дырочном — наоборот.

История принятия направления

Французский экспериментатор Шарль Франсуа Дюфе, проводя опыты с электризацией путём натирания эбонитовой палочки, смог определить, что заряжалось не только тело, но и непосредственно эбонит.

При этом возникающий заряд нейтрализовался. Таким образом, было установлено, что существуют 2 вида зарядов, одновременно находящихся в электромагнитном поле.

Позже этот эффект подтвердил и Роберт Симмер. Физик родом из Шотландии одевал 2 пары чулок. Первые были с утеплением, а вторые шёлковые. Снимая сразу с ноги оба чулка, он обратил внимание, что если их потом выдёргивать один из одного они изменяют форму. Сначала колготы раздувались, а позже резко слипались. При этом если чулки были изготовлены из однородного материала, например, шерсти, они отталкивались друг от друга.

Эти наблюдения привели учёного к выводу, что в каждом теле содержится не 1, а 2 вида материи в одинаковом количестве. При взаимодействии веществ какая-то её часть может перейти к другой. В результате в одном станет избыточное содержание каких-то зарядов, а в другом их недостаток. Оба материала станут наэлектризованными и противоположными по знаку.

В 1779 Вольт создал столб, генерирующий электричество. Это был один из первых источников тока. С его помощью удалось исследовать электролиз. В итоге учёный смог подтвердить, что в жидкостях существует 2 противоположно заряженных потока частиц. Так было достоверно установлено, каким будет путь движения электрического тока.

Увидеть, куда условно течёт ток, можно экспериментально. Этот опыт часто показывают в седьмом классе на физике. Для него понадобится:

• полиэтилен;
• 2 электрометра;
• проволока.

С помощью проводника нужно соединить электрометры и, потерев полиэтилен, поднести его к устройствам. На обеих шкалах измерителей стрелка отклонится в одну сторону. Это говорит, что заряды одного знака скопились в первом устройстве, а другого во втором. Произошло перемещение как одного знака зарядов, так и другого.

Через 30 лет Ампер предложил для удобства описания экспериментов выбрать, каково же будет направление тока. За него было решено принять движение положительно заряженной частицы. С тех пор предложенное физиками положение об условном направлении было принято повсюду, и не изменилось до сих пор. Даже несмотря на то, что в вакууме перемещаются только отрицательно заряженные электроны, всё равно направление тока выбирается от плюса к минусу.

Направление электрического тока в цепи и его движение

Содержание:

Что такое электрический ток

Электрический ток — это направленное движение электрических зарядов.

В металлических проводниках движутся отрицательные заряды, т.е. электроны.

В других проводниках, таких как жидкие электролиты, положительные и отрицательные ионы могут двигаться в определенном направлении.

В полупроводниках электроны и дырки несут заряд.

Примечания: Дыра — это псевдочастица, свободное пространство для электрона. Он заряжен положительно и может рассматриваться как пузырек в электронном газе.

Рисунок 5. В различных средах электрический ток создает такие заряды.

Мы видим, что электрический ток может быть вызван движением как положительных, так и отрицательных частиц.

В этом случае положительные частицы притягиваются к отрицательному полюсу источника тока и движутся к нему по цепи.

А отрицательные частицы также притягиваются к положительному полюсу источника тока и движутся к нему.

Примечание: Чтобы определить направление движения заряженных частиц, мы можем использовать коэффициент расхода воды: Заряды перемещаются, как вода, из тех мест, где их много, в те, где их мало. В начале развития теории электричества предполагалось, что в телах при протекании тока течет своего рода электрическая жидкость. Поэтому аналогия с потоком воды была перенесена на электричество. Позже выяснилось, что в корпусах нет электрической жидкости.

Если заряды движутся в одном направлении, то и ток имеет направление.

Природа электрического тока

Атомы состоят из ядер и вращающихся вокруг них электронов. У последних заряд отрицательный. Ядро включает в себя частицы, заряженные положительно (протоны), и нейтральные (нейтроны). Обычно атом не имеет заряда, однако если по каким-то причинам электроны покидают орбиту, то он теряет свою нейтральность и становится ионом, заряженным положительно.

Движущиеся электроны создают электрический ток. Он возникает при наличии упорядоченного перемещения зарядов. Сила тока в цепи выражается количеством электронов, переместившихся через фиксированное поперечное сечение проводника за единицу времени. Эта величина обозначается символом «I». Он применяется уже много десятилетий. Такое обозначение является традиционным.

В радиосхемах обычно рассматривается движение зарядов по проводникам или по полупроводникам. Особенностью металлов считается то, что электроны отрываются от атомов относительно легко. Они движутся под действием электрополя, которое образуется благодаря разности потенциалов на клеммах источника электротока. Определить, каково направление электрического тока можно по правилу Ампера.

Виды токов

Сила постоянного тока с течением времени не изменяется. В этом случае после включения заряд перемещается по проводнику с одной и той же скоростью. Поэтому определение направления тока осуществляется по простым правилам.

В электротехнике распространено использование переменного тока. В этом случае речь идёт о его циклическом изменении, которое происходит по синусоидальному закону. При этом электрический ток меняет и направление, и величину.

Например, в нашей сети электропитания ток имеет частоту 50 Гц и соответствует амплитуде изменения напряжения 220 В. Но в различных странах используется бытовая электросеть с другими параметрами. При этом направление силы тока будет всегда меняться циклически.

Иногда дополнительно выделяют пульсирующий ток. Он сохраняет свой знак, но периодически меняет абсолютную величину. Также возможно существование электротока, который носит произвольный характер. В таком случае силу и направление тока предсказать невозможно.

Надо заметить, что в проводниках движение электронов существует всегда. Оно становится направленным под действием электрополя. Однако и при этом движение в значительной степени сохраняет хаотичность. Просто при перемещении электронов возникает преимущественное направление тока. Оно выражено тем сильнее, чем больше прилагаемая разность потенциалов. Определить направление тока в проводнике можно по обычному правилу.

Ток может возникать не только в твёрдых телах, но и в газах или жидкостях. В первом случае атомы привязаны друг к другу, поэтому свободно перемещаться могут только электроны. В газах и жидкостях атомы способны так же свободно двигаться, как и электроны.

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:

(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:

(2)

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

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

Направление электрического тока

Свободные электроны.. Электрический ток.. Измерение тока.. Амперметр.. Единица силы тока — Ампер.. Направление электрического тока.. Направление движения электронов..

• Когда электрическое поле прикладывается к проводнику, свободные электроны (носители отрицательного заряда) начинают дрейфовать в соответствии с направлением электрического поля – возникает электрический ток.
• Движение электронов означает движение отрицательных зарядов, следовательно, – электрический ток являетсямерой количества электрического заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за единицу времени.
• Измерение тока
• Единица силы тока Кулон в секунду в системе СИ имеет конкретное название Ампер (А) – в честь знаменитого французского ученого Андре-Мари Ампера (на фото в заголовке статьи).

В международной системе СИ единица измерения заряда – Кулон, а единица времени – секунда. Поэтому единица силы тока – Кулон в секунду (Кл/сек).

Как мы знаем, величина отрицательного электрического заряда электрона -1,602 • 10-19 Кулона. Поэтому один Кулон электрического заряда состоит из 1 / 1,602 • 10-19 = 6,24 • 1018 электронов. Следовательно, если 6,24 • 1018 электронов пересекает поперечное сечение проводника за одну секунду, то величина такого тока равна одному амперу.

Для измерения силы тока существует измерительный прибор — амперметр.

Амперметр включается в электрическую цепь (рис. 1) последовательно с тем элементом цепи, силу тока в котором необходимо измерить. При подключении амперметра нужно соблюдать полярность: «плюс» амперметра подключается к «плюсу» источника тока, а «минус» амперметра — к «минусу» источника тока.

Направление электрического тока

Если в электрической цепи, показанной на рис. 1 замкнуть контакты выключателя, то по этой цепи потечет электрический ток. Возникает вопрос: «А в каком направлении?»

Мы знаем, что электрическим током в металлических проводниках называется упорядоченное движение отрицательно заряженных частиц – электронов (в других средах это могут быть ионы или ионы и электроны).

Отрицательно заряженные электроны во внешней цепи двигаются от минуса источника к плюсу (одноименные заряды отталкиваются, противоположные — притягиваются), что хорошо иллюстрирует рис.

Выбор направления тока, противоположного истинному, иначе как парадоксальным назвать нельзя, но объяснить причины такого несоответствия можно, если проследить историю развития электротехники.

Дело в том, что электрические заряды стали изучать задолго до того, как были открыты электроны, поэтому природа носителей заряда в металлах была еще неизвестна.

Понятие о положительном и отрицательном заряде ввёл американский ученый и политический деятель Бенджамин Франклин.

В своей работе «Опыты и наблюдения над электричеством» (1747 г.) Франклин предпринял попытку теоретически объяснить электрические явления. Именно он первым высказал важнейшее предположение об атомарной, «зернистой» природе электричества: «Электрическая материя состоит из частичек, которые должны быть чрезвычайно мелкими».

Франклин полагал, что тело, которое накапливает электричество, заряжается положительно, а тело, теряющее электричество, заряжается отрицательно. При их соединении избыточный положительный заряд перетекает туда, где его недостает, то есть к отрицательно заряженному телу (по аналогии с сообщающими сосудами).

Эти представления о движении положительных зарядов широко распространились в научных кругах и вошли в учебники физики. Так и получилось, что действительное направление движения электронов в проводнике противоположно принятому направлению электрического тока.

После открытия электрона ученые решили оставить все как есть, поскольку пришлось бы очень многое изменять (и не только в учебниках), если указывать истинное направление тока. Также это связано и с тем, что знак заряда практически ни на что не влияет, пока все используют одно и то же соглашение.

Как определяется в проводе, способы

Наличие тока в проводнике нельзя определить визуально. Способы его обнаружения основываются на его воздействии на окружающую среду:

1. Тепловое воздействие. Если ток протекает через провод, то последний будет нагреваться. Это свойство реализуется в лампах накаливания (вольфрамовая нить накаляется и светится при пропускании через нее тока), утюгах и электроплитах. Такой тип воздействия описывается законом Джоуля-Ленца:

Q=I2·R·∆t, где Q — количество теплоты, Дж; I — сила тока, А; R — сопротивление, Ом;∆t — время прохождения тока, с.

2. Химическое воздействие. Это свойство часто применяется в различных растворах. При пропускании тока через подкисленную воду она распадается на составляющие: водород и кислород. Если пропустить ток через раствор медного купороса, в нем выделятся положительные ионы меди. На химическом воздействии основан электролиз, используемый в гальванопластике, для получения алюминия и др.

3. Магнитное воздействие основано на том, что движущиеся заряды создают вокруг себя магнитное поле. Отметим, что это утверждение справедливо и в случае постоянного тока, и в случае переменного.

Обнаружить ток можно, поместив рядом два провода. При прохождении тока проводники начнут либо притягиваться друг к другу, либо отталкиваться. Если векторы плотности тока являются сонаправленными, провода начнут сближаться, если противоположно направлены — отталкиваться.

На явлении магнетизма основана работа электромагнитов. Простейший электромагнит представляет собой катушку, сердечник которой выполнен из ферромагнитного материала, а по обмотке протекает электрический ток. В результате возникает магнитное поле.

Как найти направление тока, формула, правило буравчика

Магнитное поле, возникающее при протекании электрического тока в проводнике, характеризуется магнитной индукцией B→.

Величина индукции, появившейся под действием постоянного электрического тока, определяется законом Био-Савара-Лапласа. Формула в векторной форме для элемента ∆l проводника с током I имеет вид:

Формула 4

ΔB→=μ04π·I·Δl→×r→r3,

где ΔB→ — индукция, создаваемая в некоторой точке, Тл;

r→ — радиус-вектор, проведенный от элемента Δl к точке, в которой необходимо найти индукцию, м;

μ0 — магнитная постоянная, равная 4π·10-7Гн/м.

Запись закона в скалярной форме будет зависеть от формы проводника (прямой провод, соленоид и т.д.).

Направления составляющих векторного произведения можно определить по правилу буравчика.

Правило 1

Правило буравчика для элемента проводника. Направление вектора B в заданной точке будет совпадать с поступательным движением ручки буравчика, если вращать буравчик в сторону наименьшего угла от вектора Δl→ к вектору r→.

Из правила буравчика можно сделать вывод о том, что вектор B всегда лежит в плоскости, перпендикулярной направлению тока.

При протекании тока по проводнику линии индукции B охватывают проводник, сформулируем правило буравчика и правило правой руки для этого случая.

Правило 2

Правило буравчика для проводника с током. Буравчик направить так, чтобы при совершении оборота направление вращения совпадало с направлением линий магнитного поля. Направление тока в этом случае будет совпадать с поступательным движением буравчика.

Правило 3

Правило правой руки. Ладонью правой руки охватывают проводник так, чтобы четыре пальца совпадали с силовыми линиями магнитного поля. Отогнутый большой палец укажет направление движения зарядов.

В соленоиде направление линий магнитного поля и тока также определяются по правилу буравчика: если ток в витках направлен по часовой стрелке, вектор В направлен вниз, если против — вверх.

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
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
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

Какой заряд  пройдёт через поперечное сечение  нашего проводника за время ?

С одной стороны, разумеется,

(3)

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

Следовательно, их общий заряд будет равен:

(4)

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

(5)

Соответственно, плотность тока оказывается равна:

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

Заряд электрона известен:  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:

м

Положим  мм . Из формулы (5) получим:

 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; напряжённость
поля 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 , где
— напряжение на концах проводника,
— напряжённость стационарного поля в проводнике,
— длина проводника.

Предыдущая

ТеорияКак найти КПД источника тока?

Следующая

ТеорияТиристорный преобразователь частоты

Направление электрического тока

Направление электрического тока может быть немного запутанной темой. Здесь мы рассмотрели ваш запрос. Надеюсь, что эта статья поможет вам понять направление тока.

Электрический ток

Каждая частица в природе, кроме изоляторов*, имеет в себе большое количество свободных электронов. Эти электроны беспорядочно движутся во всех направлениях внутри материала при нормальных условиях. Если к этим материалам приложить определенное напряжение, все эти электроны начнут двигаться из области более высокого потенциала в область более низкого потенциала. Это движение электронов из области более высокого потенциала в область более низкого потенциала под действием электрического поля составляет электрический ток.

*свободных электронов в изоляторе не будет, если его поддерживать при нормальной или комнатной температуре.

Определение тока

Электрический ток обычно называют потоком зарядов через проводник. Его можно определить как количество заряда , протекающего через площадь поперечного сечения проводника. Другими словами, термин «ток» можно определить как скорость протекания зарядов через проводник. Подробнее об электрическом токе

Математическое выражение электрического тока

Электрический ток измеряется количеством электронов, проходящих мимо определенной точки проводника или цепи в единицу времени.

I = ^Q / _t

Где Q — заряд электронов, протекающих через проводник. t — время течения в секундах.

В каком направлении течет электрический ток?

Направление электрического тока немного сложно понять тем, кого учили, что ток течет от положительного к отрицательному. За этим явлением стоят две теории. Одна из них — теория обычного тока, а другая — теория фактического течения. Когда Бенджамин Франклин изучал заряды, строение атома и атомных частиц было неизвестно. Поэтому он принял точку накопления заряда за положительную, а точку с дефицитом зарядов за отрицательную. Поэтому говорят, что заряд течет от положительного к отрицательному. Это называется обычным током.

Но на самом деле электрический ток — это не что иное, как поток электронов. Электроны являются отрицательно заряженными частицами и притягиваются к положительному заряду. Кроме того, многие эксперименты показали, что в проводнике текут свободные электроны. Отрицательно заряженные электроны движутся от отрицательного полюса к положительному. Это направление фактического течения тока.

Направление тока при анализе цепей

При анализе цепей мы обычно рассматриваем направление электрического тока от положительного к отрицательному. Математически отрицательные заряды, текущие в одном направлении, эквивалентны положительным зарядам, текущим в противоположном направлении. Следовательно, это не имеет значения. При анализе цепи можно рассмотреть протекание тока от положительного к отрицательному или наоборот. На самом деле, положительно заряженные ионы могут притягиваться отрицательно заряженными электронами.

Единица силы тока

Единицей силы тока является ампер или А. Один ампер равен одному кулону в секунду, тогда как один кулон равен 6,25 x 10 ¹⁸ электронов. Говоря, что через цепь протекает ток силой один ампер, подразумевается, что 6,25 x 10 ¹⁸ электронов пересекают точку цепи в секунду.

Теги Теория цепей

Copyright © 2023 Electrical Classroom. Защищено законом о защите авторских прав в цифровую эпоху Продолжая использовать этот веб-сайт, вы соглашаетесь с нашей политикой в ​​отношении файлов cookie.
Посмотреть Политика конфиденциальности Посмотреть Карта сайта

Направление электрического тока

Изучение физики и химия легко и свободно — Наука для начальной школы, средней школы и средняя школа

Бесплатная электроэнергия онлайн уроки для начальной школы, средней школы и старшей школы.

электрический ток

Направление электрического тока в цепи

1) Условное направление электрического тока

Вне батареи или электрогенератора протекает электрический ток от отрицательного к положительному выводу.

2) Ла представление чувствительного элемента по схеме

Направление тока можно указать на электрической схеме, поместив красная стрелка с одной стороны.