Несмотря на то что физика считается точной наукой, подтверждающей теории экспериментами, направление электрического тока приняли условным. Всё дело в том, что механизм движения носителей зарядов зависит от ряда свойств проводника. Причём в переносе энергии участвуют как положительные частицы, так и отрицательные. Но для удобства проведения исследований было выбрано направление течения от плюса к минусу.
Общие сведения
Основой физического тела является его кристаллическая решётка. Состоит она из узлов, называемых атомами. Они, в свою очередь, включают положительно заряженные протоны и нейтроны. Вокруг ядра по орбиталям вращаются электроны. Это частицы, обладающие отрицательным зарядом. Между частями решётки существует связь. Обусловлена она электрическими силами.
Энергетическое состояние тела, на которое не оказывается внешнее воздействие, можно описать как равновесное. То есть заряды, которыми обладают электроны и протоны, компенсируют друг друга. Но наряду с этим в различных телах, называемых проводниками, существуют свободные частицы. В качестве их выступают электроны, не имеющие связи с атомами.
Если на тело не оказывается воздействие, отрицательно заряженные частицы хаотично перемещаются в теле. Никаких сил или явлений не обнаруживается. Но если к телу приложить внешнее воздействие, например, деформировать или внести под действие электромагнитного поля, хаотичное движение электронов превращается в упорядоченное. Свободные носители зарядов начинают двигаться в одном направлении, тем самым изменяя потенциал в точках. Появляется электрический ток.
Это величина описывается двумя характеристиками:
- скалярной — сила тока;
- векторной — плотность тока.
В Международной системе единиц сила тока измеряется в амперах (A). Зависит она от разности потенциалов и сопротивляемости тела течению носителей зарядов. По сути, она определяется отношением количества прошедших заряженных частиц через поперечное сечение материала за единицу времени: I = Δ Q / Δt. Плотность же тока определяет значение силы, протекающей через единичную поверхность: j = I / S.
Если ток в течение времени не изменяется по величине, его называют постоянным. В ином случае — переменным. Для второго вида ещё говорят, что ток течёт по гармоническому закону. Чаще всего для описания переменного тока используют синусоидальную функцию. Постоянный сигнал возникает из гальванических элементов или динамо-машин, а переменный выдают генераторы.
Сущность электричества
Случайное движение электронов в теле существует всегда. Называется оно тепловым. Из-за того, что электрон имеет маленькую массу, скорость движения носителя заряда довольно высокая. При комнатной температуре она составляет примерно 100 км/с. Создать направленное движение, получить ток, можно и самостоятельно с помощью простых предметов. Для этого понадобится приготовить:
- 2 электрометра — устройства, позволяющие обнаруживать электрические заряды.
- Проводник.
- Лист пластика.
- Бумагу.
После трения бумаги о пластик произойдёт электризация предметов. На них начнут скапливаться заряды одного знака. Это можно проверить, поднеся пластиковый лист к замкнутым проводником электрометрам. Стрелки на приборах отклонятся в одну и ту же сторону. Происходит это из-за скопления носителей частиц. Если убрать проводник, заряды не смогут вернуться, то есть оба электрометра останутся заряженными.
Проверить, какой заряд находится в устройствах, можно с помощью эбонитовой палочки. Известно, что если её потереть о шёлк, на ней скапливаются отрицательные частицы. Поднеся её к электрометрам, можно обнаружить, что на одном стрелка вернётся в исходное состояние, а на втором отклонится ещё больше. Другими словами, первое устройство будет характеризоваться избытком электронов, а второе — их недостатком.
Теперь если соединить 2 противоположно заряженных электрометра проводником, стрелки вернутся к нулю. Произошедшее можно объяснить существованием электрического поля. Под его действием элементарные носители зарядов начинают двигаться в проводнике. Из места, где их больше, они перемещаются туда, где их меньше. Это и есть направленное движение электрозарядов, то есть электрический ток.
Итак, при соединении проводником противоположно заряженных предметов возникает направленное движение электронов. О существовании электрического тока учёные узнали в конце XVIII веке. Но электроны были открыты только в XIX веке (1897 год). Физики, когда получили электроток, понимали, что происходит движение зарядов, но какова их природа, не знали, поэтому решили принимать за направление электрического тока движение положительных частиц. Это решение, как выяснилось в дальнейшем, оказалось не совсем корректным.
Источники тока
Чтобы существовал электрический ток, нужно создать ряд условий. Причём он должен не просто быть, а протекать длительное время, то есть не пропадать мгновенно. Существуют материалы, в которых частицы не имеют возможности двигаться. Это связано с их сильным межатомным взаимодействием и отсутствием свободных носителей зарядов. Такие вещества называются диэлектриками. В качестве их примеров можно привести пластмассы, дистиллированную воду, сухое дерево, поливинилхлорид, резину.
Необходимые условия можно представить в следующем виде:
- Наличие свободных носителей. В металле это электроны, в жидкостях — положительные и отрицательные ионы.
- Образование электрического поля. Создаётся оно зарядами как имеющими знак плюс, так и минус.
- Создание кругового движения зарядов. Например, в твёрдом теле необходимо обеспечить возвращение электрона. Сам по себе он вернуться не может. Связано это с тем, что одноимённые частицы отталкиваются друг от друга. Электрическая сила, действующая на него, направлена в сторону положительных зарядов. Именно она заставляет двигаться заряды, но и мешает им вернуться, поэтому следует приложить стороннюю силу, направленную противоположно электрической.
Природа такого воздействия может быть разной, но в любом случае должна совершаться работа по переносу заряженной частицы. Устройства, в которых появляется сторонняя сила, называют источниками тока. Они могут быть химическими, механическими, тепловыми и световыми. В основе их действия лежит способность превращать различного рода энергию в электричество. Например, гальваническая и солнечная батарея.
Благодаря тому, что сторонние силы перемещают заряды, получается, что на одном конце возникает избыток отрицательных зарядов, а на другом положительных, поэтому из источника тока выводят как минимум 2проводника. Называют их полюсами. Причём один из них плюсовой, а другой минусовой. При их замыкании происходит интенсивная передача энергии. При этом сила тока достигает своего наибольшего значения. Опять же условно принимается, что движение зарядов происходит от плюсового вывода к минусовому.
Течение в электроцепи
Электрическая цепь предназначена приносить пользу. Например, зажигать свет, заставлять крутиться двигатель, обогревать помещение с помощью спиральных нагревателей. Но в принципе, какая будет польза от электричества неважно, главное, что оно подводится к потребителям.
Таким образом, самая простая электроцепь состоит из трёх частей:
- источника – элемента, создающего электрическое поле;
- проводника – вещества, обеспечивающего замкнутость цепи для прохождения тока;
- потребителя – нагрузки, преобразующей электроэнергию в полезную работу.
Куда и как будет в простой цепи идти ток, догадаться несложно. Он будет течь от положительного полюса источника напряжения, проходить через нагрузку и поступать на отрицательный вывод. Но реальные электрические цепи обычно содержат намного больше элементов. Их наибольшее количество определяется мощностью источника тока. Ведь если потребление превысит генерацию, энергии просто не хватит на совершение полезной работы.
Изображать цепь принято с помощью электрической схемы. Она состоит из ветвей, узлов и условных изображений радиоэлементов. С помощью неё специалисту легко понять предназначение цепи, в каких точках будет то или иное напряжение и сила тока.
Следует знать, что под ветвью понимают участок, состоящий из любого количества элементов, через которые протекает один и тот же ток. Причём подходя к узлу – точке, обозначающей контакт проводников, он распределяется. Одна часть его течёт по одной ветви, а другая – по другой. Количество протекающих зарядов определяется общим сопротивлением цепочки, поэтому сила тока и падение напряжения на участках будут разными.
Например, можно рассмотреть простую задачу, рассчитанную на учащихся седьмых классов. На рисунке приведена схема. Нужно определить направление тока на всех участках. Чтобы правильно решить задание, необходимо указать полюса в источнике тока. Затем от плюса расставить стрелки, чтобы они в итоге показывали путь к минусу. При этом в узлах схемы нужно отметить места, где электрический ток расходится или, наоборот, сходится.
