Движение электрического тока в проводнике. Электрический ток

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

Движение электронов означает движение отрицательных зарядов, следовательно, – электрический ток является мерой количества электрического заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за единицу времени.

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

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).
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 10 18 электронов.
Следовательно, если 6,24 10 18 электронов пересекает поперечное сечение проводника за одну секунду, то величина такого тока равна одному амперу.

Для измерения силы тока существует измерительный прибор - амперметр.

Рис. 1

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. 2 .

Учебник физики за 8 класс дает нам другой ответ: «За направление электрического тока в цепи принято направление движения положительных зарядов», - то есть от плюса источника энергии к минусу источника.

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.
Истинное направление движения электронов используется только, когда это необходимо, чтобы объяснить некоторые физические эффекты в полупроводниковых устройствах (диоды, транзисторы, тиристоры и др.).

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

Суть вопроса

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

Сила привычки

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

«Золотая середина»

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

Направленное (упорядоченное) движение частиц, носителей электрического заряда, в электромагнитном поле.

Что такое электрический ток в разных веществах? Примем, соответственно, движущиеся частицы:

в металлах - электроны,
в электролитах - ионы (катионы и анионы),
в газах - ионы и электроны,
в вакууме при определённых условиях - электроны,
в полупроводниках - дырки (электронно-дырочная проводимость).

Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля.

Электрический ток проявляется следующим образом:

нагревает проводники (явление не наблюдается в сверхпроводниках);
изменяет химический состав проводника (данное явление в первую очередь характерно для электролитов);
создает магнитное поле (проявляется у всех без исключения проводников).

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический ""ток проводимости"". Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют ""конвекционным"".

Токи различают на постоянный и переменный. Также существуют всевозможные разновидности переменного тока. При определении видов тока слово «электрический» опускают.

Постоянный ток - ток, направление и величина которого не меняются во времени. Может быть пульсирующий, например выпрямленный переменный, который является однонаправленным.
Переменный ток - электрический ток, изменяющийся во времени. Под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным.
Периодический ток - электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные интервалы времени в неизменной последовательности.
Синусоидальный ток - периодический электрический ток, являющийся синусоидальной функцией времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. Любой периодический несинусоидальный ток может быть представлен в виде комбинации синусоидальных гармонических составляющих (гармоник), имеющих соответствующие амплитуды, часто́ты и начальные фазы. В этом случае Электростатический потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.
Квазистационарный ток - относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов. Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, так же как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях неразветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э. д. с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.
Ток высокой частоты - переменный ток, (начиная с частоты приблизительно в десятки кГц), для которого становятся значимыми такие явления, которые являются либо полезными, определяющими его применение, либо вредными, против которых принимаются необходимые меры, как излучение электромагнитных волн и скин-эффект. Кроме того, если длина волны излучения переменного тока становится сравнимой с размерами элементов электрической цепи, то нарушается условие квазистационарности, что требует особых подходов к расчёту и проектированию таких цепей.
Пульсирующий ток - это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля.
Однонаправленный ток - это электрический ток, не изменяющий своего направления.

Вихревые токи

Вихревые токи (или токи Фуко) - замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитный поток, поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.

Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.

Характеристики

Исторически принято, что """направление тока""" совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения заряженных частиц.

Дрейфовая скорость электронов

Дрейфовая скорость направленного движения частиц в проводниках, вызванного внешним полем, зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. За 1 секунду электроны в проводнике перемещаются за счёт упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света (скорости распространения фронта электромагнитной волны). То есть то место, где электроны изменяют скорость своего движения после изменения напряжения, перемещается со скоростью распространения электромагнитных колебаний.

Сила и плотность тока

Электрический ток имеет количественные характеристики: скалярную - силу тока, и векторную - плотность тока.

Сила ток а - физическая величина, равная отношению количества заряда

Прошедшего за некоторое время

через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.

Сила тока в СИ измеряется в амперах (международное и русское обозначение: A).

По закону Ома сила тока

на участке цепи прямо пропорциональна электрическому напряжению

Приложенному к этому участку цепи, и обратно пропорциональна его сопротивлению

Если на участке цепи электрический ток не постоянный, то напряжение и сила тока постоянно изменяется, при этом у обычного переменного тока средние значения напряжения и силы тока равны нулю. Однако средняя мощность выделяемого при этом тепла нулю не равна.

Поэтому применяют следующие понятия:

мгновенные напряжение и сила тока, то есть действующие в данный момент времени.
амплитудные напряжение и сила тока, то есть максимальные абсолютные значения
эффективные (действующие) напряжение и сила тока определяются тепловым действием тока, то есть имеют те же значения, которые они имеют у постоянного тока с таким же тепловым эффектом.

Плотность тока - вектор, абсолютная величина которого равна отношению силы тока, протекающего через некоторое сечение проводника, перпендикулярное направлению тока, к площади этого сечения, а направление вектора совпадает с направлением движения положительных зарядов, образующих ток.

Согласно закону Ома в дифференциальной форме плотность тока в среде

пропорциональна напряжённости электрического поля

и проводимости среды

Мощность

При наличии тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Электрическое сопротивление любого проводника состоит из двух составляющих:

активное сопротивление - сопротивление теплообразованию;
реактивное сопротивление - сопротивление, обусловленное передачей энергии электрическому или магнитному полю (и обратно).

Как правило, большая часть работы электрического тока выделяется в виде тепла. Мощностью тепловых потерь называется величина, равная количеству выделившегося тепла в единицу времени. Согласно закону Джоуля - Ленца мощность тепловых потерь в проводнике пропорциональна силе протекающего тока и приложенному напряжению:

Мощность измеряется в ваттах.

В сплошной среде объёмная мощность потерь

определяется скалярным произведением вектора плотности тока

и вектора напряжённости электрического поля

в данной точке:

Объёмная мощность измеряется в ваттах на кубический метр.

Сопротивление излучению вызвано образованием электромагнитных волн вокруг проводника. Это сопротивление находится в сложной зависимости от формы и размеров проводника, от длины излучаемой волны. Для одиночного прямолинейного проводника, в котором везде ток одного направления и силы, и длина которых L значительно меньше длины излучаемой им электромагнитной волны

Зависимость сопротивления от длины волны и проводника относительно проста:

Наиболее применяемому электрическому току со стандартной частотой 50 ""Гц"" соответствует волна длиной около 6 тысяч километров, именно поэтому мощность излучения обычно пренебрежительно мала по сравнению с мощностью тепловых потерь. Однако, с увеличением частоты тока длина излучаемой волны уменьшается, соответственно возрастает мощность излучения. Проводник, способный излучать заметную энергию, называется антенной.

Частота

Понятие частоты относится к переменному току, периодически изменяющему силу и/или направление. Сюда же относится наиболее часто применяемый ток, изменяющийся по синусоидальному закону.

Период переменного тока - наименьший промежуток времени (выраженный в секундах), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц (Гц) соответствует одному периоду в секунду.

Ток смещения

Иногда для удобства вводят понятие тока смещения. В уравнениях Максвелла ток смещения присутствует на равных правах с током, вызванным движением зарядов. Интенсивность магнитного поля зависит от полного электрического тока, равного сумме тока проводимости и тока смещения. По определению, плотность тока смещения

Векторная величина, пропорциональная скорости изменения электрического поля

во времени:

Дело в том, что при изменении электрического поля, также как и при протекании тока, происходит генерация магнитного поля, что делает эти два процесса похожими друг на друга. Кроме того, изменение электрического поля обычно сопровождается переносом энергии. Например, при зарядке и разрядке конденсатора, несмотря на то, что между его обкладками не происходит движения заряженных частиц, говорят о протекании через него тока смещения, переносящего некоторую энергию и своеобразным образом замыкающего электрическую цепь. Ток смещения

в конденсаторе определяется по формуле:

Заряд на обкладках конденсатора,

Электрическое напряжение в между обкладками,

Электрическая ёмкость конденсатора.

Ток смещения не является электрическим током, поскольку не связан с перемещением электрического заряда.

Основные типы проводников

В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).

Металлы - здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма - ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.

Электролиты - жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока. Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах.

Электрические токи в природе

Атмосферное электричество - электричество, которое содержится в воздухе. Впервые показал присутствие электричества в воздухе и объяснил причину грома и молнии Бенджамин Франклин.

В дальнейшем было установлено, что электричество накапливается в сгущении паров в верхних слоях атмосферы, и указаны следующие законы, которым следует атмосферное электричество:

при ясном небе, так же как и при облачном, электричество атмосферы всегда положительное, если на некотором расстоянии от места наблюдения не идёт дождь, град или снег;
напряжение электричества облаков становится достаточно сильным для выделения его из окружающей среды лишь тогда, когда облачные пары сгущаются в дождевые капли, доказательством чего может служить то, что разрядов молний не бывает без дождя, снега или града в месте наблюдения, исключая возвратный удар молнии;
атмосферное электричество увеличивается по мере возрастания влажности и достигает максимума при падении дождя, града и снега;
место, где идёт дождь, является резервуаром положительного электричества, окружённым поясом отрицательного, который, в свою очередь, заключён в пояс положительного. На границах этих поясов напряжение равно нулю.

Движение ионов под действием сил электрического поля формирует в атмосфере вертикальный ток проводимости со средней плотностью, равной около (2÷3)·10 −12 А/м².

Полный ток, текущий на всю поверхность Земли, при этом составляет приблизительно 1800 А.

Молния является естественным искровым электрическим разрядом. Была установлена электрическая природа полярных сияний. Огни святого Эльма - естественный коронный электрический разряд.

Биотоки - движение ионов и электронов играет весьма существенную роль во всех жизненных процессах. Создаваемый при этом биопотенциал существует как на внутриклеточном уровне, так и у отдельных частей тела и органов. Передача нервных импульсов происходит при помощи электрохимических сигналов. Некоторые животные (электрические скаты, электрический угорь) способны накапливать потенциал в несколько сот вольт и используют это для самозащиты.

Применение

При изучении электрического тока было обнаружено множество его свойств, которые позволили найти ему практическое применение в различных областях человеческой деятельности, и даже создать новые области, которые без существования электрического тока были бы невозможны. После того, как электрическому току нашли практическое применение, и по той причине, что электрический ток можно получать различными способами, в промышленной сфере возникло новое понятие - электроэнергетика.

Электрический ток используется как носитель сигналов разной сложности и видов в разных областях (телефон, радио, пульт управления, кнопка дверного замка и так далее).

В некоторых случаях появляются нежелательные электрические токи, например блуждающие токи или ток короткого замыкания.

Использование электрического тока как носителя энергии

получения механической энергии во всевозможных электродвигателях,
получения тепловой энергии в нагревательных приборах, электропечах, при электросварке,
получения световой энергии в осветительных и сигнальных приборах,
возбуждения электромагнитных колебаний высокой частоты, сверхвысокой частоты и радиоволн,
получения звука,
получения различных веществ путём электролиза, зарядка электрических аккумуляторов. Здесь электромагнитная энергия превращается в химическую,
создания магнитного поля (в электромагнитах).

Использование электрического тока в медицине

диагностика - биотоки здоровых и больных органов различны, при этом бывает возможно определить болезнь, её причины и назначить лечение. Раздел физиологии, изучающий электрические явления в организме называется электрофизиология.
- Электроэнцефалография - метод исследования функционального состояния головного мозга.
- Электрокардиография - методика регистрации и исследования электрических полей при работе сердца.
- Электрогастрография - метод исследования моторной деятельности желудка.
- Электромиография - метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах.
Лечение и реанимация: электростимуляции определённых областей головного мозга; лечение болезнь болезни Паркинсона и эпилепсии, также для электрофореза. Водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии и иных сердечных аритмиях.

Электробезопасность

Включает в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия. Правила электробезопасности регламентируются правовыми и техническими документами, нормативно-технической базой. Знание основ электробезопасности обязательно для персонала, обслуживающего электроустановки и электрооборудование. Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека при сухой и неповрежденной коже колеблется от 3 до 100 кОм.

Ток, пропущенный через организм человека или животного, производит следующие действия:

термическое (ожоги, нагрев и повреждение кровеносных сосудов);
электролитическое (разложение крови, нарушение физико-химического состава);
биологическое (раздражение и возбуждение тканей организма, судороги)
механическое (разрыв кровеносных сосудов под действием давления пара, полученного нагревом током крови)

Основным фактором, обуславливающим исход поражения током, является величина тока, проходящего через тело человека. По технике безопасности электрический ток классифицируется следующим образом:

""безопасным"" считается ток, длительное прохождение которого через организм человека не причиняет ему вреда и не вызывает никаких ощущений, его величина не превышает 50 мкА (переменный ток 50 Гц) и 100 мкА постоянного тока;
""минимально ощутимый"" человеком переменный ток составляет около 0,6-1,5 мА (переменный ток 50 Гц) и 5-7 мА постоянного тока;
пороговым ""неотпускающим"" называется минимальный ток такой силы, при которой человек уже неспособен усилием воли оторвать руки от токоведущей части. Для переменного тока это около 10-15 мА, для постоянного - 50-80 мА;
""фибрилляционным порогом"" называется сила переменного тока (50 Гц) около 100 мА и 300 мА постоянного тока, воздействие которого дольше 0,5 с с большой вероятностью вызывает фибрилляцию сердечных мышц. Этот порог одновременно считается условно смертельным для человека.

В России в соответствии c Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей (Приказ Минэнерго РФ от 13.01.2003 № 6 «Об утверждении Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей») и Правилами по охране труда при эксплуатации электроустановок (Приказ Минэнерго РФ от 27.12.2000 N 163 «Об утверждении Межотраслевых правил по охране труда (правил безопасности) при эксплуатации электроустановок»), установлено 5 квалификационных групп по электробезопасности в зависимости от квалификации и стажа работника и напряжения электроустановок.

Примечания

Баумгарт К. К., Электрический ток.
А.С. Касаткин. Электротехника.
Ю.Г. Синдеев. Электротехника с элементами электроники.

Электрический ток может приводит в действие машины только тогда, когда он циркулирует в цепи. Электрическая цепь - это канал, по которому течет электричество. Начинается цепь в источнике питания (например, в батарейке), к которому соединительным проводом подключен потребитель, например, лампа накаливания.

Цепь не оканчивается на потребителе, а возвращается по кольцу снова к источнику питания. Сила, поддерживающая течение электрического тока в цепи, называется электродвижущей силой, или напряжением. Так как потребители ослабляют ток в цепи, они называются сопротивлениями.

Понимание взаимосвязи между электрическим током, напряжением и сопротивлением может быть облегчено путем проведения аналогии между электрическим током и водой, текущей по каналу (рисунок вверху). Батарейка может быть представлена в виде водяного насоса, а электрический ток - в виде определенного объема воды. Аналогами двух электрических сопротивлений (двух ламп накаливания) являются два водослива в канале.

В такой модели каждый раз, когда вода (электрический ток) встречает водослив (сопротивление), она падает на более низкий уровень (меньшее напряжение). Объем воды остается неизменным, однако ее уровень (энергия) уменьшается. То же самое происходит с электрическим током. Когда электрический ток проходит через сопротивление, его энергия отводится в окружающую среду, а напряжение уменьшается.

Вычисление падения напряжения

Когда электрический ток проходит через сопротивление, например, через лампу накаливания, силовое воздействие на заряды (напряжение) уменьшается. Это уменьшение называется падением напряжения. Изменение напряжения может быть определено численно, путем умножения величины сопротивления на силу тока.

Электрический ток и поток электронов

Электроны (синие шарики) текут по направлению к положительному полюсу источника тока, т.е. навстречу электрическому току, который движется от положительного полюса к отрицательному (большая голубая стрелка). Сила тока зависит от того, сколько электронов пройдет через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Электрический ток в параллельной цепи

В параллельной цепи электрический ток (синие стрелки), прежде чем вернуться к своему источнику (красная батарейка), разделяется на две отдельные ветви.

Вид цепи и напряжение

Последовательная цепь содержит два сопротивления (R), которые поочередно снижают напряжение (V). Падение напряжения определяется суммой сопротивлений.

В параллельной цепи электрический ток проходит по различным путям. Такое расположение сопротивлений (R) вызывает одновременное падение напряжения.

Электрический ток может быть представлен как направленное перемещение заряженных частиц, за которые традиционно принимаются носители отрицательного заряда или электроны. Это утверждение справедливо для твёрдых проводников, где постоянное присутствие свободных заряженных частиц считается нормой. Для жидких и газообразных сред такими носителями являются положительно заряженные ионы, посредством которых осуществляется перенос вещества.

Физическая сущность

Для чёткого понимания того, как течёт ток, сначала потребуется ознакомиться с основными физическими явлениями, приводящими к образованию упорядоченного потока. Согласно молекулярно-атомистической теории, все природные тела (независимо от их агрегатного состояния) состоят из молекул и атомов, в состав которых входят отрицательно заряженные электроны.

Для выяснения принципов образования потока заряженных частиц удобнее всего представить состав физических тел следующим образом:

Входящие в состав молекул атомы условно представляются в виде находящегося в центре ядра и вращающихся вокруг него со скоростью света электронов;
За счёт различной полярности этих двух составляющих их комбинация в нормальных условиях имеет нулевой заряд;

Дополнительная информация. В атомах любого химического элемента количество вращающихся на орбитах электронов равно суммарному заряду ядра, что обеспечивает их электрическую нейтральность.

В атомах некоторых веществ на наружных оболочках имеется большое количество электронов, которые к тому же удалены от ядра на значительные по атомным меркам расстояния;
В отдельные моменты времени некоторые из них срываются со своих орбит и начинают свободно «блуждать» между атомами, притягиваясь к соседним ядрам или отталкиваясь от их электронов.

Вследствие этих процессов в металлических предметах появляются свободные заряды, которые при приложении противоположных по знаку электрических потенциалов (напряжения) начинают упорядоченно перемещаться.

Направленное движение свободных носителей заряда в твёрдых телах (проводниках) и называется электрическим током.

В веществах с малым содержанием свободных электронов указанное перемещение или совсем невозможно (диэлектрики), или ограничивается небольшой величиной. Такие недостаточно насыщенные носителями электричества материалы называются полупроводниками.

Виды токов

Потоки электронов, имеющиеся в проводящих материалах, могут двигаться всё время в одну сторону либо постоянно менять своё направление. В первом случае они формируют переменный, а во втором – постоянный токи.

Переменные потоки образуются под воздействием меняющихся по своей величине и знаку напряжений, прикладываемых к концам проводника, а для получения постоянного токового сигнала используется разность потенциалов одной полярности.

Обратите внимание! Меняющиеся токи протекают по электропроводке любой квартиры, а примером второй разновидности может служить однонаправленное движение электронов в аккумуляторах или батарейках.

Исторически сложилось так, что в цепи постоянного потока за его направление принято считать движение от «плюса» источника питания к его «минусу». Хотя в действительности носители отрицательного заряда перемещаются в прямо противоположном направлении (от «минуса» к «плюсу»). Но принятое ранее условное направление настолько закрепилось в сознании людей, что его оставили неизменным, полагая абсолютно условным значение этого параметра.

Для того чтобы разобраться с тем, куда текут переменные токи, следует отталкиваться непосредственно от их определения. В этой ситуации под воздействием переменного потенциала (напряжения) они меняют своё направление с определённой периодичностью.

Важно! В российских бытовых сетях переменное напряжение имеет частоту 50 Герц. С соответствующей периодичностью меняет своё направление и текущий по электропроводке ток.

В зарубежных электрических сетях (в США и Японии, в частности) данная частота составляет 60 Герц, что несколько повышает эффективность с одновременным возрастанием потерь в питающих линиях.

Двунаправленное перемещение зарядов

В большинстве металлов одновременно с потоком электронов наблюдается обратное движение противоположных по знаку частиц, образованных положительно заряженными атомами. Их перемещение совпадает с исторически сложившимся определением (от «плюса» к «минусу»), так что при желании за истинное направление можно принимать движение этих составляющих вещества.

Добавим к сказанному, что в жидкостях и газах имеющие различные заряды атомные частицы (уже упоминавшиеся ионы и электроны) также движутся в противоположных направлениях. Такой способ формирования потока частиц в цепи называется электролизом, который широко применяется в различных отраслях промышленного производства.

В заключение отметим, что в отличие от теоретического взгляда, на практике условно выбранное направление перемещения электронов в конкретной электрической схеме имеет принципиальное значение. Любая цепочка из включённых в неё радиоэлементов исходно рассчитывается на определённую полярность подаваемого напряжения, а, следовательно, и на заданное направление формируемого токового сигнала.