Электрический ток появляется не сам по себе. Для его возникновения необходима разность потенциалов, то есть различие электрических состояний двух точек цепи. Именно она заставляет свободные заряды перемещаться в определённом направлении.
Если разность потенциалов отсутствует, движение зарядов может сохраняться только в беспорядочном виде. Направленного электрического тока в этом случае не возникает.
Что такое разность потенциалов
Любой электрический заряд способен производить работу. Он может притягивать или отталкивать другие заряды, а способность совершать такую работу связана с электрическим потенциалом.
Можно представить два положительных заряда разной величины. Один из них равен 3 к, другой - 1 к. Оба заряда притягивают электроны, однако заряд величиной 3 к действует сильнее. Если он притягивает, например, 12 электронов, то заряд величиной 1 к притянет только 4 электрона.
В результате 8 электронов начнут перемещаться в сторону большего положительного заряда. Такое перемещение эквивалентно работе, которую заряд величиной 2 к мог бы выполнить в тех же условиях.
Отсюда следует, что действие электрических зарядов зависит не только от их величины, но и от различия потенциалов между ними.
Разность потенциалов равных зарядов
Рассмотрим другой случай. На одной пластине находится отрицательный заряд величиной 1 к, а на другой - положительный заряд такой же величины.
Отрицательный заряд отталкивает электроны, а положительный притягивает их. Силы действуют в одном направлении, поэтому электроны перемещаются от отрицательной пластины к положительной.
Если же обе пластины имеют одинаковые положительные заряды, например по 3 к, каждая из них притягивает электроны с одинаковой силой. Электроны испытывают одинаковое воздействие с обеих сторон и не получают причины для направленного перемещения.
В этом случае разность потенциалов между пластинами равна нулю.
Такой пример показывает главное: электрический ток возникает не просто из-за наличия зарядов, а из-за различия их потенциалов.
Источник разности потенциалов
Чтобы в электрической цепи непрерывно поддерживалось движение зарядов, нужен источник разности потенциалов. Им может быть гальванический элемент, аккумулятор, генератор или другой источник электрической энергии.
Роль источника состоит в том, чтобы постоянно разделять заряды и поддерживать различие электрических уровней на своих зажимах.
Представим два металлических шарика. Если с одного шарика перенести электроны на другой, первый шарик станет положительно заряженным, а второй - отрицательно заряженным. Между ними возникнет разность потенциалов.
Если соединить шарики проводником, свободные электроны начнут перемещаться с отрицательно заряженного шарика к положительно заряженному. Произойдёт быстрое выравнивание зарядов, и шарики снова станут нейтральными.
Именно поэтому простое соединение двух заряженных тел даёт лишь кратковременное движение зарядов. Для получения непрерывного тока источник должен постоянно разделять заряды.
Источник электрического тока всё время «поднимает» электроны от положительного зажима к отрицательному внутри себя. Во внешней цепи электроны движутся обратно, от отрицательного зажима к положительному.
Так источник поддерживает замкнутое движение зарядов.
Аналогия с движением воды
Условия возникновения электрического тока удобно сравнить с движением воды по трубе.
Если два сосуда соединены трубой, но вода в них находится на одном уровне, движения воды не будет. Давление с обеих сторон одинаково.
Если уровень воды в одном сосуде выше, вода начнёт течь в сторону сосуда с меньшим уровнем. Чем больше разность уровней, тем сильнее причина, вызывающая движение воды.
Чтобы вода продолжала течь, насос должен постоянно поддерживать различие уровней. В электрической цепи такую роль выполняет источник тока, а разность уровней заменяет разность потенциалов.
У этой аналогии есть пределы. Электрический ток не является движением жидкости, однако сравнение помогает понять основное условие: движение возникает при наличии разности, а для непрерывного движения эта разность должна поддерживаться.
Направление электрического тока
Когда изучали электрические явления до открытия электрона, предполагали, что ток создаётся движением положительных зарядов от положительного полюса источника к отрицательному через внешнюю цепь.
Позже выяснилось, что в металлических проводниках перемещаются главным образом электроны. Они движутся от отрицательного полюса к положительному, то есть в направлении, противоположном условному направлению тока.
Несмотря на это, принятое направление тока сохранили. В электротехнике считают, что ток во внешней цепи течёт от плюса источника к его минусу.
Этот условный выбор не изменяет физических процессов в цепи. Он нужен для единства расчётов, схем и обозначений.
В некоторых зарубежных источниках за направление тока принимают фактическое направление движения электронов. Поэтому при чтении технической литературы необходимо учитывать, какое именно направление имеется в виду.
Электрический ток в металлических проводниках
В металлах имеется большое количество свободных электронов. В обычном состоянии они движутся беспорядочно, сталкиваются с атомами и меняют направление своего движения.
Такое движение не является электрическим током. Оно не создаёт общего перемещения зарядов вдоль проводника.
Если к металлическому проводнику приложить разность потенциалов, на свободные электроны начнут действовать электрические силы. Электроны сохраняют сложное беспорядочное движение, но одновременно получают небольшое перемещение в одном направлении.
Именно это упорядоченное движение свободных электронов называют электрическим током.
Движение электронов в проводнике можно сравнить с падением снега. Снежинки в воздухе перемещаются вниз, но каждая из них движется по сложной траектории. Общее направление движения при этом сохраняется.
Похожим образом ведут себя электроны в металле. Они сталкиваются с атомами, отклоняются, снова ускоряются и продолжают движение под действием электрического поля.
Скорость электронов и скорость распространения тока
Скорость перемещения отдельных электронов в металлическом проводнике невелика. Она может составлять доли миллиметра в секунду.
Скорость распространения электрического воздействия значительно выше. Когда источник подключают к цепи, электрическое поле почти сразу устанавливается вдоль всего проводника и начинает воздействовать на большое число свободных электронов.
Для понимания этого явления можно представить трубу, полностью заполненную шарами. Если нажать на шар у одного конца трубы, движение почти сразу начнётся и у другого конца. Это не означает, что первый шар быстро прошёл всю трубу. Движение передалось от одного шара к соседнему.
В электрической цепи похожим образом передаётся воздействие от одного электрона к другому.
Поэтому нельзя смешивать скорость движения самих электронов со скоростью распространения электрического сигнала.
От чего зависит сила тока
Число электронов, участвующих в направленном движении, зависит от разности потенциалов. Чем она больше, тем сильнее электрическое поле и тем больше свободных электронов начинает двигаться упорядоченно.
Если электроны перемещаются с одинаковой средней скоростью, увеличение их числа приводит к увеличению тока.
При разности потенциалов, равной нулю, направленного движения электронов не возникает. Они продолжают двигаться беспорядочно, но электрического тока в проводнике нет.
После отключения источника первоначальное состояние проводника восстанавливается. Сколько электронов ушло из проводника к источнику, столько же возвращается обратно.
Ток отсутствует и в том случае, когда провод не подключён к источнику. Он также отсутствует, если оба конца проводника имеют одинаковый потенциал.
Электризация тел
В обычном состоянии тело электрически нейтрально. Это означает, что положительные и отрицательные заряды в нём взаимно компенсируют друг друга.
Если нарушить это равновесие, тело становится заряженным. При избытке электронов оно получает отрицательный заряд, а при недостатке электронов - положительный.
Процесс перехода тела из нейтрального состояния в заряженное называют электризацией.
Положительное электричество связано главным образом с ядрами атомов. Ядро удерживается внутри атома очень прочно, поэтому при электризации обычно изменяется не количество положительных зарядов, а количество электронов.
Чтобы отделить электроны от атомов и создать разность потенциалов, необходимо затратить энергию. Поэтому электризация всегда сопровождается затратой энергии и возникновением электрических сил.
Например, если с одного металлического шарика перенести электроны на другой, между шариками появится электрическое взаимодействие. Положительно заряженный шарик будет притягивать электроны, а отрицательно заряженный - отталкивать их.
Чем больше электронов переносится, тем больше энергии требуется для дальнейшей электризации. Перенос каждого следующего электрона может быть сложнее, поскольку приходится преодолевать уже существующие силы притяжения и отталкивания.
Почему электрический ток в проводе одинаков
В разных точках металлического проводника силы, действующие на отдельные электроны, могут отличаться. Около отрицательного зажима сильнее проявляется отталкивание, а ближе к положительному зажиму возрастает притяжение.
Однако общая сила, приводящая свободные электроны в движение, определяется всей электрической цепью. В установившемся режиме через различные сечения одного и того же проводника проходит один и тот же ток.
Если бы в каком-либо участке проводника электронов постоянно становилось больше или меньше, заряд быстро накапливался бы в этом месте. Такое накопление изменило бы электрическое поле и прекратилось после выравнивания условий.
Поэтому в последовательной цепи ток не может самопроизвольно исчезнуть на одном участке или увеличиться на другом.
Ток в жидких проводниках
Не всякая жидкость проводит электрический ток.
Химически чистая вода и чистые кислоты являются плохими проводниками. Растворы солей, кислот и щелочей в воде, напротив, способны проводить ток.
Причина заключается в образовании ионов.
Как образуются ионы
При растворении некоторые молекулы распадаются на части. Одна часть атома теряет один или несколько электронов и становится положительным ионом. Другая часть получает лишние электроны и превращается в отрицательный ион.
Молекула перестаёт быть электрически нейтральной. Происходит ионизация жидкого проводника.
Ионы постоянно движутся беспорядочно. Они сталкиваются, снова соединяются в нейтральные молекулы, а другие молекулы в то же время распадаются. Поэтому в растворе непрерывно поддерживается определённое количество заряженных частиц.
Если к жидкости подключить два электрода, между ними возникает электрическое поле. Положительные ионы начинают двигаться к отрицательному электроду, а отрицательные ионы - к положительному.
Такое направленное движение ионов образует ионный ток.
Электролиз
Когда положительный ион достигает отрицательного электрода, он получает недостающие электроны и превращается в нейтральную частицу. Отрицательный ион, достигший положительного электрода, отдаёт лишние электроны и также становится нейтральным.
На электродах могут выделяться новые вещества. Например, при прохождении тока через раствор серной кислоты на одном электроде выделяется водород, а на другом - кислород.
Фактически электрический ток разлагает воду, а раствор серной кислоты обеспечивает наличие свободных ионов и повышает проводимость жидкости.
Явление прохождения тока через раствор с химическими превращениями называют электролизом.
Положительный электрод называется анодом, отрицательный - катодом. Положительные ионы движутся к катоду и поэтому называются катионами. Отрицательные ионы движутся к аноду и называются анионами.
Сравнение металлического и жидкого тока
В металлических проводниках носителями тока являются свободные электроны. Положительные атомные ядра остаются связанными с кристаллической решёткой и не перемещаются вдоль проводника.
В жидких проводниках ток создаётся движением и положительных, и отрицательных ионов. Они движутся навстречу друг другу, каждый к электроду противоположного знака.
| Среда | Основные носители заряда | Что происходит при прохождении тока |
|---|---|---|
| Металлы | Свободные электроны | Проводник нагревается, возникает магнитное поле |
| Растворы солей, кислот и щелочей | Положительные и отрицательные ионы | Происходят химические реакции, может выделяться вещество |
| Ионизированный газ | Электроны и ионы | Возникает газовый разряд, газ светится или нагревается |
| Полупроводники | Электроны и дырки | Проводимость зависит от температуры, освещения и примесей |
Наличие электрического тока нельзя увидеть непосредственно. О нём судят по внешним проявлениям.
Проводник может нагреваться. В жидком проводнике могут происходить химические процессы. Кроме того, ток создаёт магнитное поле, которое обнаруживается по отклонению магнитной стрелки.
Электрический ток в газах
В обычном состоянии газы, в том числе воздух, являются диэлектриками. Их молекулы электрически нейтральны, поэтому в газе почти нет свободных зарядов, способных создавать ток.
Под действием внешних причин газ может ионизироваться. Ионизацию вызывают нагрев, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, космические лучи, радиоактивное излучение и сильное электрическое поле.
Во время ионизации от молекул отделяются электроны. В газе появляются свободные электроны и положительные ионы.
Если между электродами существует разность потенциалов, положительные ионы начинают двигаться к отрицательному полюсу, а электроны - к положительному. Возникает электрический ток в газе.
Газовая ионизация отличается от ионизации жидкости. В газе от молекулы отделяется электрон, а в жидком проводнике молекула обычно распадается на две противоположно заряженные части.
Если устранить причину ионизации, газ снова перестанет проводить ток. В растворе электролита свободные ионы сохраняются дольше, поэтому жидкий проводник продолжает проводить ток.
Примером электрического тока в газе служит молния. Она представляет собой мощный электрический разряд через ионизированный воздушный промежуток между облаком и землёй или между облаками.
Электрический ток в полупроводниках
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их проводимость зависит от температуры, освещения, примесей и других внешних воздействий.
В технике особенно широко применяются германий и кремний. Их атомы образуют упорядоченную кристаллическую решётку.
В кристалле атомы связаны друг с другом электронами внешней оболочки. У германия и кремния четыре валентных электрона. Каждый атом соединяется с четырьмя соседями, причём в каждой связи участвуют электроны двух соседних атомов.
Такую связь называют электронной или валентной, поскольку в её образовании участвуют валентные электроны.
Электронная проводимость
При нагревании, освещении или воздействии излучения некоторые связи в кристалле могут разрушаться. Электрон, покинувший связь, становится свободным и начинает перемещаться по кристаллу.
Если к полупроводнику приложить электродвижущую силу, свободные электроны получат направленное движение. Проводимость, вызванная перемещением свободных электронов, называется электронной проводимостью.
Полупроводники, в которых основными носителями тока являются электроны, называют полупроводниками с электронной проводимостью или полупроводниками n-типа. Буква n происходит от английского слова «negative», то есть «отрицательный».
Дырочная проводимость
После ухода электрона в кристаллической связи остаётся незаполненное место. Его называют дыркой.
Дырка обладает свойствами положительного заряда, равного по величине заряду электрона. Она не является отдельной материальной частицей, но ведёт себя как подвижный положительный носитель заряда.
Свободный электрон из соседней связи может занять дырку. Тогда пустое место появится уже в другой связи. При последовательном переходе электронов создаётся впечатление, что сама дырка перемещается по кристаллу.
Движение дырок происходит в направлении, противоположном движению электронов. Проводимость, связанная с движением дырок, называется дырочной.
Полупроводники, в которых основными носителями тока являются дырки, называют полупроводниками с дырочной проводимостью или полупроводниками p-типа. Буква p происходит от английского слова «positive», то есть «положительный».
Один и тот же полупроводниковый материал можно сделать полупроводником n- или p-типа. Для этого в него вводят определённые примеси.
Что важно запомнить
Разность потенциалов является причиной направленного движения электрических зарядов. Источник тока поддерживает эту разность и тем самым обеспечивает непрерывную работу электрической цепи.
В металлах ток создаётся свободными электронами. В жидкостях заряд переносят ионы, в газах - электроны и ионы, а в полупроводниках - электроны и дырки.
Условное направление тока принято считать направлением от положительного полюса источника к отрицательному. Фактическое движение электронов во внешней цепи происходит в обратную сторону.
Электрический ток можно обнаружить по нагреву проводников, химическим превращениям в жидкостях или действию магнитного поля. Без разности потенциалов направленного движения зарядов не возникает.
Андрей Повный