Для начала ответим себе на вопрос, что такое электрический ток. Простая батарейка, стоящая на столе, сама по себе ток не создает. И фонарик, лежащий на столе, ток через свои светодиоды просто так, ни с того ни с сего, не создаст. Чтобы появился ток, что-то куда-то должно потечь, хотя бы начать двигаться, а для этого цепь из светодиодов фонарика и батарейки необходимо замкнуть. Не даром, в былые времена электрический ток сравнивали с движением некой заряженной жидкости.
На самом деле мы теперь знаем, что электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, и что более близким к реальности аналогом был бы заряженный газ, — газ заряженных частиц, движущийся под действием электрического поля. Но обо всем по порядку.
Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц
Итак, электрический ток — это движение заряженных частиц, но даже хаотичное движение заряженных частиц — это тоже движение, однако оно еще не является током. Так и молекулы жидкости, все время пребывающие в тепловом движении, течения не создают, ведь суммарное перемещение всего объема покоящейся жидкости ровно нулю.
Чтобы возникло течение жидкости, должно возникнуть суммарное перемещение, то есть общее движение молекул жидкости должно стать направленным. Так хаотичное движение молекул сложится с направленным движением всего объема, и возникнет течение всего объема жидкости.
Аналогично обстоит дело и с электрическим током — направленное движение электрически заряженных частиц — есть электрический ток. Скорость теплового движения заряженных частиц, например в металле, измеряется сотнями метров в секунду, однако при направленном движении, когда в проводнике установлен какой-то определенный ток, скорость общего движения частиц измеряется долями и единицами миллиметров в секунду.
Так, если в металлическом проводнике сечением 1 кв.мм течет постоянный ток равный 10 А, то средняя скорость упорядоченного движения электронов составит от 0,6 до 6 миллиметров в секунду. Это уже будет электрическим током. И этого медленного движения электронов достаточно, чтобы проводник, например из нихрома, неплохо разогрелся, повинуясь закону Джоуля-Ленца.
Скорость частиц — это не скорость распространения электрического поля!
Отметим, что ток начинается в проводнике почти мгновенно по всему объему, то есть распространяется это «движение» по проводнику со скоростью света, а вот движение непосредственно самих заряженных частиц в 100 миллиардов раз медленнее. Можно рассмотреть аналогию с трубой, по которой течет жидкость.
Движется по трубе, 10 метров длиной, например вода. Скорость воды всего 1 метр в секунду, но течение распространяется не с этой же скоростью, а значительно быстрее, и скорость распространения зависит здесь от плотности жидкости и от ее упругости. Так и по проводнику электрическое поле распространяется со скоростью света, а частицы начинают двигаться на 11 порядков медленнее. Смотрите также: Скорость электрического тока
1. Для существования электрического тока необходимы заряженные частицы
Электроны в металлах и в вакууме, ионы в растворах электролитов — служат носителями заряда и обеспечивают наличие тока в разных веществах. В металлах электроны очень подвижны, некоторые из них свободно могут двигаться от атома к атому, словно газ заполняя пространство между узлами кристаллической решетки.
В электронных лампах электроны покидают катод в процессе термоэлектронной эмиссии, устремляясь под действием электрического поля к аноду. В электролитах молекулы распадаются в воде на положительно и отрицательно заряженные части, и становятся ионами — свободными носителями заряда в электролитах. То есть везде, где может существовать электрический ток, есть свободные носители заряда, способные перемещаться под действием электрического поля. Это и есть первое условие существования электрического тока — наличие свободных носителей заряда.
2. Второе условие существования электрического тока — на заряд должны действовать сторонние силы
Если теперь взглянуть на проводник, допустим это медный провод, то можно задаться вопросом: а что нужно для того, чтобы электрический ток в нем возник? Заряженные частицы, электроны, есть, они способны свободно перемещаться.
Что заставит их двигаться? Известно, что электрически заряженная частица взаимодействует с электрическим полем. Следовательно, в проводнике необходимо создать электрическое поле, тогда в каждой точке проводника возникнет потенциал, между концами проводника будет иметь место разность потенциалов, и электроны придут в движение по направлению поля — по направлению от «-» к «+», то есть в направлении против вектора напряженности электрического поля. Электрическое поле станет ускорять электроны, увеличивая их (кинетическую и магнитную) энергию.
В итоге, если мы рассматриваем просто приложенное снаружи к проводнику электрическое поле (поместили проводник в электрическое поле вдоль силовых линий), то электроны станут скапливаться у одного конца провода, и на этом конце возникнет отрицательный заряд, а поскольку с другого конца провода электроны сместились, то на нем будет иметь место заряд положительный.
В результате электрическое поле проводника, заряженного приложенным снаружи электрическим полем, будет такого направления, чтобы своим действием ослаблять внешнее электрическое поле.
Процесс перераспределения зарядов протечет почти мгновенно, и по его завершении ток в проводнике прекратится. Результирующее электрическое поле внутри проводника станет равным нулю, а напряженность по краям окажется равной по модулю, но противоположной по направлению к приложенному снаружи электрическому полю.
Если электрическое поле в проводнике создается источником постоянного тока, например батарейкой, то такой источник станет для проводника источником сторонних сил, то есть тем источником, который создаст в проводнике постоянную ЭДС, и будет поддерживать разность потенциалов. Очевидно, чтобы ток источником сторонних сил поддерживался, цепь должна быть замкнутой.
В таком случае электрическое поле в проводнике будет направлено от полюса источника с большим потенциалом к полюсу с меньшим потенциалом. Это поле будет ускорять свободные носители заряда в проводнике, создавая электрический ток.
Итак, для существования электрического тока необходимы следующие условия:
- Наличие свободных носителей электрического заряда, таких как электроны, ионы или дырки.
- Наличие разности потенциалов между двумя точками проводника, которая создает электрическое поле и заставляет носители заряда двигаться в определенном направлении.
- Наличие замкнутого электрического контура, по которому может течь электрический ток.
FAQ: условия существования электрического тока
1. Что нужно, чтобы электрический ток вообще возник?
Нужны свободные носители заряда, электрическое поле, которое заставляет их двигаться, и замкнутая цепь для непрерывного протекания тока.
2. Почему без свободных зарядов ток невозможен?
Потому что ток — это упорядоченное движение заряженных частиц, а если двигаться нечему, то и тока не будет.
3. Зачем электрическому току нужно поле?
Именно электрическое поле создает силу, которая направляет движение зарядов и превращает хаотическое движение в упорядоченное.
4. Почему одного только заряда недостаточно?
Если есть заряженные частицы, но нет разности потенциалов или поля, они не будут двигаться направленно, а значит, ток не появится.
5. Почему цепь должна быть замкнутой?
Потому что в разомкнутой цепи заряды не могут непрерывно перемещаться по всему контуру, и ток быстро прекращается.
6. Какие частицы переносят ток в разных средах?
В металлах — электроны, в электролитах — ионы, в полупроводниках — электроны и дырки, а в газах — ионы и электроны после ионизации.
7. Можно ли создать электрическое поле, но не получить ток?
Да, например, в изоляторе поле может существовать, но ток не возникает, если в среде нет свободных носителей заряда.
8. Почему источник тока так важен для постоянного тока?
Потому что он поддерживает разность потенциалов и компенсирует расход энергии на перемещение зарядов по цепи.
9. Что такое сторонние силы и зачем они нужны?
Это силы неэлектростатической природы, которые внутри источника тока перемещают заряды против электрического поля и тем самым поддерживают ток.
10. Чем ток в металле отличается от тока в электролите?
В металле ток создают свободные электроны, а в электролите заряд переносят ионы, поэтому механизм проводимости у них разный.
11. Почему в проводнике ток может течь долго, а не исчезает сразу?
Потому что источник тока постоянно поддерживает электрическое поле и восполняет энергию, затраченную на движение зарядов.
12. Можно ли считать разность потенциалов и напряжение одним и тем же?
В практическом смысле да, напряжение связано с разностью потенциалов и именно оно помогает создать условия для протекания тока.
13. Что будет, если убрать хотя бы одно условие существования тока?
Если нет зарядов, поля или замкнутой цепи, ток либо не возникнет, либо быстро прекратится.
14. Почему в учебниках иногда пишут не два, а три условия?
Потому что для возникновения тока нужны свободные носители и поле, а для его непрерывного существования в реальной цепи еще нужна замкнутая цепь.
15. Как проще всего запомнить условия существования тока?
Очень просто: нужны заряды, поле и замкнутый путь для их движения
Андрей Повный