Электрический ток в проводнике

Предположим, если в точке А появился избыток электронов (см прошлую лекцию по строению атома) по сравнению с точкой В, то можно сказать, что между точками А и В имеется разность потенциалов , или напряжение.

Потенциал это такая физическая величина, которая характеризует работу источника по перемещению заряда. Допустим, если соединить обе точки проводником, например куском медной проволоки, тогда избыточные электроны из точки уйдут в точку В, тем самым возникнет электрический ток в проводнике. Таким образом направленный поток электронов и есть на самом деле электрический ток. Таким образом напряжение это и есть сила, которая перемещает отрицательно заряженный частицы электроны в цепи.


Ток в проводнике. Направление тока

Количественно ток можно попытаться описать как сумму зарядов электронов, прошедших через заданную точку. Но как известно из общего курса физики, электрон обладает очень маленьким заряд, поэтому для оценки заряда ученые ввели специальную электротехническую единицу – кулон (Кл).

Один кулон соответствует сумме зарядов 6,25*1018 или 6250000000000000000 электронов. Если какой-либо заряд в один кулон пройдет через какую-либо точку за одну секунду, то это говорит о том, что через эту точку в проводнике прошел электрический ток в один ампер (А).

Сила тока, одна из основных электротехнических величин измеряется в амперах. Точка А, в соответствии с нашим рисунком, благодаря избытку электронов обладает отрицательным потенциалом, а точка В соответственно положительный.

Поток электронов можно условно представить в виде воды, текущей из одной емкости в другую. Водопроводная труба между емкостями является условным эквивалентом электрического проводника, а разность уровней воды в емкостях, ничто иное как условный эквивалент разности потенциалов между двумя точками.

Хотя фактически электроны движутся от отрицательного полюса к положительному, в электротехнике и электронике принято считать, что электрический ток в проводнике идет от положительного полюса к отрицательному. Эта договоренность уходит в историю на несколько столетий назад, когда о природе электрического тока знали слишком мало.

Разность потенциалов, оно же напряжение, измеряется в вольтах и обозначается в формулах и на схемах латинской буквой U. Величина электрического тока, измеряется в амперах и обозначается латинским символом I.

Сопротивление электрическому току в проводнике

Свободные носители заряда - электроны в проводнике, перемещаясь по электрической цепи, сталкиваются с атомами, которые оказывают некоторое препятствие движению электронов, тем самым существенно снижая номинал электрического тока. Это препятствие в электротехнике получило название сопротивление электрическому току, и обозначается латинским символом R. Абсолютно любой материал обладает сопротивлением или электрическую проводимость (физическая величина обратная сопротивлению). Сопротивление хорошо представить в том же движение воды из одной емкости бака в другой, но в отличии от предыдущего случая заменим участок трубы на более узкий, поэтому снизиться общий поток воды.

Сопротивлением любого материала зависит от различных физических свойств: температуры, размера, формы и др. Вещества, обладающие низким сопротивлением электрическому току называются проводниками. (имеют кучу свободных электронов, например: золото, медь, серебро, алюминий, платина). Материалы, обладающие большим сопротивлением току, называются диэлектриками. Они имеют низкое количество свободных электронов (пластмасса, резина, стекло, слюда). Физической величиной единицей измерения сопротивления считается Ом.

Один Ом сопротивление какого-либо вещества, которое при напряжения питания уровнем в один вольт, дает возможность протекать току равному один ампер.

Ток в проводнике. Взаимодействие электрических зарядов

Два одинаковых по знаку заряда, два протона или электрона сопротивляются сближению и пытаются встать подальше друг от друга. Этот процесс физики называют отталкиванием. Первый закон кулона описывающий взаимодействие электрических зарядов гласит: заряды с одноименным знаком отталкиваются друг от друга. Второй закон взаимодействия электрических зарядов звучит так: разноименные заряды с разным знаком притягиваются друг к другу.

Отрицательно заряженные элементарные частицы электроны притягиваются к положительно заряженным протонам в ядре атома. Почему тогда электрон остается на своей орбите и не падает на ядро? Это осуществляется в результате того, что сила притяжения электрона компенсируется центростремительной силой, появляющейся за счет вращения электрона по орбите вокруг своего ядра. Числовое значение номинала величины сил отталкивания и притяжения, существующих между двумя заряженными элементарными частицами, зависит от следующих составляющих: расстояния между частицами и их зарядами.

Заряд одного электрона крайне мал, поэтому в практике распространения не получил. Принятой в системе СИ единицей измерения заряда стал кулон (Кл). Он получил название в честь французского ученого Кулона, и в формулах обозначается латинской литерой Q. Один кулон равен 6,28*1018 зарядов электронов.

Электрические заряды возникающие за счет смещения электронов. Когда имеется сильный дефицит отрицательных частиц в одной точке и избыток их в другой создают разность потенциалов. Если две точки, между которыми имеется определенный уровень разности потенциалов, соединить проводником, то по нему побегут электроны. Вот этот поток электронов и называется электрическим током.

Как течет ток

Электрический ток это направленно движение потока электронов в область положительного заряда из области отрицательного заряда. В качестве физической единицы измерения силы тока в системе СИ применяют ампер (А). Один ампер это такая сила тока, появляющаяся в проводнике при перемещении заряда величиной в один кулон за время в одну секунду.

I=Q/t,

где I сила тока в амперах, Q величина электрического заряда в кулонах, t время в секундах.

Рассмотрим физический процесс протекание тока по проводнику. Носителями заряда в электрической цепи являются отрицательные электроны. Условно считается, что ток это поток отрицательно заряженных электронов, но по факту электроны перемещаются от одного атома к другому, то образуют положительные заряды, названные дырками. Другими словами, дырка это след который оставляет выбитый с орбиты электрон.


Ток в проводнике. Направление тока

Можно условно сказать, что дырки перемещаются в направлении противоположном потоку электронов.

Если электроны идут с одного конца проводника на другой его конец, то по проводнику будет идти ток. В результате направленного движения свободных электронов, они сталкиваются с атомами, выбивая с их орбиты другие электроны, которые в свою очередь становятся свободными. И уже эти получившие свободу электроны сталкиваются с другими атомами и так далее пока не дойдут до положительного заряженного конца проводника, так же сталкиваясь с другими атомами. Это перемещение, получило название дрейф, осуществляется в результате отталкивания зарядов. Кроме того, положительно заряженный конец проводника, с резким дефицитом электронов, притягивает отрицательно заряженные частицы. Поэтому из-за «работы» законов взаимодействия электрических зарядов идет медленный дрейф электронов.

Для лучшего понимания процесса возьмем полую трубу и заполним ее шариками:

Если добавим дополнительный еще один шарик в один конец трубки, то из второго конца шарик выскользнет.

Прибор, в который уходят электроны с положительно заряженного конца проводника и который отдает их в отрицательно заряженный конец проводника, называют источником напряжения или питания.


Обучающий видеофильм для закрепления полученных знаний по теме электрический ток в проводнике