Электрический ток — это направленное (упорядоченное, то есть не хаотичное) движение электрически заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. Под заряженными частицами, обычно, подразумеваются электроны или ионы, а под макроскопическими (macroscopic — видимые невооруженным глазом) — крупные частицы, например, заряженные капли дождя. Ток возникает при наличии электрического поля. Разберемся с тем как определяется направление электрического тока.
Электрический ток в разных веществах
Электрический ток возникает в самых разных веществах, которые могут находиться в различных агрегатных состояниях. Рассмотрим некоторые примеры, демонстрирующие возникновение направленного потока заряженных частиц в твердых, жидких и газообразных средах:
- В металлах имеется много свободных электронов, которые являются главным источником тока;
- Электролиты — это жидкости, проводящие электрический ток. Водные растворы кислот, щелочей, солей — все это примеры электролитов. Попадая в воду молекулы этих веществ распадаются на ионы, представляющие собой заряженные атомы или группы атомов, имеющие положительный (катионы) или отрицательный (анионы) электрические заряды. Катионы и анионы образуют электрический ток в электролитах;
- В газах и плазме ток создается за счет движения электронов и положительно заряженных ионов;
- В вакууме — за счет электронов, вылетающих с поверхности металлических электродов.
Рис. 1. Примеры электрического тока в разных веществах (металлах, электролитах, газах, плазме, вакууме).
В приведенных примерах токи возникают в результате движения заряженных частиц относительно той или иной среды (внутри тел). Такой ток называется током проводимости. Движение макроскопических заряженных тел называется конвекционным током. Примером конвекционного тока могут служить капли дождя во время разряда молнии.
Направление тока в проводнике, как, откуда и куда течет электрический ток в проводниках.
Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. В твердых телах это движение электронов (отрицательно заряженных частиц) в жидких и газообразных телах это движение ионов (положительно заряженных частиц). Более того ток бывает постоянным и переменным, и у них совсем разное движение электрических зарядов. Чтобы хорошо понять и усвоить тему движение тока в проводниках пожалуй сначала нужно более подробно разобраться с основами электрофизики. Именно с этого я и начну.
Итак, как вообще происходит движение электрического тока? Известно, что вещества состоят из атомов. Это элементарные частицы вещества. Строение атома напоминает нашу солнечную систему, где в центре расположено ядро атома. Оно состоит из плотно прижатых друг к другу протонов (положительных электрических частиц) и нейтронов (электрически нейтральных частиц). Вокруг этого ядра с огромной скоростью по своим орбитам вращаются электроны (более мелкие частицы, имеющие отрицательный заряд). У разных веществ количество электронов и орбит, по которым они вращаются, может быть различным. Атомы твердых веществ имеют так называемую кристаллическую решетку. Это структура вещества, по которой в определенной порядке располагаются атомы относительно друг друга.
А где же тут может возникнуть электрический ток? Оказывается, что у некоторых веществ (проводников тока) электроны, что наиболее удалены от своего ядра, могут отрываться от атома и переходить на соседний атом. Это движение электронов называется свободным. Просто электроны перемещаются внутри вещества от одного атома к другому. Но вот если к этому веществу (электрическому проводнику) подключить внешнее электромагнитное поле, тем самым создав электрическую цепь, то все свободные электроны начнут двигаться в одном направлении. Именно это и есть движение электрического тока внутри проводника.
Теперь давайте разберемся с тем, что собой представляет постоянный и переменный ток. Итак, постоянный ток всегда движется только в одном направлении. Как говорилось в самом начале — в твердых телах движутся электроны, а в жидких и газообразных движутся ионы. Электроны, это отрицательно заряженные частицы. Следовательно, в твердых телах электрический ток течет от минуса к плюсу источника питания (перемещаются электроны по электрической цепи). В жидкостях и газах ток движется сразу в двух направлениях, а точнее, одновременно, электроны текут к плюсу, а ионы (отдельные атомы, что не связаны между собой кристаллической решеткой, они каждый сам по себе) текут к минусу источника питания.
Учеными же было принято официально считать, что движение происходит от плюса к минусу (наоборот, чем это происходит в действительности). Так что, с научной точки зрения правильно говорить, что электрический ток движется от плюса к минусу, а с реальной точки зрения (электрофизическая природа) правильнее полагать, что ток течет от минуса к плюсу (в твердых телах). Наверное это сделано для какого-то удобства.
Теперь, что касается переменного электрического тока. Тут уже немного все сложнее. Если в случае постоянного тока движение заряженных частиц имеет только одно направление (физически электроны со знаком минус текут к плюсу), то при переменном токе направление движения периодически меняется на противоположное. Вы наверное слышали, что в обычной городской электросети переменное напряжение величиной 220 вольт и стандартной частотой 50 герц. Так вот эти 50 герц говорят о том, что электрический ток за одну секунду успевает 50 раз пройти полный цикл, имеющий синусоидальную форму. Фактически за одну секунду направление тока меняется аж 100 раз (за один цикл меняется два раза).
P.S. Направление тока в электрических схемах имеет важное значение. Во многих случаях если схема рассчитана на одно направление тока, а вы случайно его поменяете на противоположный или вместо постоянного тока подключите переменный, то скорее всего устройство просто выйдет из строя. Многие полупроводники, что работают в схемах, при обратном направлении тока могут пробиваться и сгорать. Так что при подключении электрического питания направление тока должно быть вами строго соблюдаться.
В каком направлении течет ток
За направление тока принято направление движения положительно заряженных частиц; если же ток создается отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считается противоположным направлению движения частиц.
Рис. 2. Направление движения тока для любой электрической цепи.
Возникает вопрос: почему не был принят очевидный вариант направления, совпадающий с направлением движения электронов? Для того, чтобы это стало понятно, надо немного окунуться в историю физики.
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.
Почему надо знать историю физических открытий
Природу электрических явлений пытались объяснить многие исследователи задолго до открытия электрона (1897 г.). Впервые к пониманию о существовании двух типов зарядов — положительных и отрицательных пришел американский физик Бенджамин Франклин в 1747 г. На основе своих наблюдений он предположил (выдвинул гипотезу), что существует некая “электрическая материя”, состоящая из мелких, невидимых частиц. Он же первым ввел обозначение для электрических зарядов “−” и “+”. Франклин предложил считать, что если тело наполняется электрической материей, то оно заряжается положительно, а если оно теряет электричество, то заряжается отрицательно. В случае замыкания (соединения) цепи положительный заряд потечет туда, где его нет, то есть к “минусу”. Эта плодотворная гипотеза стала популярной, получила свое признание среди ученых, вошла в справочники и учебные пособия.
Конечно, после открытия отрицательно заряженного электрона, эта “нестыковка” реального направления движения с ранее общепринятым была обнаружена. Однако, мировым научным сообществом было принято решение оставить в силе предыдущую формулировку о направлении тока, поскольку в большинстве практических случаев это ни на что не влияет.
В случае необходимости, для объяснения отдельных физических эффектов в полупроводниках и искусственных материалах (гетероструктурах), принимается во внимание настоящее направление движения электронов.
Бенджамин Франклин знаменит еще как выдающийся политический деятель, дипломат и писатель. Он является одним из авторов конституции США. В знак признания заслуг Франклина на купюре номиналом в 100 долларов с 1914 г. изображен его портрет.
Рис. 3. Изображение купюры 100 долларов США с портретом Бенджамина Франклина.
Виды токов: постоянные и переменные
В зависимости от изменения направления протекания заряженных частиц, различают следующие виды токов:
- Постоянный – формируется движением заряженных частиц в одном направлении. Его основные характеристики (сила тока, напряжение) имеют постоянные значения и не изменяются во времени;
- Переменный – направление перемещения зарядов при таком виде движения заряженных частиц периодически меняется. Количество изменений направления движения за единицу времени, равную одной секунде, называется частотой тока и измеряется в Герцах. Так, например, значение данной характеристики в обычной бытовой электрической цепи равно 50 Гц. Это означает, что в течение 1 секунды движущиеся по цепи электроны меняют свое направление 50 раз, вызывая тем самым такое же количество изменений напряжения в фазном проводе от 220 до 0 В.
Значение перемещения электронов в электрической схеме
Понимание того, как идет в цепи ток, необходимо при составлении такого графического изображения расположения электронных деталей, как схема. Важно понимать, откуда течет ток, для того чтобы правильно располагать на схеме, затем соединять различные радиоэлектронные элементы. Если для таких радиодеталей, как конденсатор, резистор, полярность подключения не имеет значения, то полупроводниковый транзистор,
диод необходимо размещать на схеме и затем запитывать, учитывая направление движения тока, иначе они и собираемое с их использованием устройство, электронный блок не будут правильно функционировать.
Таким образом, знание физической сущности направления течения заряженных частиц в проводнике, электролите, полупроводнике позволит любому человеку не только расширить свой кругозор, но и применять его на практике при монтаже электропроводки, пайке различных электронных блоков и схем. Также подобная информация поможет разобраться в том, почему произошла поломка того или иного электроприбора, как ее устранить и предотвратить в будущем.
Направление электрического тока
Направление электрического тока принято считать от плюса к минусу генератора или источника питания, и принимается, что он протекает в металлических проводниках. Однако I образуется не только в проводниках, но и в газах и жидкостях. Атомы металлов связаны в прочную кристаллическую решетку, поэтому свободно перемещаться могут только свободные электроны; ионы остаться неподвижными. Атомы газов и жидкостей могут свободно перемещаться, поскольку не имеют прочных связей. Следовательно, носителями зарядов служат ионы и эл-ны.
Поэтому при определении силы тока I в газах и жидкостях, необходимо учитывать сумму положительных и отрицательных зарядов, прошедших через площадь поперечного сечения за единицу времени. Например, в металлическом проводнике I = 1 А, если через проводник за одну секунду проходят 6,28 18 эл-нов ( 1 Кл ).
Один ампер в газе или жидкости могут образовать 3,14 18 эл-нов (0,5 Кл) и столько же положительных ионов (еще 0,5 Кл). Если заряд иона вдвое превышает заряд эл-на, то потребуется в два раза меньше ионов для создания одного ампера.
Направление электрического тока в проводниках
Исторически сложилось так, что направление протекание электрического тока принято от «плюса» к «минусу», то есть от положительного к отрицательному электроду источника питания. На самом деле, если рассматривать металлический проводник, то электроны, являющиеся единственными носителями заряда, движутся от отрицательного электрода к положительном. Следовательно действительное направления тока противоположно принятому.
Такое направление предложил Бенджамин Франклин ввиду отсутствия знаний того времени о природе носителей электрического заряда в проводниках. Портрет Бенджамина Франклина изображен на сто долларовой купюре.
Направление электрического тока в газах и жидкостях
В газах и жидкостях электрический ток может протекать от плюса к минусу, согласно традиционному представлению, поскольку в них может преобладать количество положительных ионов. Направление не стали изменять на «правильное», поскольку оно слишком плотно вошло в обиход.
Источник
