Направление электрического тока в металлическом проводнике

Направление электрического тока — условия и причины возникновения

Однако ток может возникнуть и в других средах, например, в газах. Как только физики открыли это явление, им предстояло определить, каково направление электрического тока.

Причины появления

Заряженные частицы начинают перемещаться благодаря действию различных источников питания. К их числу принадлежат батареи, аккумуляторы, генераторы и другие устройства, способные превращать всевозможные виды энергии в электрическую. Во время этих преобразований наглядно проявляется закон сохранения энергии. Частицы начинают движение в тот момент, когда электрическая цепь замыкается, что приводит к появлению в проводнике электрополя.

Именно оно и оказывает определенное воздействие на свободные частицы. Во время исследований ученые установили, что каждый источник электротока обладает электродвижущей силой (ЭДС). Следует помнить, что электроны не появляются благодаря источнику питания, а присутствуют в материале проводника. Они начинают двигаться под прямым воздействием электрополя, так как не связаны атомными связями и являются свободными.

В качестве примера можно привести замкнутую систему труб, воду в которых перекачивает насос. В зависимости от размеров труб и числа ответвлений, жидкость будет перемещаться в них с разной скоростью.

Все эти свойства присущи и течению электротока, которое изменяется в зависимости от сечения проводников.

Направление электротока

Необходимо понимать, что электроток вызывает не каждое перемещение заряженных частиц. Под воздействием тепла электроны также начинают двигаться, но их движение является хаотичным и не имеет конкретного направления. Если к тепловому воздействию на проводник добавить электрополе, то электроны начнут двигаться с определенной направленностью.

Направление перемещения частиц, образующих электроток, зависит от их заряда:

положительные движутся от «плюса» к «минусу»;
отрицательные — от «минуса» к «плюсу».

Встречное перемещение частиц наблюдается в электролитических растворах и газах. Поэтому крайне важно точно установить, каково настоящее направление тока в цепи. В результате было принято решение, что движение положительных частиц является направлением электротока. Однако это утверждение не совпадает с действительностью, когда разговор идет о металлических проводниках.

Дело в том, что в них перенос заряда происходит из-за перемещения электронов, заряженных отрицательно. При этом точно известно, что они двигаются от минуса к положительному полюсу. В данном случае приходится считать направление тока противоположным перемещению заряженных частиц.

Несмотря на определенное неудобство, это правило четко говорит, что принимают за направление электрического тока и куда он течет.

Движение частиц в различных проводниках

Электроток способен возникнуть не только в металлах, но и других веществах. При этом они могут находиться в различных агрегатных состояниях. Чтобы лучше понять тему, стоит указать и движение тока в жидкостях, газах и твердых веществах:

Металлы обладают большим количеством свободных электронов, которые и являются основным источником электротока.
Электролиты представляют собой жидкости, которые способны проводить электроток. К этой группе проводников принадлежат растворы солей, кислот, щелочей. Оказавшись в воде, молекулы всех этих веществ расщепляются на ионы — заряженные отдельные атомы либо их группы. Ионы могут иметь положительный (катионы) либо отрицательный (анионы) заряд. Именно вследствие их направленного движения в растворах возникает электроток.
В плазме и газах электроток вызывает перемещение положительных ионов и электронов, имеющих отрицательный заряд.
В вакууме ток появляется благодаря вылетающим с поверхности металла электронам.

Ток, возникающий вследствие передвижения заряженных частиц внутри тел относительно определенной среды, называется электротоком проводимости.

Также существует определение конвекционного электротока, представляющего собой движение макроскопических частиц. Примером конвекционного тока являются дождевые капли во время молнии.

Действие тока

Зная, что принимается за направление тока, стоит выяснить и его действие. О появлении силы электротока можно узнать по показаниям специальных приборов. Однако они не всегда есть под рукой. В такой ситуации о наличии электротока можно судить по следующим явлениям:

Тепловое. Движение заряженных частиц приводит к нагреву материала проводника. Именно это явление используется в работе ламп освещения либо нагревательных приборов.
Магнитное. Если в цепи есть ток, то он создаст магнитное поле. Проверить этот факт можно с помощью компаса: если поднести его к проводу, то стрелка повернется перпендикулярно проводнику. Созданное током магнитное поле можно усилить, обмотав железный стержень проволокой. В результате получится электромагнит.
Химическое. Если ток протекает в электролитах, то химический состав раствора изменится. Например, в растворе CuSO4 электроток возникает благодаря движению положительных ионов Cu. Они перемещаются к отрицательному электроду, который со временем покроется слоем меди.

Сегодня сложно представить человеческую цивилизацию без электричества. Природу этих явления пытались установить многие ученые еще до открытия электронов. Первым физиком, выдвинувшим гипотезу о наличии двух типов зарядов, стал Бенджамин Франклин.

После открытия электронов не состыковка гипотезы Франклина была обнаружена, но ученые решили, что определяться направление электротока будет по-прежнему.

Проектируем электрику вместе

Направление электрического тока

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 электрический ток.

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.).

Электрический ток и закон Ома

теория по физике 🧲 постоянный ток

Электрический ток — направленное движение заряженных частиц под действием внешнего электрического поля.

Условия существования электрического тока:

наличие заряженных частиц;
наличие электрического поля, которое создается источниками тока.

Носители электрического тока в различных средах

Среда	Носители электрического тока
Металлы	Свободные электроны
Электролиты (вещества, проводящие ток вследствие диссоциации на ионы)	Положительные и отрицательные ионы
Газы	Ионы и электроны
Полупроводники	Электроны и дырки (атом, лишенный одного электрона)
Вакуум	Электроны

Электрическая цепь и ее схематическое изображение

Электрическая цепь — это совокупность устройств, соединенных определенным образом, которые обеспечивают путь для протекания электрического тока.

Основные элементы электрической цепи:

Источник тока (генератор, гальванический элемент, батарея, аккумулятор).
Потребители тока (лампы, нагревательные элементы и прочие электроприборы).
Проводники — части цепи, обладающие достаточным запасом свободных электронов, способных перемещаться под действием внешнего электрического поля. Проводники соединяют источники и потребители тока в единую цепь.
Ключ (переключатель, выключатель) для замыкания и размыкания цепи.

Электрическая цепь также может содержать:

резистор — элемент электрической цепи, обладающий некоторым сопротивлением;
реостат — устройство для регулировки силы тока и напряжения в электрической цепи путём получения требуемой величины сопротивления;
конденсатор — устройство, способное накапливать электрический заряд и передавать его другим элементам цепи;
измерительные приборы — устройства, предназначенные для измерения параметров электрической цепи.

Определение

Электрическая схема — графическое изображение электрической цепи, в котором реальные элементы представлены в виде условных обозначений.

Условные обозначения некоторых элементов электрической цепи

Простейшая электрическая цепь содержит в себе источник и потребитель тока, проводники, ключ. Схематически ее можно отобразить так:

Направление электрического тока в металлах

По металлическим проводам перемещаются отрицательно заряженные электроны, т.е. ток идет от «–» к «+» источника. Направление движения электронов называют действительным. Но исторически в науке принято условное направление тока от «+» источника к «–».

Действия электрического тока (преобразования энергии)

Электрический ток способен вызывать различные действия:

Тепловое — электрическая энергия преобразуется в тепло. Такое преобразование обеспечивает электроплита, электрический камин, утюг.
Химическое — электролиты под действием постоянного электрического тока подвергаются электролизу. К положительному электроду (аноду) в процессе электролиза притягиваются отрицательные ионы (анионы), а к отрицательному электроду (катоду) — положительные ионы (катионы).
Магнитное (электромагнитное) — при наличии электрического тока в любом проводнике вокруг него наблюдается магнитное поле, т.е. проводник с током приобретает магнитные свойства.
Световое — электрический ток разогревает металлы до белого каления, и они начинают светиться подобно вольфрамовой спирали внутри лампы накаливания. Другой пример — светодиоды, в которых свет обусловлен излучением фотонов при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой.
Механическое — параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются.

Основные параметры постоянного тока

Постоянный ток — электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.

Основными параметрами электрического тока являются:

Сила тока. Обозначается как I. Единица измерения — А (Ампер).
Напряжение. Обозначается как U. Единица измерения — В (Вольт).
Сопротивление. Обозначается как R. Единица измерения — Ом.

Сила тока

Сила тока показывает, какой заряд q проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду:

I = q t . . = Δ q Δ t . . = N q e t .

N — количество электронов, q e = 1 , 6 · 10 − 19 Кл — заряд электрона, t — время (с).

Заряд, проходящий по проводнику за время t при силе тока, равной I:

Пример №1. Источник тока присоединили к двум пластинам, опущенным в раствор поваренной соли. Сила тока в цепи 0,2 А. Какой заряд проходит между пластинами в ванне за 2 минуты?

2 минуты = 120 секунд

q = I t = 0 , 2 · 120 = 24 ( К л )

Заряд, проходящий за время ∆t при равномерном изменении силы тока от I₁ до I₂:

Δ q = I 1 + I 2 2 . . Δ t

Сила тока и скорость движения электронов:

n — (м –3 ) — концентрация, S (м 2 ) — площадь сечения проводника, v — скорость электронов.

Внимание!

Электроны движутся по проводам со скоростью, равной долям мм/с. Но электрическое поле распространяется со скоростью света: c = 3∙10 8 м/с.

Сопротивление

Сопротивление металлов характеризует тормозящее действие положительных ионов кристаллической решетки на движение свободных электронов:

ρ — удельное сопротивление, показывающее, какое сопротивление имеет проводник длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м 2 , изготовленный из определенного материала. l — длина проводника (м), S — площадь его поперечного сечения.

Пример №2. Медная проволока имеет электрическое сопротивление 6 Ом. Какое электрическое сопротивление имеет медная проволока, у которой в 2 раза больше длина и в 3 раза больше площадь поперечного сечения?

Сопротивление первого и второго проводника соответственно:

Поделим электрическое сопротивление второго проводника на сопротивление первого:

R 2 R 1 . . = ρ 2 l 3 S . . ÷ ρ l S . . = ρ 2 l 3 S . . · S ρ l . . = 2 3 . .

Отсюда сопротивление второго проводника равно:

Напряжение

Напряжение характеризует работу электрического поля по перемещению положительного заряда:

Пример №3. Перемещая заряд в первом проводнике, электрическое поле совершает работу 20 Дж. Во втором проводнике при перемещении такого же заряда электрическое поле совершает работу 40 Дж. Определить отношение U₁/U₂ напряжений на концах первого и второго проводников.

U 1 U 2 . . = A 1 q . . ÷ A 2 q . . = A 1 q . . · q A 2 . . = A 1 A 2 . . = 20 40 . . = 1 2 . .

Закон Ома для участка цепи

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению:

Иллюстрация закона Ома.

Сила тока направлена в сторону движения заряженных частиц (электронов). Силе тока противостоит сопротивление: чем оно больше, тем меньше сила тока (тем меньше проходит электронов через проводник в единицу времени). Но росту силы тока способствует напряжение, которое словно толкает заряженные частицы, заставляя их упорядоченно перемещаться.

Закон Ома для участка цепи с учетом формулы для расчета сопротивления:

Для сравнения и расчета сопротивления часто используют вольтамперную характеристику. Так называют графическое представление зависимости силы тока от напряжения. Пример вольтамперной характеристики:

Чем круче график, тем меньше сопротивление проводника. При расчете сопротивления важно учитывать единицы измерения величин, указанных на осях.

Пример №4. На рисунке изображен график зависимости силы тока от напряжения на одной секции телевизора. Каково сопротивление этой секции:

Точке графика, соответствующей 5 кВ, соответствует сила тока, равна 20 мА.

Сначала переведем единицы измерения величин в СИ:

R = U I . . = 5000 0 , 02 . . = 250000 ( О м ) = 250 ( к О м )

При определении сопротивления резистора ученик измерил напряжение на нём: U = (4,6 ± 0,2) В. Сила тока через резистор измерялась настолько точно, что погрешностью можно пренебречь: I = 0,500 А. По результатам этих измерений можно сделать вывод, что сопротивление резистора, скорее всего,

Электрическая цепь. Направление электрического тока

Конспект по физике для 8 класса «Электрическая цепь. Направление электрического тока». Из каких элементов состоит электрическая цепь. Какое направление принимают за направление электрического тока в цепи.

Электрическая цепь.
Направление электрического тока

В отсутствие электрического поля свободные электроны в проводниках движутся беспорядочно. Если концы проводника (или провода) подсоединить к полюсам источника тока, то в проводнике возникнет электрический ток.

ПРОСТЕЙШИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

Чтобы заставить работать различные электрические приборы — электродвигатели, лампы, плитки и т. д., необходимо создать в них электрический ток. Электрические приборы называют приёмниками или потребителями энергии. Для того чтобы электрическую энергию доставить от источника тока к приёмнику, используют соединительные провода.

Чтобы регулировать процессы протекания электрического тока, включать и выключать потребители электрической энергии, применяются различные приборы управления током: ключи, рубильники, выключатели и другие замыкающие и размыкающие устройства.

Источник тока, потребители электрической энергии и приборы управления током, соединённые между собой проводами, составляют электрическую цепь. Для того чтобы в цепи существовал ток, она должна быть замкнута. Обрыв цепи или замена проводящего участка цепи изолятором приводит к прекращению прохождения тока.

Немецкий профессор Г. К. Лихтенберг из Гёттингена первый предложил ввести символы, обозначающие отдельные элементы электрических цепей. Он обосновал их практическое применение и использовал в своих работах. Благодаря ему математические знаки «+» и «-» стали использовать для обозначения электрических зарядов.

НАПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

До открытия электрона учёные предполагали, что по цепи движутся только положительные заряды. Поэтому общепринятым направлением электрического тока в цепи считается направление, в котором движутся (или могли бы двигаться) в проводнике положительные заряды, т. е. направление от положительного полюса источника тока к отрицательному. Но это не означает, что во всех проводниках движутся положительные заряды. В одних случаях в проводнике движутся только отрицательные заряды, в других случаях происходит движение зарядов обоих знаков в противоположных направлениях. Но определение направления тока было сделано в те времена, когда природа электрического тока не была до конца изучена.

При направленном движении заряженные частицы могут участвовать и в тепловом хаотическом движении. Характер движения частиц при протекании электрического тока можно сравнить с явлением конвекции в жидкостях и газах, при котором в направленных конвекционных потоках происходит беспорядочное движение молекул.

В металлических проводниках ток создаётся отрицательно заряженными частицами — электронами, которые движутся по цепи от отрицательного полюса источника тока к положительному. Направление тока и направление движения носителей заряда в этом случае противоположны.

Понятия «электрический ток» и «направление электрического тока» были введены французским физиком Андре Мари Ампером. Именно он предложил принять за направление электрического тока то, в котором перемещается «положительное электричество».

Благодаря работам Ампера шаг за шагом выросла новая наука — электродинамика, основанная на экспериментах математической теории. В 1826 г. Ампер опубликовал труд, который назывался «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта».

Ампер также ввёл в науку такие термины, как «электростатика», «электродинамика», «соленоид», «электродвижущая сила», «напряжение», «гальванометр» и даже «кибернетика». Он высказал предположение о том, что, вероятно, возникнет новая наука об общих закономерностях процессов управления, и предложил назвать её кибернетикой.

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Электрическая цепь. Направление электрического тока».

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.

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.

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.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что направление тока в электрической цепи соответствует направлению движения положительных зарядов, то есть от плюсового потенциала (плюса) к минусовому потенциалу (минусу). Несмотря на то, что чаще всего электрический ток создается отрицательно заряженными электронами, выбор направления тока было решено оставить именно таким. Так сложилось исторически.