Направление электрического тока: движение по проводнику, течение в цепи, определение стороны

Электрический ток и поток электронов

Единица измерения силы тока

Разобравшись в том, что в большинстве случаев носителями электрических зарядов являются электроны, необходимо понять, почему они движутся. Для этого необходимо заглянуть в микромир частиц – атомов и понять их строение, физические процессы, происходящие с ними.

Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него множества электронов, количество которых зависит от суммарного заряда ядра. Электроны передвигаются по определенным траекториям – орбиталям (уровням). При этом те из них, которые располагаются ближе всего к ядру, удерживаются им очень сильно и не участвуют в химических реакциях и физических процессах. Те частицы, которые находятся на внешних уровнях, являются активными и определяющими способность того или иного атома к химическому взаимодействию и образованию свободных зарядов. Их называют валентными.

Активность и способность атомов к отщеплению свободных электронов зависят от количества частиц на внешних уровнях. Так, у одних веществ многочисленные электроны удалены от ядра, поэтому срываются со своих орбиталей и начинают устремляться к другим атомам, в результате чего наблюдается перемещение свободных зарядов. При подаче электрических потенциалов (напряжения) движение электронов становится направленным, появляется электрический ток. Поэтому твердые тела (например, металлы) с большим количеством свободных электронов являются проводниками.

У диалектиков частицы, способные переносить электрический заряд, отсутствуют – у них мало электронов на внешних уровнях, поэтому они не могут срываться, переходя сначала в хаотичное, потом и в направленное движение.

Промежуточное положение между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники, электропроводность которых зависит от внешних факторов (температуры, освещенности и т.д.).

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.

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

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.

Течение в электроцепи

Электрическая цепь предназначена приносить пользу. Например, зажигать свет, заставлять крутиться двигатель, обогревать помещение с помощью спиральных нагревателей

Но в принципе, какая будет польза от электричества неважно, главное, что оно подводится к потребителям

Таким образом, самая простая электроцепь состоит из трёх частей:

источника – элемента, создающего электрическое поле;
проводника – вещества, обеспечивающего замкнутость цепи для прохождения тока;
потребителя – нагрузки, преобразующей электроэнергию в полезную работу.

Куда и как будет в простой цепи идти ток, догадаться несложно. Он будет течь от положительного полюса источника напряжения, проходить через нагрузку и поступать на отрицательный вывод. Но реальные электрические цепи обычно содержат намного больше элементов. Их наибольшее количество определяется мощностью источника тока. Ведь если потребление превысит генерацию, энергии просто не хватит на совершение полезной работы.

Изображать цепь принято с помощью электрической схемы. Она состоит из ветвей, узлов и условных изображений радиоэлементов. С помощью неё специалисту легко понять предназначение цепи, в каких точках будет то или иное напряжение и сила тока.

Например, можно рассмотреть простую задачу, рассчитанную на учащихся седьмых классов. На рисунке приведена схема. Нужно определить направление тока на всех участках. Чтобы правильно решить задание, необходимо указать полюса в источнике тока. Затем от плюса расставить стрелки, чтобы они в итоге показывали путь к минусу. При этом в узлах схемы нужно отметить места, где электрический ток расходится или, наоборот, сходится.

Направление тока: от минуса к плюсу или наоборот?

Все мы хорошо знаем, что электричество представляет собой направленный поток заряженных частиц в результате воздействия электрического поля. Это вам скажет любой школьник. А вот вопрос о том, каково направление тока и куда деваются эти самые частицы, многих может поставить в тупик.

Суть вопроса

Как известно, в проводнике электричество переносят электроны, в электролитах – катионы и анионы (или попросту ионы), в полупроводниках электроны работают с так называемыми «дырками», в газах – ионы с электронами. От наличия свободных элементарных частиц в том или ином материале и зависит его электропроводность. При отсутствии электрического поля в металлическом проводнике ток идти не будет. Но как только на двух его участках возникнет разность потенциалов, т.е. появится напряжение, в движении электронов прекратится хаос и наступит порядок: они начнут отталкиваться от минуса и направятся в сторону плюса. Казалось бы, вот и ответ на вопрос «Каково направление тока?». Но не тут-то было. Достаточно заглянуть в энциклопедический словарь или просто в любой учебник по физике, как сразу станет заметно некое противоречие. Там говорится, что условно словосочетание «направление тока» обозначает направленное движение положительных зарядов, другими словами: от плюса к минусу. Как быть с этим утверждением? Ведь здесь невооруженным глазом заметно противоречие!

Сила привычки

Когда люди научились составлять цепь постоянного тока, они еще не знали о существовании электрона. Тем более, в то время не подозревали что он движется от минуса к плюсу. Когда Ампер предложил в первой половине 19-го столетия направление тока от плюса к минусу, все восприняли это как должное и это решение никто не стал оспаривать. Прошло 70 лет, пока люди не выяснили, что ток в металлах происходит благодаря движениям электронов. А когда они это поняли (это случилось в 1916 году), все настолько привыкли к сделанному Ампером выбору, что уже не стали ничего менять.

«Золотая середина»

В электролитах отрицательно заряженные частицы движутся к катоду, а положительные — к аноду. То же самое происходит и в газах. Если подумать, какое направление тока будет в этом случае, в голову приходит только один вариант: перемещение разнополярных электрических зарядов в замкнутой цепи происходит навстречу друг другу. Если принять это утверждение за основу, то оно снимет существующее ныне противоречие. Возможно, это вызовет удивление, но еще более 70 лет назад ученые получили документальные подтверждения того, что противоположные по знаку электрические заряды в проводящей среде действительно движутся друг другу навстречу. Данное утверждение будет справедливо для любого проводника вне зависимости от его типа: металла, газа, электролита, полупроводника. Как бы там ни было, остается надеяться, что со временем физики устранят путаницу в терминологии и примут однозначное определение того, что же все-таки такое направление движения тока. Привычку, конечно, менять сложно, но ведь нужно же наконец поставить все на свои места.

Сущность электричества

Случайное движение электронов в теле существует всегда. Называется оно тепловым. Из-за того, что электрон имеет маленькую массу, скорость движения носителя заряда довольно высокая. При комнатной температуре она составляет примерно 100 км/с. Создать направленное движение, получить ток, можно и самостоятельно с помощью простых предметов. Для этого понадобится приготовить:

2 электрометра — устройства, позволяющие обнаруживать электрические заряды.
Проводник.
Лист пластика.
Бумагу.

После трения бумаги о пластик произойдёт электризация предметов. На них начнут скапливаться заряды одного знака. Это можно проверить, поднеся пластиковый лист к замкнутым проводником электрометрам. Стрелки на приборах отклонятся в одну и ту же сторону. Происходит это из-за скопления носителей частиц. Если убрать проводник, заряды не смогут вернуться, то есть оба электрометра останутся заряженными.

Проверить, какой заряд находится в устройствах, можно с помощью эбонитовой палочки. Известно, что если её потереть о шёлк, на ней скапливаются отрицательные частицы. Поднеся её к электрометрам, можно обнаружить, что на одном стрелка вернётся в исходное состояние, а на втором отклонится ещё больше. Другими словами, первое устройство будет характеризоваться избытком электронов, а второе — их недостатком.

Теперь если соединить 2 противоположно заряженных электрометра проводником, стрелки вернутся к нулю. Произошедшее можно объяснить существованием электрического поля. Под его действием элементарные носители зарядов начинают двигаться в проводнике. Из места, где их больше, они перемещаются туда, где их меньше. Это и есть направленное движение электрозарядов, то есть электрический ток.

Итак, при соединении проводником противоположно заряженных предметов возникает направленное движение электронов. О существовании электрического тока учёные узнали в конце XVIII веке. Но электроны были открыты только в XIX веке (1897 год). Физики, когда получили электроток, понимали, что происходит движение зарядов, но какова их природа, не знали, поэтому решили принимать за направление электрического тока движение положительных частиц. Это решение, как выяснилось в дальнейшем, оказалось не совсем корректным.

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.

http://electrik.info/main/fakty/899-kuda-techet-elektrichestvo.htmlhttp://fb.ru/article/99367/napravlenie-toka-ot-minusa-k-plyusu-ili-naoborothttp://amperof.ru/teoriya/kak-techet-tok.htmlhttp://diodov.net/napravlenie-elektricheskogo-toka/

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.

Электрический ток в веществах

Направленное движение частиц может возникнуть в разных физических телах вне зависимости от их агрегатного состояния. Способность вещества пропускать через себя ток определяется проводимостью. Это параметр характеризуется числом свободных носителей, которые участвуют в переносе заряда.

В зависимости от своих физических свойств, все существующие тела можно разделить на следующие виды:

Проводники — твёрдые вещества, имеющие достаточное количество свободных электронов, которые и являются источником тока. Основными носителями в них являются электроны. К ним относятся все металлы.
Диэлектрики — материалы с большой величиной удельного сопротивления, в них практически невозможно создать ток.
Полупроводники — по проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Их характеристики сильно зависят от температуры и степени примесей в кристаллической решётке.
Электролиты — жидкости, способные пропускать электрический ток. Как пример, можно привести водные растворы кислот, щелочей, солей. При взаимодействии с водой молекулы веществ распадаются на ионы. Они, в свою очередь, образуют отдельные атомы или группы. Эти образования обладают положительным зарядом (катионы) или отрицательным (анионы).
Газы и плазма — ток в них создаётся за счёт перемещения электронов и положительных ионов.
Вакуум — основные носители электроны. Чтобы они появились, в среду вводят металлические электроды.

Таким образом, в веществах токи возникают в результате упорядоченного изменения положения заряженных частиц относительно той или иной среды. Этот процесс называют возникновением тока проводимости. Но вместе с этим существует и движение макроскопических заряженных тел — конвекционное. Примером такого вида тока могут служить капли дождя во время грома.

Общие сведения

Скалярная физическая величина, позволяющая телу излучать электромагнитное поле, называется зарядом. Он не может существовать сам по себе без носителей. В качестве их принимаются подвижные частицы или квазичастицы. Именно они обеспечивают возникновение электрического тока. Например, в качестве их может выступать электрон, ион, дырка или позитрон.

За единицу измерения электрического заряда принят кулон (Кл). Фактически он показывает, сколько прошло через поперечное сечение элементарных частиц. При этом ток принимают равный одному амперу, а время одной секунде. Несмотря на то что в замкнутой системе могут появляться новые частицы, обладающие зарядом, их общее число всегда остаётся постоянным. Если одни рождаются, то другие уничтожаются. Эта закономерность установлена была в 1843 году Фарадеем и известна как закон сохранения электрического заряда.

В любом физическом теле имеются носители зарядов. Если на них не оказывается взаимодействие, наступает так называемый электронный баланс: энергия находится на постоянном уровне. Когда движение частиц происходит хаотично, она поглощается и выделяется в равных частях. Но если к телу приложена внешняя сила, которая заставляет двигаться заряды в одном направлении, возникает электрический ток.

Поток частиц может быть двух видов:

Переменный — характеризуется изменением значения и направления во времени. Течение зарядов изменяется по определённому закону. Чаще всего это синусоидальная функция. Если выполнить измерение, можно увидеть, что ток будет непрерывно изменять направление.
Постоянный — при его возникновении направление движение носителей заряда не изменяется или смена выражена слабо. В последнем случае ток считают пульсирующим. Фактически это периодический электрический ток, у которого среднее значение за период отлично от нуля. Получается он при выпрямлении переменного.

Количественной характеристикой направленного потока является сила. Её определяют, как количество заряженных частиц, пройденное через поперечное сечение за единицу времени. Вокруг каждого носителя существует электрическое поле. Оно описывается с помощью напряжения, величина которого находится как разность потенциалов. Это характеристика, которая показывает изменение заряд при переходе частицы из одного положения в другое.

Где используется и в чём преимущества переменного и постоянного тока

Для выполнения различных задач может потребоваться использование как переменного тока, так и постоянного. У каждого вида тока есть свои недостатки и достоинства.

Переменный ток чаще всего используется тогда, когда присутствует необходимость передачи тока на большие расстояния. Такой ток передавать целесообразнее с точки зрения возможных потерь и стоимости оборудования. Именно поэтому в большинстве электроприборов и механизмов используется только этот вид тока.

Жилые дома и предприятия, инфраструктурные и транспортные объекты находятся на расстоянии от электростанций, поэтому все электрические сети — переменного тока. Такие сети питают все бытовые приборы, аппаратуру на производствах, локомотивы поездов. Приборов, работающих на переменном токе невероятное количество и намного проще описать те устройства, в которых используется постоянный ток.

Постоянный ток используется в автономных системах, таких, например, как бортовые системы автомобилей, летательных аппаратов, морских судов или электропоездов. Он широко используется в питании микросхем различной электроники, в средствах связи и прочей технике, где требуется минимизировать количество помех и пульсаций или исключить их полностью. В ряде случае, такой ток используется в электросварочных работах с помощью инверторов. Существуют даже железнодорожные локомотивы, которые работают от систем постоянного тока. В медицине такой ток используется для введения лекарств в организм с помощью электрофореза, а в научных целях для разделения различных веществ (электрофорез белков и прочее).

Электрический ток и поток электронов

Ядро и электроны