Электрический ток.

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц, то есть частиц, несущих электрический заряд. При таком движении заряженные частицы могут двигаться не обязательно параллельными траекториями. Их движение подобно полёту гонимого ветром комариного роя, внутри которого комары беспорядочно летают относительно друг друга, и в то же время комариный рой перемещается по направлению ветра.

За направление электрического тока принимают направленное движение положительно заряженных частиц. Если же электрический ток образован движением отрицательных частиц, то за направление тока принимают направление, обратное их движению.

Протекание электрического тока проявляется через такие его действия: тепловое, химическое, магнитное. Тепловое действие тока проявляется в нагревании проводника, по которому он протекает. В результате химического действия тока может изменяться химический состав той среды проводника, по которому он протекает. Например, если ток протекает через раствор поваренной соли (NaCl) в воде, то из раствора выделяется натрий (Na) и хлор (Cl). Протекающий через проводник ток оказывает магнитное действие. Проявляется это действие в том, что магнитная стрелка всегда поворачивается перпендикулярно проводнику с током. Этот эффект впервые был обнаружен датским физиком Х.Эрстедом в 1820 году. Если изолированный провод намотать виток к витку на трубку из непроводящего ток материала, то при протекании по проводу тока в трубку будут втягиваться мелкие предметы из магнитных материалов (железа). На магнитном действии тока основана работа трансформаторов, электродвигателей, различных измерительных приборов. Магнитное действие тока является основным, так как сопровождает электрический ток всегда без каких-либо исключений. Тепловое и химическое действие тока зависят от среды его протекания.

Количественно электрический ток, протекающий через проводник, характеризуют силой тока I. Силой тока называют отношение заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника площадью S, ко времени t, за которое этот заряд переносится.

(16)

Сила тока показывает скорость протекания заряда по проводнику. В этом состоит её физический смысл. Вводят понятие мгновенной силы тока I_мгн.

(17)

(18)

Если сила тока не изменяется за любые равные промежутки времени, то такой ток называют постоянным. Сила постоянного тока определяется выражением

То есть сила тока равна заряду, переносимому через поперечное сечение проводника за единицу времени (например, за 1 секунду).

За единицу измерения силы тока в международной системе единиц (СИ) принят ампер (А). Эта величина названа в честь великого французского физика Андре Мари Ампера (1775-1836), введшего в физику понятие "электрический ток". Следует особо подчеркнуть, что в системе СИ единица измерения силы тока является основной, а заряд является производной величиной. Это значит, что заряд в 1 Кл определяют как ток силой 1 А, протекающий через поперечное сечение проводника за время 1 с.

Теперь ответим на такой вопрос: "Что же необходимо для создания электрического тока в проводнике?". Для возникновения и протекания электрического тока необходимы два условия:

1. наличие свободных, не связанных между собой заряженных частиц (носителей заряда),

2) присутствие силы, действующей на частицы в определённом направлении. Источником такой силы является электрическое поле. Изначально электрическое поле образуется источником тока (например: гальванической батареей, аккумулятором), на полюсах которого действием сторонних сил происходит процесс разделения положительных и отрицательных зарядов. Под сторонними силами понимаются любые силы (за исключением электростатических сил), действующие на электрически заряженные частицы. Сторонние силы, разделяющие положительные и отрицательные заряды, могут возникать, например, благодаря химической реакции, протекающей на границе соприкосновения электродов с раствором электролита. Такие процессы происходят в гальваническом элементе или в аккумуляторе. В фотоэлементе сторонние силы возникают вследствие взаимодействия света с веществом. В генераторах электростанций сторонние силы появляются в результате действия магнитного поля на электроны движущегося проводника. Физическая величина, характеризующая действие сторонних сил в источниках тока, называется электродвижущей силой (ЭДС). ЭДС измеряется в вольтах. ЭДС показывает, какую работу совершают сторонние силы по перемещению заряда 1 Кл от одного полюса источника тока к другому. Например, если источник тока имеет напряжение 9 В, то это означает, что внутри него сторонние силы совершают работу 9 Дж при перемещении заряда в 1 Кл от одного полюса к другому.

Источники постоянного тока в общем случае принято обозначать так:

Если источник тока является гальванической батареей, то вместо символа Е ставятся символы GB.

Выше мы установили, что для протекания электрического тока необходимо наличие свободных, не связанных между собой заряженных частиц (носителей заряда). В зависимости от наличия таких частиц все вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники. Проводниками называют вещества, в которых хорошо протекает (или, как говорят, которые хорошо проводят) электрический ток. Хорошими проводниками являются металлы (например: серебро, медь, алюминий, железо). Диэлектриками называют вещества, которые вообще не проводят электрический ток. Диэлектриками являются керамика, резина, дерево, ткань. Полупроводниками называют вещества, которые проводят электрический ток хуже, чем проводники, но лучше, чем диэлектрики. К полупроводникам относят кремний, германий и т.д.

Рассмотрим физику процесса протекания тока в металлическом проводнике. При замыкании электрической цепи в проводнике сразу же устанавливается электрическое поле. Под действием этого поля электроны двигаются в направлении от клеммы "минус" через проводник к клемме "плюс". Такое движение не означает, что каждый электрон, порождённый источником тока на клемме "минус", пробегает в проводнике весь путь до клеммы "плюс". Движение электронов в проводнике можно уподобить эффекту "домино". Действительно, множество электронов под действием сторонних сил, действующих в источнике тока, начинают движение от клеммы "минус". Суммарное электрическое поле этих электронов мгновенно действует на свободные электроны близлежащей области проводника, заставляя их двигаться в направлении к клемме "плюс". В свою очередь свободные электроны этой области проводника, вовлечённые в такое движение, воздействуют на свободные электроны соседней области и т.д. до клеммы "плюс". То есть происходит такое явление, когда при сравнительно малой скорости движения электрона, измеряемой менее, чем 0,1 мм/с, скорость распространения электрического поля близка к скорости света (300 000 км/с).

Рис. 10