Условия существования электрического тока: самые важные и основные факторы
Электричество играет колоссальную роль в нашей повседневной жизни. Но что же лежит в основе этого удивительного явления природы? Давайте разберемся в том, при каких условиях возникает электрический ток. Это поможет нам лучше понять суть явления и научиться безопасно применять электроэнергию в быту и на производстве.
1. Что такое электрический ток? Определение понятия
Само слово "ток" подразумевает некое движение или течение. Действительно, еще в XIX веке ученые представляли электрический заряд как особую жидкость, которая течет по проводникам. Хотя современные знания опровергают это представление, термин "электрический ток" сохранился.
Согласно современным представлениям, электрический ток - это упорядоченное направленное движение заряженных частиц. Эти движущиеся частицы называются носителями электрического заряда.
Электрический ток – это направленное движение электрического заряда. Поскольку заряд не существует отдельно от носителя, ток можно определить как направленное движение заряженных частиц.
2. Носители электрического заряда
Основными носителями электрического заряда в веществе являются:
- Электроны - отрицательно заряженные частицы, входящие в состав атомов.
- Протоны - положительно заряженные частицы в ядрах атомов.
Однако не все носители заряда могут участвовать в электрическом токе. В твердых телах протоны прочно связаны с ядрами атомов и не могут свободно перемещаться, поэтому роль носителей играют только электроны.
При этом в диэлектриках все электроны жестко связаны с атомами и тоже неупорядоченно движутся. А вот в металлах часть электронов слабо связана с атомами. Эти свободные электроны и могут участвовать в электрическом токе.
3. Направленность движения частиц
Необходимым условием существования электрического тока является направленное, а не хаотическое движение частиц. Ведь сами по себе электроны в металле постоянно совершают хаотичное тепловое движение со скоростями порядка сотен метров в секунду.
Однако их чисто тепловое движение не порождает электрический ток, так как оно разнонаправленно и суммарное перемещение частиц равно нулю. А для возникновения тока движение должно быть направленным.
При этом тепловое хаотическое движение не прекращается, а накладывается на направленное движение частиц. В результате складывания этих двух видов движения возникает суммарный сдвиг частиц и наблюдается электрический ток.
4. Скорость движения заряженных частиц
Хотя тепловая скорость электронов в металле очень велика, их направленная скорость при наличии электрического тока сравнительно невелика - порядка долей миллиметра в секунду.
Не следует путать эту скорость перемещения отдельных электронов со скоростью распространения электрического тока как такового. Сам ток возникает практически мгновенно по всей протяженности проводника.
Это можно проиллюстрировать на примере течения воды в трубе. Пусть в трубе длиной 1 метр течет вода со скоростью 10 см/с. Это не значит, что за 1 секунду вода протечет только на 10 см. На самом деле она сразу начнет течь по всей трубе со скоростью 10 см/с в каждой точке.
5. Аналогия электрического тока с движением жидкости
Действительно, многие свойства электрического тока можно понять, проводя аналогии с движением жидкостей и газов.
Как уже говорилось, ток мгновенно возникает по всей цепи. Это связано с тем, что электрическое поле распространяется со скоростью света, мгновенно вызывая направленное движение всех электронов.
Здесь прослеживается аналогия с гидродинамикой, где давление тоже распространяется мгновенно по всему объему жидкости, заставляя ее течь.
Таким образом, важной аналогией является мгновенное распространение давления в жидкости и электрического поля в проводнике, вызывающее ток.
Используя гидродинамические аналогии, можно легче объяснить и другие аспекты электрического тока.
6. Электрическое поле как движущая сила тока
Для возникновения упорядоченного движения частиц необходима некоторая движущая сила. В случае электрического тока такой силой является электрическое поле.
Электрический заряд испытывает действие со стороны электрического поля. Эта сила и заставляет заряженные частицы - электроны - двигаться в нужном направлении.
Таким образом, наличие электрического поля в проводнике - это второе непременное условие для возникновения тока. Это поле характеризуется разностью потенциалов между различными точками проводника.
7. Необходимость замкнутой цепи
Оказывается, наличия свободных электронов и электрического поля еще недостаточно для возникновения устойчивого тока. Нужно также, чтобы цепь была замкнута.
Действительно, если цепь разомкнута, электроны под действием поля начнут скапливаться на одном из концов проводника, заряжая его отрицательно.
На другом конце возникнет положительный заряд. Это приведет к возникновению электрического поля, направленного навстречу внешнему полю и ослабляющего его.
В результате ток быстро прекратится. А при замкнутой цепи электроны смогут беспрепятственно двигаться по кругу, поддерживая ток.
8. Отсутствие поля внутри идеального проводника
Интересный факт: в идеально проводящем материале электрического поля внутри нет.
Это связано с тем, что свободные заряды в проводнике полностью экранируют внешнее поле. В результате сумма внешнего и индуцированного полей внутри идеального проводника равна нулю.
На этом свойстве основан эффект электростатического экранирования, когда приборы помещают в металлические корпуса для защиты от электрических полей.
9. Условия возникновения тока в различных средах
Хотя мы рассмотрели возникновение электрического тока в металлах, схожие принципы справедливы и для других сред.
Например, в газах носителями заряда являются свободные электроны и ионы. В электролитах - катионы и анионы. А в плазме - электроны, ионы и свободные атомы.
Но в любом случае для возникновения тока нужно соблюдение трех основных условий: наличие свободных носителей заряда, электрическое поле и замкнутость цепи.
10. Практическое применение знаний об условиях существования тока
Понимание основных принципов и условий протекания электрического тока важно не только для удовлетворения научного любопытства.
Эти знания позволяют грамотно и безопасно использовать электроприборы в быту, проводить профилактические работы, а также экономить электроэнергию.
Например, понимание принципа действия выключателя помогает предотвратить поражение электрическим током при неисправности прибора. А знание законов Ома и Джоуля-Ленца - рационально использовать электроэнергию, не перегружая сеть.
Таким образом, фундаментальные знания физики электричества имеют и важное прикладное значение в повседневной жизни.
11. Зависимость силы тока от напряженности электрического поля
Мы выяснили, что электрическое поле является движущей силой, заставляющей заряженные частицы двигаться. Соответственно, чем сильнее электрическое поле в проводнике, тем быстрее будут двигаться электроны, то есть тем больше будет сила тока.
Таким образом, одним из условий существования электрического тока является достаточная напряженность электрического поля, способная преодолеть силы трения и придать электронам ускорение.
12. Влияние сопротивления проводника
Однако на практике сила тока ограничивается сопротивлением проводника. Это сопротивление обусловлено рассеянием энергии электронов на тепловое движение атомов.
Чем выше сопротивление, тем меньше сила тока при одинаковом напряжении. Поэтому сопротивление проводника тоже является одним из определяющих условий существования электрического тока.
13. Зависимость носителей заряда от температуры
Количество свободных носителей заряда в проводнике зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше электронов обладают достаточной энергией, чтобы покинуть атом.
Следовательно, повышение температуры увеличивает концентрацию свободных электронов в металле, что облегчает условия существования электрического тока.
Этим, в частности, объясняется повышение электропроводности металлов с ростом температуры.
14. Влияние длины и поперечного сечения проводника
На силу тока влияют и геометрические размеры проводника. Чем длиннее проводник и меньше его поперечное сечение, тем выше электрическое сопротивление.
Соответственно, для облегчения условий существования тока проводники делают как можно более короткими и толстыми.
Однако на практике приходится искать компромисс между сопротивлением, гибкостью и стоимостью проводника.
15. Роль разветвленности электрической цепи
Еще одним фактором, влияющим на условия существования электрического тока, является структура электрической цепи.
Если цепь разветвленная, то ток делится на все ветви, поэтому сила тока в каждой ветви уменьшается. Это ухудшает условия существования электрического тока в каждом отдельном участке.
Поэтому для эффективной работы мощных устройств стремятся минимизировать разветвленность цепи и подводить электроэнергию по коротким прямым проводам.