Как выбирают сторону направления электрического тока в цепи

Ток образуется при определённом перемещении частиц. Традиционно за них принимают электроны и ионы. Но на самом деле всё гораздо сложнее. В движении участвуют как положительные носители зарядов, так и отрицательные, поэтому, чтобы было удобно исследовать процессы, за направление электрического тока взяли изменение положения плюсовых частиц. Другими словами, учёные договорились, что он течёт по проводнику от «плюса» к «минусу».

Оглавление:

• Общие сведения
• Электрический ток в веществах
• Направление движения
• История принятия направления

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:

1. 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.
2. 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.

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:

1. Проводники — твёрдые вещества, имеющие достаточное количество свободных электронов, которые и являются источником тока. Основными носителями в них являются электроны. К ним относятся все металлы.
2. Диэлектрики — материалы с большой величиной удельного сопротивления, в них практически невозможно создать ток.
3. Полупроводники — по проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Их характеристики сильно зависят от температуры и степени примесей в кристаллической решётке.
4. 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).
5. Газы и плазма — ток в них создаётся за счёт перемещения электронов и положительных ионов.
6. 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.

Атомы проводников прочно сидят в кристаллической решётке, поэтому свободно двигаться могут только электроны, не имеющие связей. Частицы же газов и жидкостей могут перемещаться, так как не имеют прочных связей, поэтому носителями зарядов будут как ионы, так и электроны. Их дрейфовая скорость определяется типом материала проводника, массой, окружающей температурой и приложенной разностью потенциалов.

Направление движения

Скорость распространения электричества по проводникам очень высока. По заверениям учёных, она приближается к значению, равному распространению света. Но эта скорость не определяет движение самих зарядов. Всё дело в том, что в замкнутой цепи под действием внешней силы свободные частицы взаимодействуют по всей длине тела, поэтому скорость распространения зарядов имеет своё название — дрейфовая.

В какую сторону направлено перемещение положительных зарядов, ту и принимают за направление электрического тока. Но известно, что в металлах электроны выступают как носители, поэтому выбор направления был принят условно. Физики договорились, что ток направлен от плюса к минусу. Это было связано с опытами Франклина, разрабатывающего свою жидкостную теорию. Он увидел, что перетекание в сообщающих сосудах происходит из большей ёмкости в меньшую, то есть из более электризованного места в меньшее.

Например, в полупроводнике можно представить себе цепочку атомов, в которой появился положительный ион. За счёт действия поля произойдёт перемещение электрона от атома, стоящего после частицы к нему. Затем по цепочке носитель заряда начнёт переходить от третьего атома ко второму иону, от четвёртого к третьему. Значит, в полупроводнике ток течёт против поля. Перенос зарядов от атомов, заряженных нейтрально, происходит за счёт движения электронов против действия силовых линий и дырок, совпадающих с ними по направлению.

Свободный электрон, встречаясь с дыркой, образует положительный ион. Этот процесс называют рекомбинацией. В идеальном проводнике примесей нет, поэтому уничтожение дырок и электронов не происходит. Число положительных и отрицательных частиц одинаково. Но в природе таких материалов нет, а изготовить их такого качества довольно трудно и дорого.

Свойства веществ изменяются в зависимости от типов примеси. Дырочный механизм может вовсе отсутствовать, а ток будет идти только за счёт свободных электронов. Такие материалы называют электронными. В ином же случае — дырочными. Например, при соединении металла с полупроводником ток может течь как от первого материала ко второму, так и обратно. Это связано с тем, что в электронном полупроводнике из-за избытка отрицательных частиц происходит их диффундирование в металл, а в дырочном — наоборот.

История принятия направления

Французский экспериментатор Шарль Франсуа Дюфе, проводя опыты с электризацией путём натирания эбонитовой палочки, смог определить, что заряжалось не только тело, но и непосредственно эбонит. При этом возникающий заряд нейтрализовался. Таким образом, было установлено, что существуют 2 вида зарядов, одновременно находящихся в электромагнитном поле.

Позже этот эффект подтвердил и Роберт Симмер. Физик родом из Шотландии одевал 2 пары чулок. Первые были с утеплением, а вторые шёлковые. Снимая сразу с ноги оба чулка, он обратил внимание, что если их потом выдёргивать один из одного они изменяют форму. Сначала колготы раздувались, а позже резко слипались. При этом если чулки были изготовлены из однородного материала, например, шерсти, они отталкивались друг от друга.

Эти наблюдения привели учёного к выводу, что в каждом теле содержится не 1, а 2 вида материи в одинаковом количестве. При взаимодействии веществ какая-то её часть может перейти к другой. В результате в одном станет избыточное содержание каких-то зарядов, а в другом их недостаток. Оба материала станут наэлектризованными и противоположными по знаку.

В 1779 Вольт создал столб, генерирующий электричество. Это был один из первых источников тока. С его помощью удалось исследовать электролиз. В итоге учёный смог подтвердить, что в жидкостях существует 2 противоположно заряженных потока частиц. Так было достоверно установлено, каким будет путь движения электрического тока.

Увидеть, куда условно течёт ток, можно экспериментально. Этот опыт часто показывают в седьмом классе на физике. Для него понадобится:

• полиэтилен;
• 2 электрометра;
• проволока.

С помощью проводника нужно соединить электрометры и, потерев полиэтилен, поднести его к устройствам. На обеих шкалах измерителей стрелка отклонится в одну сторону. Это говорит, что заряды одного знака скопились в первом устройстве, а другого во втором. Произошло перемещение как одного знака зарядов, так и другого.

Через 30 лет Ампер предложил для удобства описания экспериментов выбрать, каково же будет направление тока. За него было решено принять движение положительно заряженной частицы. С тех пор предложенное физиками положение об условном направлении было принято повсюду, и не изменилось до сих пор. Даже несмотря на то, что в вакууме перемещаются только отрицательно заряженные электроны, всё равно направление тока выбирается от плюса к минусу.