20. МАГНИТНЫЕ СИЛЫ: ЗАРЯДЫ В ДВИЖЕНИИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

По определению любое движение нескомпенсированного заряда составляет электрический ток — перемещение заряженного шара, прикрепленного к концу палки, падение заряженной капли воды, движение заряженного ремня или, в случае обычного проводника, движение электронов в металле. Если мы будем перемещать кусок обычного нейтрального вещества, мы будем двигать огромное количество заряженных частиц (как положительных, так и отрицательных), но при этом, согласно определению, никакой ток не возникнет.

Ток, протекающий по проводу, определяется как количество заряда, проходящее через заданное сечение провода в единицу времени; в системе СГС

Если провод имеет постоянное сечение, через это сечение за 1 с проходит определенное количество электронов (фиг. 293).

Фиг. 293.

Тогда ток определяется как количество заряда, проходящее через сечение провода за единицу времени:

С этой единицей мы еще не встречались. (Мы привыкли иметь дело с токами, измеренными в амперах, т. е. в единицах системы МКС.) В системе МКС, где заряд измеряется в кулонах, потенциал — в вольтах и ток — в амперах, единица тока определяется как отношение кулона к секунде:

Связь между ампером и единицей тока в системе СГС дается формулой

Важно лишь помнить, что, когда мы говорим о токе в 1 А, проходящем через какой-либо электрический прибор, мы имеем в виду, что через любое сечение подводящих проводов и проводов, выходящих из прибора, за каждую секунду проходит 1 Кл заряда (или, если хотите, заряда за секунду). К счастью, в обеих системах используется одна и та же единица времени — секунда.

Теперь мы знаем, что в металле движутся электроны, так что, когда мы говорим о токе в 1 А, мы подразумеваем, что через сечение проводника за каждую секунду проходит 1 Кл отрицательного заряда электронов). Бенджамин Франклин был первым, кто связал направление токт с направлением движения положительного электричества. Сейчас принято считать, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов, хотя фактическое движение электронов происходит в противоположную сторону (фиг. 294); такой уговор может иногда приводить к недоразумениям, однако, насколько нам известно, эти недоразумения не помешали Франклину иметь огромный успех в Париже.

Если к веществу приложить разность потенциалов, электроны будут испытывать действие силы. В материалах, которые называются изоляторами, электроны прочно связаны с атомами вещества; в них нет «свободных» электронов, способных перемещаться вдоль направления силы, и поэтому ток в изоляторах невозможен. В других материалах, например металлах, существуют электроны, которые не связаны жестко с атомами, и эти электроны могут двигаться под действием поля, возбужденного в веществе.

Фиг. 294.

Как только между двумя точками на поверхности проводника создается разность потенциалов, будь этот проводник длинным медным проводом или небольшим бруском стали, между этими точками начинает сразу же идти ток.

Разность потенциалов можно получить не только при помощи домашней электрической сети, не существовавшей во времена Франклина, но также при помощи грозовых разрядов, аккумуляторов или батарей.

Фиг. 295.

Батарея — это такое устройство, в котором с помощью «химических сил» поддерживается разность потенциалов между двумя его клеммами (фиг. 295).

В начале девятнадцатого века Георг Симон Ом исследовал зависимость разности потенциалов в проводнике от величины протекающего тока. Ом предположил, что ток, проходящий через заданный проводник при заданной температуре, прямо пропорционален разности потенциа-. лов, приложенной к проводнику. Коэффициент пропорциональности называется сопротивлением; полученную закономерность обычно записывают в виде

(V — общепринятое обозначение разности потенциалов В системе МКС единицей сопротивления служит Ом — это такое сопротивление провода, при котором для создания тока 1 А необходимо приложить напряжение 1 В. Полученное соотношение, характеризующее «силу трения», которую испытывают электроны, хорошо выполняется для многих материалов.

Если к двум концам провода приложена разность потенциалов, в проводе создается электрическое поле, т. е. на электроны начинает действовать сила (фиг. 296).

Фиг. 296.

Если бы электроны могли двигаться

свободно, их ускорение равнялось бы

при этом их скорость непрерывно увеличивалась бы. В результате ток нарастал бы со временем. Такая картина будет наблюдаться в так называемых идеальных проводниках.

Фиг. 297. Сопротивление.

Обычные металлы не являются идеальными в этом смысле. Как правило, под действием постоянной разности потенциалов возникает постоянный ток, т. е. электроны в проводнике движутся с постоянной средней скоростью. Одна из причин этого — столкновение электронов с примесями в веществе (фиг. 297). Сначала электрон ускоряется, но пройдя некоторое среднее расстояние свободного пробега, сталкивается с примесью и теряет большую часть энергии своего поступательного движения. Затем он снова начинает ускоряться и т. д. В результате электроны движутся с некоторой средней скоростью в направлении силы, обусловленной полем, и при этом появляется некоторый средний ток. Этот вывод согласуется с наблюдениями, что чистые материалы проводят ток лучше, чем те же материалы с примесями.

Пример. Электрический тостер питается током в 10 А. Напряжение в квартире 110 В. Чему равно сопротивление тостера (фиг. 298)?

Фиг. 298.

Если этот тостер захватили в Европу и случайно включили в сеть с напряжением 220 В, то спрашивается: какой ток будет течь в этом случае?

В результате ломтик хлеба поджарится значительно быстрее.