Глава IX. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

56. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. СИЛА ТОКА

При движении заряженных частиц происходит перенос электрического заряда из одного места в другое. Однако если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в металле, то переноса заряда не будет (рис. 143). Электрический заряд перемещается через сечение проводника лишь в том случае, если наряду с хаотическим движением электроны участвуют в упорядоченном движении (рис. 144). В этом случае говорят, что в проводнике устанавливается электрический ток.

Из курса физики VII класса вы знаете, что электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Электрический ток возникает при упорядоченном перемещении свободных электронов в металле или ионов в электролитах.

Однако если перемещать нейтральное в целом тело, то, несмотря на упорядоченное движение огромного числа электронов и атомных ядер, электрический ток не возникает. Полный заряд, переносимый через любое сечение проводника, будет при этом равным нулю, так как заряды разных знаков перемещаются с одинаковой средней скоростью. Ток в проводнике возникнет лишь в том случае, когда при движении зарядов в одном направлении положительный заряд, переносимый через сечение, не равен по модулю отрицательному.

Электрический ток имеет определенное направление. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Действия тока. Движение частиц в проводнике мы непосредственно не наблюдаем. Однако о наличии электрического тока можно судить по тем действиям или явлениям, которыми он сопровождается.

Во-первых, проводник, по которому течет ток, нагревается.

Во-вторых, электрический ток может изменять химический состав проводника, например выделять его химические составные части (медь из раствора медного купороса и т.д.). Такого рода

Рис. 143

Рис. 144

процессы наблюдаются не у всех проводников, а только у растворов (или расплавов) электролитов.

В третьих, ток оказывает магнитное действие. Так, магнитная стрелка вблизи проводника с током поворачивается. Магнитное действие тока в отличие от химического и теплового является основным, так как проявляется у всех без исключения проводников. Химическое действие тока наблюдается лишь у электролитов, а нагревание отсутствует у сверхпроводников (см. § 60).

Сила тока. Если в цепи устанавливается электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника все время переносится электрический заряд. Заряд, перенесенный в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока. Если через поперечное сечение проводника за время переносится заряд то сила тока равна:

Таким образом, сила тока равна отношению заряда переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени к этому интервалу времени. Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным.

Сила тока, подобно заряду, — величина скалярная. Она может быть как положительной, так и отрицательной. Знак силы тока зависит от того, какое из направлений вдоль проводника принять за положительное. Сила тока если направление тока совпа дает с условно выбранным положительным направлением вдоль проводника. В противном случае

Сила тока зависит от заряда, переносимого каждой частицей, концентрации частиц, скорости их направленного движения и площади поперечного сечения проводника. Покажем это.

Рис. 145.

Пусть проводник имеет поперечное сечение площадью 5. За положительное направление в проводнике примем направление слева направо. Заряд каждой частицы равен . В объеме проводника, ограниченном сечениями и 2, содержится частиц, где — концентрация частиц (рис. 145). Их общий заряд Если частицы движутся слева направо со средней скоростью то за время все частицы заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через сечение 2. Поэтому сила тока равна:

В Международной системе единиц силу тока выражают в амперах Эту единицу устанавливают на основе магнитного взаимодействия токов. Измеряют силу тока амперметрами. С принципом устройства этих приборов, основанным на магнитном действии тока, мы познакомимся позднее.

Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике. Найдем скорость упорядоченного перемещения электронов в металлическом проводнике.

Согласно формуле (9.2)

где — модуль заряда электрона. Пусть, например, сила тока , а площадь поперечного сечения проводника Модуль заряда электрона Кл. Число электронов в меди равно числу атомов в этом объеме, так как один из валентных электронов каждого атома меди коллективизирован и являегся свободным. Это число есть (см. задачу № 8 упражнения 1). Следовательно,

Скорость упорядоченного перемещения электронов, как видите, очень мала