Электрический ток. Сила тока

 1. Электрический ток

На­чи­ная с этого урока, мы на­чи­на­ем по­вто­ре­ние по­лу­чен­ных нами зна­ний в вось­мом клас­се об элек­три­че­ском токе, а также углу­бим эти зна­ния.

Опре­де­ле­ние. Элек­три­че­ский ток – на­прав­лен­ное упо­ря­до­чен­ное дви­же­ние за­ря­жен­ных ча­стиц.

Упо­мя­ну­тые ча­сти­цы могут быть со­вер­шен­но раз­ны­ми: элек­тро­на­ми, иона­ми (как по­ло­жи­тель­ны­ми, так и от­ри­ца­тель­ны­ми). Даже обыч­ное мак­ро­те­ло (на­при­мер, шарик), ко­то­ро­му при­дан неко­то­рый заряд и неко­то­рая ско­рость, своим дви­же­ни­ем про­из­во­дит ток. Важно также по­ни­мать, что то самое упо­ря­до­чен­ное дви­же­ние не обя­за­но рас­про­стра­нять­ся на все ча­сти­цы. Каж­дая ча­сти­ца может дви­гать­ся ха­о­ти­че­ски, од­на­ко в целом вся масса этих ча­стиц сме­ща­ет­ся в опре­де­лен­ном на­прав­ле­нии, и имен­но это сме­ще­ние обу­слав­ли­ва­ет на­ли­чие тока (рис. 1):

Рис. 1. Мо­дель дви­же­ния за­ря­жен­ных ча­стиц (на­ли­чие ха­о­ти­че­ских ско­ро­стей каж­дой от­дель­ной ча­сти­цы и общая ско­рость сме­ще­ния всех ча­стиц од­но­вре­мен­но (ско­рость, опре­де­ля­ю­щая ток))

Для про­сто­ты мы будем изу­чать так на­зы­ва­е­мый по­сто­ян­ный ток, то есть тот ток, при ко­то­ром за­ря­жен­ные ча­сти­цы не ме­ня­ют ни мо­ду­ля ско­ро­сти, ни ее на­прав­ле­ния.

Ток имеет три ос­нов­ных дей­ствия (свой­ства):

 

 

 2. Сила тока

Глав­ной фи­зи­че­ской ве­ли­чи­ной, ха­рак­те­ри­зу­ю­щей ток, яв­ля­ет­ся сила тока.

Опре­де­ле­ние. Сила тока – фи­зи­че­ская ве­ли­чи­на, рав­ная от­но­ше­нию за­ря­да, про­шед­ше­го через по­пе­реч­ное се­че­ние про­вод­ни­ка, к про­ме­жут­ку вре­ме­ни, за ко­то­рый этот заряд про­шел. Обо­зна­че­ние: . Еди­ни­ца из­ме­ре­ния: А – ампер (в честь фран­цуз­ско­го фи­зи­ка  Ан­дре-Ма­ри Ам­пе­ра, рис. 2)

Иначе го­во­ря, сила тока опре­де­ля­ет ско­рость про­хож­де­ния за­ря­дов сквозь про­вод­ник.

Рис. 2. Ан­дре-Ма­ри Ампер

При­бо­ром для из­ме­ре­ния силы тока яв­ля­ет­ся ам­пер­метр (рис. 3). Это элек­три­че­ский при­бор, ко­то­рый необ­хо­ди­мо под­клю­чить в цепь по­сле­до­ва­тель­но тому участ­ку, силу тока на ко­то­ром необ­хо­ди­мо из­ме­рить. 

Рис. 3. Внеш­ний вид ам­пер­мет­ра

Рис. 4. Обо­зна­че­ние ам­пер­мет­ра на элек­три­че­ской схеме

 3. Скорость электронов в проводнике

Рас­смот­рим слу­чай про­те­ка­ния по­сто­ян­но­го тока в ци­лин­дри­че­ском про­вод­ни­ке (рис. 5) и вы­ве­дем фор­му­лу опре­де­ля­ю­щую ско­рость упо­ря­до­чен­но­го дви­же­ния элек­тро­нов (а имен­но они дви­жут­ся в ме­тал­лах).

Рис. 5. Схема про­те­ка­ния тока в про­вод­ни­ке

За­пи­шем опре­де­ле­ние силы тока:

За время  по­пе­реч­ное се­че­ние успе­ли пе­ре­сечь все те элек­тро­ны, на­хо­дя­щи­е­ся в про­стран­стве про­вод­ни­ка, огра­ни­чен­ном дли­ной  (рас­сто­я­ние, ко­то­рое про­шли элек­тро­ны за время ). По­это­му  можно по­счи­тать как:

Здесь:  – заряд од­но­го элек­тро­на;  – кон­цен­тра­ция элек­тро­нов в про­вод­ни­ке.

Под­ста­вив это ра­вен­ство в опре­де­ле­ние силы тока:

и учтя, что

По­лу­ча­ем фор­му­лу:

То есть сила тока и ско­рость дви­же­ния элек­тро­нов – прямо про­пор­ци­о­наль­ные ве­ли­чи­ны.

Для опре­де­ле­ния кон­цен­тра­ции элек­тро­нов необ­хо­ди­мо при­ме­нить фор­му­лы из курса мо­ле­ку­ляр­ной фи­зи­ки. Если сде­лать пред­по­ло­же­ние, что на каж­дый атом ве­ще­ства про­вод­ни­ка при­хо­дит­ся один элек­трон, то тогда спра­вед­ли­во:

Зная, что

Под­ста­вив

и

По­лу­чим:

То есть при нашем до­пу­ще­нии кон­цен­тра­ция сво­бод­ных элек­тро­нов за­ви­сит толь­ко от ма­те­ри­а­ла про­вод­ни­ка (плот­но­сти и мо­ляр­ной массы).

Для оцен­ки по­ряд­ка ис­ко­мой ско­ро­сти на­прав­лен­но­го дви­же­ния элек­тро­нов рас­смот­рим ток в 1 А, те­ку­щий по мед­но­му про­вод­ни­ку се­че­ни­ем 1 . Со­глас­но фор­му­лам:

То есть, как можно убе­дить­ся, ско­рость дви­же­ния элек­тро­нов чрез­вы­чай­но мала. Быст­ро­та же сра­ба­ты­ва­ния всех элек­три­че­ских при­бо­ров, в част­но­сти, ламп, обу­слов­ле­на тем, что дви­гать­ся на­чи­на­ют все элек­тро­ны по всему объ­ё­му про­вод­ни­ка прак­ти­че­ски од­но­вре­мен­но.