Главная » Растения » Из чего состоит электрический ток. Что такое электрический ток и каковы условия его существования

Из чего состоит электрический ток. Что такое электрический ток и каковы условия его существования

Сегодня трудно представить жизнь без такого явления, как электричество, а ведь использовать его в своих целях человечество научилось не так уж и давно. Изучение сущности и характеристик этого особого вида материи заняло несколько столетий, однако и в настоящее время нельзя с уверенностью сказать, что мы знаем о нем абсолютно все.

Понятие и сущность электрического тока

Электрический ток, как известно еще из школьного курса физики, есть не что иное, как упорядоченное движение каких-либо заряженных частиц. В качестве последних могут выступать как отрицательно заряженные электроны, так и ионы. Считается, что данный вид материи может возникнуть только в так называемых проводниках, однако это далеко не так. Все дело в том, что при соприкосновении любых тел всегда возникает определенное количество противоположно заряженных частиц, которые могут начать передвигаться. В диэлектриках свободное передвижение тех же электронов очень сильно затруднено и требует огромных внешних усилий, поэтому и говорят, что они электрический ток не проводят.

Условия существования тока в цепи

Ученые уже достаточно давно заметили, что данное физическое явление не может возникнуть и длительное время удерживаться само по себе. Условия существования электрического тока включают в себя несколько важнейших положений. Во-первых, это явление невозможно без наличия свободных электронов и ионов, которые и исполняют роль передатчиков зарядов. Во-вторых, чтобы эти элементарные частицы начали упорядоченно двигаться, необходимо создать поле, основным признаком которого является разность потенциалов между любыми точками электрика. Наконец, в-третьих, электрический ток не может существовать длительное время только под воздействием кулоновских сил, так как постепенно потенциалы будут выравниваться. Именно поэтому необходимы определенные компоненты, являющиеся преобразователями различных видов механической и тепловой энергии. Их принято называть источниками тока.

Вопрос об источниках тока

Источники электрического тока представляют собой специальные устройства, которые генерируют электрическое поле. К важнейшим из них можно отнести гальванические элементы, солнечные батареи, генераторы, аккумуляторы. характеризуются своей мощностью, производительностью и длительностью работы.

Сила тока, напряжение, сопротивление

Как и любое другое физическое явление, электрический ток имеет целый ряд характеристик. К важнейшим из них относится его сила, напряжение цепи и сопротивление. Первая из них представляет собой количественную характеристику заряда, который проходит через сечение того или иного проводника в единицу времени. Напряжение (называемое также электродвижущей силой) есть не что иное, как величина разности потенциалов, за счет которой проходящий заряд совершает определенную работу. Наконец, сопротивление - это внутренняя характеристика проводника, показывающая, какую силу должен затратить заряд на прохождение по нему.

Электрический ток является одним из основных процессов, протекающих в абсолютно любой электронной схеме (в электрической цепи). Изучение данного процесса позволит в дальнейшем гораздо проще понимать остальные процессы, присущие электрическим цепям.

Для более глубокого понимания сущности электрического тока, рекомендую прежде ознакомиться с природой возникновения . Ранее мы узнали, что при натирании о шерсть пластмассовой палочки за счет сил трения некоторое количество электронов покидают поверхностный слой стержня, который становится положительно заряженный. При натирании стеклянной палочки о шелк, она заряжается отрицательно, поскольку электроны покидают атомы из верхних слоев шелка и оседают на стекле.

Таким образом, мы имеем одну палочку с избытком электронов, поэтому говорят, что она отрицательно заряжена, а вторую палочку – с нехваткой электронов, поэтому в ней преобладает положительный заряд.

Поскольку все явле ния в природе стремится к равновесию, то соединив проводником обе разноименно заряженных стержня, свободные электроны мгновенно перейдут из стеклянного стержня к пластмассовому, из зоны их избытка в зону нехватки. В результате оба стержня станут нейтрально заряженными и лишены свободных электронов, которые могли бы легко перемещаться. Процесс перемещения электронов по проводнику между палочками и есть электрический ток .

Электрический ток могеж выполнять полезную работу, например, засветить светодиод, расп оложенные на его пути.

Полезную работу зарядов можно представить на примере автобуса. Если из города А в город Б проследовал автобус без пассажиров, то автобус не выполнил никакой полезной работы и напрасно израсходовал топливо. Автобус, перевезший пассажиров, — выполнил полезную работу. Аналогично работает и электрический ток, поэтому на его пути располагают нагрузку, на которой происходит выполнение полезной работы.

Соединенный проводами с натертыми палочками светодиод светится очень короткий промежуток времени, поскольку свободные отрицательные заряды мгновенно переместятся из области их избытка в область нехватки и наступит равновесие.

Генератор

Для того чтобы светодиод мог светиться продолжительное время необходимо поддерживать электрический ток путем пополнения зарядов на палочках, то есть постоянно их натирать о шерсть и шелк соответственно. Но такой способ трудно реализуем на практике и малоэффективен. Поэтому применяется гораздо практичней способ поддержания необходимого количества носителей энергии.

Устройство, которое постоянно создает или генерирует заряды разных знаков, называют генератором или обобщенно – источником питания. Простейшим генератором является батарейка, которую более правильно называть гальванический элемент. В отличие от палочек, в которых заряды образуются за счет сил трения, в гальваническом элементе разноименные заряды образуются в результате протекания химических реакций.

Электрический ток и условия его протекания

Теперь мы можем сделать первые важнейшие предварительные выводы и обозначить условия протекания электрического тока.

Первое. Для образования электрического тока путь движения зарядов должен быть замкнут.
Второе. Для поддержания электрического тока необходимо, чтобы вначале пути пополнялся запас зарядов, а в конце путь они отбирались, освобождая места для вновь пришедших зарядов.
Третье. Чтобы заряды выполняли полезную работу, следует на их пути расположить, например нить лампы накаливания, светодиод или обмотку двигателя, которые в общем случае принято называть нагрузкой или потребителем.

В общем, простейшая электрическая цепь состоит из генератора, нагрузки и проводов, соединяющих генератор с нагрузкой.

Электродвижущая сила ЭДС

Главной задачей любого источника питания является образование и поддерживание на выводах, называемых электродами, постоянное значение разноименных зарядов. Чем большее число зарядов, тем сильнее они стремятся притянуться друг к другу и поэтому интенсивней перемещаются по электрической цепи. А сила, которая заставляет двигать электроны по цепи, называется электродвижущая сила или сокращенно ЭДС . Электродвижущая сила измеряется в вольтах [В] . ЭДС новой (не разряженной) батарейки чуть больше 1,5 В, а кроны – чуть больше 9 В.

Количественно оценить значение электрического тока наглядно на примере водопроводной трубы. Мысленно представим воду в виде набора маленьких капелек, имеющих одинаковые размеры. Теперь возьмем и разрежем в каком-либо месте трубу и установим счетчик капелек воды. Далее откроем кран и засечем время, например одну минуту. После отсчета времени снимем показания счетчика. Допустим, за одну минуту счетчик зафиксировал 1 миллион капель. Отсюда мы делаем вывод, что расход воды составляет миллион капель за минуту. Если мы увеличим напор воды – заставим насос качать ее быстрее, — то возрастет давление воды, при этом капельки начнут перемещаться интенсивней и соответственно возрастет расход воды.

Сила электрического тока

Аналогичным образом определяется сила электрического тока. Если мысленно разрезать провод, соединяющий генератор с нагрузкой и установить счетчик, то мы получим расход электронов за единицу времени, — это есть сила тока.

С ростом электродвижущей силы генератора электроны интенсивнее проходят по цепи, а сила тока возрастает.

Поскольку известен заряд электрона и их суммарное количество, прошедшее через поперечное сечение проводника за единицу времени, то можно количественно определить силу тока.

Заряд одного электрона имеет очень малую величину, а в электрическом токе их участвует огромное число. Поэтому за единицу электрического заряда приняли 628∙10 16 , то есть 6280000000000000000 зарядов электрона. Такая величина электрического заряда получила название кулон , сокращенно [Кл] .

Единица измерения силы тока называется ампер [А] . Сила тока равна одному амперу, когда через поперечное сечение проводника за одну секунду проходит суммарный электрический заряд, величиной в один кулон.

1 А = 1 Кл/1 сек

I = Q/t

Если за одну секунду по проводнику проходит в два раза больше электронов, то I равна 2 ампера.

В проводнике, выполненном из металла, например меди или алюминия, образуются множество свободных эле-нов. Они легко покидают атомы кристаллической решетки металла и свободно перемещаются в межатомном пространстве. Однако гуляют они не долго, поскольку мгновенно притягивается другим положительно заряженным атомом, который потерял аналогичный эле-н. Поэтому по умолчанию ток через проводник не протекает. Кроме того свободные эл-ны не имеют упорядоченного движения, а хаотически перемещаются в межатомном пространстве. Такое, не имеющее четкого направления, перемещение называют Броуновским движением. С ростом температуры интенсивность движения увеличивается.

Чтобы протекал I нужно на одном конце проводника создать недостачу эл-нов, а на втором их избыток, то есть подключить разноименные полюса источника питания. Тогда электрическое поле источника питания создаст такую электродвижущую силу, которая заставит эл-ны в проводнике перемещаться в строго одном направлении. Поэтому электрическим током называют упорядоченное движение зарядов под действием внешнего электрического поля

Когда человек научился создавать и использовать электрический ток, качество его жизни резко возросло. Сейчас значение электроэнергии продолжает увеличиваться с каждым годом. Для того чтобы научиться разбираться в более сложных вопросах, связанных с электричеством, надо сначала понять, что такое электрический ток.

Что представляет собой ток

Определение электрического тока – это представление его в виде направленного потока движущихся носителей-частиц, заряженных положительно или отрицательно. Носителями заряда могут быть:

заряженные со знаком «минус» электроны, движущиеся в металлах;
ионы в жидкостях или газах;
положительно заряженные дырки от перемещающихся электронов в полупроводниках.

Что такое ток, определяется еще наличием электрического поля. Без него направленный поток заряженных частиц не возникнет.

Понятие об электрическом токе было бы неполным без перечисления его проявлений:

Любому электротоку сопутствует магнитное поле;
Проводники нагреваются при его прохождении;
Электролиты изменяют химический состав.

Проводники и полупроводники

Электроток может существовать только в проводящей среде, но природа его протекания различна:

В металлических проводниках присутствуют свободные электроны, которые начинают двигаться под воздействием электрического поля. Когда температура возрастает, повышается и сопротивление проводников, так как от тепла усиливается движение атомов в хаотичном порядке, что создает помехи свободным электронам;
В жидкой среде, образованной электролитами, возникающее электрическое поле вызывает процесс диссоциации – формирования катионов и анионов, которые перемещаются в сторону положительных и отрицательных полюсов (электродов) в зависимости от знака заряда. Нагрев электролита приводит к уменьшению сопротивления из-за более активного разложения молекул;

Важно! Электролит может быть твердым, но природа протекания тока в нем идентична жидким.

Газообразная среда также характеризуется наличием ионов, приходящих в движение. Образуется плазма. От излучения возникают и свободные электроны, участвующие в направленном движении;
При создании электротока в вакууме электроны, высвобождающиеся на отрицательном электроде, движутся к положительному;
В полупроводниках существуют свободные электроны, разрывающие связи от нагревания. На их местах остаются дырки, имеющие заряд со знаком «плюс». Дырки и электроны способны создавать направленное движение.

Нетокопроводящие среды называются диэлектрическими.

Важно! Направление тока соответствует направлению движения частиц-носителей заряда со знаком «плюс».

Род тока

Постоянный. Для него характерны неизменное количественное значение тока и направление;
Переменный. С течением времени периодически меняет свои характеристики. Подразделяется на несколько разновидностей, зависящих от изменяемого параметра. Преимущественно количественное значение тока и его направленность варьируются по синусоиде;
Вихревые токи. Возникают, когда магнитный поток подвергается изменениям. Формируют закрытые контуры, не перемещаясь между полюсами. От вихревых токов вызывается интенсивное тепловыделение, как следствие, возрастают потери. В сердечниках электромагнитных катушек их ограничивают, применяя конструкцию из отдельных изолированных пластин вместо цельной.

Характеристики электроцепи

Сила тока. Это количественное измерение заряда, проходящего во временную единицу по сечению проводников. Заряды измеряются в кулонах (Кл), временная единица – секунда. Сила тока – это Кл/с. Полученное соотношение назвали ампером (А), в чем измеряется количественное значение тока. Измеряющий прибор – амперметр, последовательно подключаемый в цепь электрических соединений;
Мощность. Электроток в проводнике должен преодолеть сопротивление среды. Затраченная работа по его преодолению в течение определенного временного промежутка будет мощностью. При этом происходит превращение электроэнергии в другие виды энергии – совершается работа. Мощность зависит от силы тока, напряжения. Их произведение определит активную мощность. При умножении еще на время получается расход электроэнергии – то, что показывает счетчик. Измеряться мощность может в вольтамперах (ВА, кВА, мВА) или в ваттах (Вт, кВт, мВт);
Напряжение. Одна их трех важнейших характеристик. Для протекания тока необходимо создать разность потенциалов двух точек замкнутой цепи электрических соединений. Напряжение характеризуется работой, производимой электрическим полем при передвижении единичного носителя заряда. Согласно формуле, единицей измерения напряжения является Дж/Кл, что соответствует вольту (В). Измеряющий прибор – вольтметр, подключается параллельно;
Сопротивление. Характеризует способность проводников пропускать электроток. Определяется материалом проводника, длиной и площадью его сечения. Измерение – в омах (Ом).

Законы для электротока

Электрические цепи рассчитывают с помощью трех главных законов:

Закон Ома. Исследовался и был сформулирован ученым-физиком из Германии в начале 19-го века для постоянного тока, затем его применили также для переменного. Он устанавливает соотношение между силой тока, напряжением и сопротивлением. На основе закона Ома рассчитывается практически любая электроцепь. Основная формула: I = U/R, или сила тока находится в прямой пропорциональной зависимости с напряжением и в обратной – с сопротивлением;

Закон Фарадея. Относится к электромагнитной индукции. Появление индуктивных токов в проводниках обуславливается воздействием магнитного потока, меняющегося во времени из-за наведения в закрытом контуре ЭДС (электродвижущей силы). Модуль наведенной ЭДС, измеряемой в вольтах, пропорционален скорости, с которой изменяется магнитный поток. Благодаря закону индукции работают генераторы, вырабатывающие электроэнергию;
Закон Джоуля-Ленца. Имеет важное значение при расчете нагрева проводников, что используется для проектирования и изготовления нагревательных, осветительных приборов, другого электрооборудования. Закон позволяет определить количество теплоты, выделяющееся при прохождении электрического тока:

где I – сила протекающего тока, R – сопротивление, t – время.

Электричество в атмосфере

В атмосфере может существовать электрическое поле, происходят ионизационные процессы. Хотя природа их возникновения до конца не ясна, существуют разные объясняющие гипотезы. Самая популярная – конденсатор, как аналог для представления электричества в атмосфере. Его пластинами можно обозначить земную поверхность и ионосферу, между которыми циркулирует диэлектрик – воздух.

Виды атмосферного электричества:

Грозовые разряды. Молнии с видимым свечением и громовыми раскатами. Напряжение молний достигает сотен миллионов вольт при силе тока 500 000 А;

Огни Святого Эльма. Коронный разряд электричества, образующийся вокруг проводов, мачт;
Шаровая молния. Разряд в форме шара, перемещающийся по воздуху;
Полярное сияние. Многоцветное свечение земной ионосферы под воздействием заряженных частиц, проникающих из космоса.

Человеком используются полезные свойства электрического тока во всех областях жизни:

освещение;
передача сигнала: телефон, радио, телевидение, телеграф;
электротранспорт: поезда, электромобили, трамваи, троллейбусы;
создание комфортного микроклимата: отопление и кондиционирование воздуха;
медицинская техника;
бытовое применение: электроприборы;
компьютеры и мобильные устройства;
промышленность: станки и оборудование;
электролиз: получение алюминия, цинка, магния и других веществ.

Опасность электрического тока

Прямой контакт с электрическим током без средств защиты смертельно опасен для человека. Возможны несколько видов воздействий:

термический ожог;
электролитическое расщепление крови и лимфы с изменением ее состава;
судорожные мышечные сокращения могут спровоцировать фибрилляцию сердца вплоть до полной его остановки, нарушить работу дыхательной системы.

Важно! Ток, ощущаемый человеком, начинается со значения 1 мА, если величина тока 25 мА, возможны серьезные негативные изменения в организме.

Самая главная характеристика электрического тока – он может совершать полезную работу для человека: осветить дом, постирать и высушить одежду, приготовить обед, обогреть жилище. Сейчас значимое место занимает его использование в передаче информации, хотя это не требует большого расхода электроэнергии.

Видео

Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц. Такими частицами могут являться: в металлах - электроны, в электролитах - ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, в полупроводниках - электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость). Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля.

Электрический ток имеет следующие проявления:

нагревание проводников (в сверхпроводниках не происходит выделения теплоты);
изменение химического состава проводников (наблюдается преимущественно в электролитах);
создание магнитного поля (проявляется у всех без исключения проводников).

Классификация:

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический ток проводимости. Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют конвекционный ток.

Различают переменный (англ. alternating current, AC), постоянный (англ. direct current, DC) и пульсирующий электрические токи, а также их всевозможные комбинации. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают.

Постоянный ток - ток, направление и величина которого слабо меняются во времени.

Переменный ток - ток, величина и направление которого меняются во времени. В широком смысле под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.

Квазистационарный ток - «относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов» (БСЭ). Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, так же как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях неразветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э. д. с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.

Переменный ток высокой частоты - ток, в котором условие квазистационарности уже не выполняется, ток проходит по поверхности проводника, обтекая его со всех сторон. Этот эффект называется скин-эффектом.

Пульсирующий ток - ток, у которого изменяется только величина, а направление остаётся постоянным.

Вихревые токи (токи Фуко) - «замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока», поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.

Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.

Характеристики:

Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения заряженных частиц.

Скорость направленного движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. За 1 секунду электроны в проводнике перемещаются за счет упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света (скорости распространения фронта электромагнитной волны). То есть то место, где электроны изменяют скорость своего движения после изменения напряжения, перемещается со скоростью распространения электромагнитных колебаний.

Основные типы проводников:

В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).

Металлы - здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма - ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.

Электролиты - «жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока». Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах.

Без электричества невозможно представить жизнь современного человека. Вольты, Амперы, Ватты – эти слова звучат в разговоре об устройствах, которые работают от электричества. Но что это такое электрический ток и каковы условия его существования? Об этом мы расскажем далее, предоставив краткое объяснение для начинающих электриков.

Определение

Электрическим током является направленное движение носителей зарядов – это стандартная формулировка из учебника физики. В свою очередь носителями заряда называются определенные частицы вещества. Ими могут быть:

Электроны – отрицательные носители заряда.
Ионы – положительные носители заряда.

Но откуда берутся носители заряда? Для ответа на этот вопрос нужно вспомнить базовые знания о строении вещества. Всё что нас окружает – вещество, оно состоит из молекул, мельчайших его частиц. Молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра, вокруг которого движутся электроны на заданных орбитах. Молекулы также хаотично движутся. Движение и структура каждой из этих частиц зависят от самого вещества и влияния на него окружающей среды, например температуры, напряжения и прочего.

Ионом называют атом, у которого изменилось соотношение электронов и протонов. Если изначально атом нейтрален, то ионы в свою очередь делят на:

Анионы – положительный ион атома, потерявшего электроны.
Катионы – это атом с «лишними» электронами, присоединившиеся к атому.

Единица измерения тока – Ампер, согласно он вычисляется по формуле:

где U – напряжение, [В], а R – сопротивление, [Ом].

Или прямопропорционален количеству заряда, перенесенному за единицу времени:

где Q – заряд, [Кл], t – время, [с].

Условия существования электрического тока

Что такое электрический ток мы разобрались, теперь давайте поговорим о том, как обеспечить его протекание. Для протекания электрического тока необходимо выполнение двух условий:

Наличие свободных носителей заряда.
Электрическое поле.

Первое условие существования и протекания электричества зависит от вещества, в котором протекает (или не протекает) ток, а также его состояния. Второе условие также выполнимо: для существования электрического поля обязательно наличие разных потенциалов, между которыми находится среда, в которой будут протекать носители заряда.

Напомним: Напряжение, ЭДС – это разность потенциалов. Отсюда следует, что для выполнения условий существования тока – наличия электрического поля и электрического тока, нужно напряжение. Это могут быть обкладки заряженного конденсатора, гальванический элемент, ЭДС возникшее под действием магнитного поля (генератор).

Как он возникает, мы разобрались, давайте поговорим о том, куда он направлен. Ток, в основном, в привычном для нас использовании, движется в проводниках (электропроводка в квартире, лампочки накаливания) или в полупроводниках (светодиоды, процессор вашего смартфона и другая электроника), реже в газах (люминесцентные лампы).

Так вот основными носителями заряда в большинстве случаев являются электроны, они движутся от минуса (точки с отрицательным потенциалом) к плюсу (точке с положительным потенциалом, подробнее об этом вы узнаете ниже).

Но интересен тот факт, что за направление движения тока было принято движение положительных зарядов – от плюса к минусу. Хотя фактически всё происходит наоборот. Дело в том, что решение о направлении тока было принято до изучения его природы, а также до того, как было определено за счет чего протекает и существует ток.

Электрический ток в разных средах

Мы уже упоминали о том, что в различных средах электрический ток может различаться по типу носителей заряда. Среды можно разделить по характеру проводимости (по убыванию проводимости):

Проводник (металлы).
Полупроводник (кремний, германий, арсенид галия и пр).
Диэлектрик (вакуум, воздух, дистиллированная вода).

В металлах

В металлах есть свободные носители зарядов, их иногда называют «электрическим газом». Откуда берутся свободные носители зарядов? Дело в том, что металл, как и любое вещество, состоит из атомов. Атомы, так или иначе движутся или колеблются. Чем выше температура металла, тем сильнее это движение. При этом сами атомы в общем виде остаются на своих местах, собственно и формируя структуру металла.

В электронных оболочках атома обычно есть несколько электронов, у которых связь с ядром достаточно слабая. Под воздействием температур, химических реакций и взаимодействия примесей, которые в любом случае находятся в металле, электроны отрываются от своих атомов, образуются положительно заряженные ионы. Оторвавшиеся электроны называются свободными и двигаются хаотично.

Если на них будет воздействовать электрическое поле, например, если подключить к куску металла батарейку – хаотичное движение электронов станет упорядоченным. Электроны от точки, в которую подключен отрицательный потенциал (катод гальванического элемента, например), начнут двигаться к точке с положительным потенциалом.

В полупроводниках

Полупроводниками являются такие материалы, в которых в нормальном состоянии нет свободных носителей заряда. Они находятся в так называемой запрещенной зоне. Но если приложить внешние силы, такие как электрическое поле, тепло, различные излучения (световое, радиационное и пр.), они преодолевают запрещенную зону и переходят в свободную зону или зону проводимости. Электроны отрываются от своих атомов и становятся свободными, образуя ионы – положительные носители зарядов.

Положительные носители в полупроводниках называются дырками.

Если просто передать энергию полупроводнику, к примеру нагреть, начнется хаотичное движение носителей заряда. Но если речь идет о полупроводниковых элементах, типа диода или транзистора, то на противоположных концах кристалла (на них нанесен металлизированный слой и припаяны выводы) возникнет ЭДС, но это не относится к теме сегодняшней статьи.

Если приложить источник ЭДС к полупроводнику, то носители заряда также перейдут в зону проводимости, а также начнется их направленное движение – дырки пойдут в сторону с меньшим электрическим потенциалом, а электроны – в сторону с большим.

В вакууме и газе

Вакуумом называют среду с полным (идеальный случай) отсутствием газов или минимизированным (в реальности) его количеством. Так как в вакууме нет никакого вещества, то и носителям заряда браться не откуда. Однако протекание тока в вакууме положило начало электронике и целой эпохе электронных элементов – электровакуумных ламп. Их использовали в первой половине прошлого века, а в 50-х годах они начали постепенно уступать месту транзисторам (в зависимости от конкретной сферы электроники).

Допустим, что у нас есть сосуд, из которого откачали весь газ, т.е. в нём полный вакуум. В сосуд помещено два электрода, назовем их анод и катод. Если мы подключим к катоду отрицательный потенциал источника ЭДС, а к аноду положительный – ничего не произойдет и ток протекать не будет. Но если мы начнем нагревать катод – ток начнет протекать. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией – испускание электронов с нагретой поверхности электрона.

На рисунке изображен процесс протекания тока в вакуумной лампе. В вакуумных лампах катод нагревают расположенной рядом нитью накала на рис (Н), типа такой, как в осветительной лампе.

При этом, если изменить полярность питания – на анод подать минус, а на катод подать плюс – ток протекать не будет. Это докажет, что ток в вакууме протекает за счет движения электронов от КАТОДА к АНОДУ.

Газ также как и любое вещество состоит из молекул и атомов, это значит, что если газ будет находиться под воздействием электрического поля, то при определенной его силе (напряжение ионизации) электроны оторвутся от атома, тогда будут выполнены оба условия протекания электрического тока – поле и свободные носители.

Как уже было сказано, этот процесс называется ионизацией. Она может происходить не только от приложенного напряжения, но и при нагреве газа, рентгеновском излучении, под воздействием ультрафиолета и прочего.

Ток через воздух потечет, даже если между электродами установить горелку.

Протекание тока в инертных газах сопровождается люминесценцией газа, это явление активно используется в люминесцентных лампах. Протекание электрического тока в газовой среде называется газовым разрядом.

В жидкости

Допустим, что у нас есть сосуд с водой в который помещены два электрода, к которым подключен источник питания. Если вода дистиллированная, то есть чистая и не содержит примесей, то она является диэлектриком. Но если мы добавим в воду немного соли, серной кислоты или любого другого вещества, образуется электролит и через него начнет протекать ток.

Электролит – вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы.

Если в воду добавить медный купорос, то на одном из электродов (катоде) осядет слой меди – это называется электролиз, что доказывает что электрический ток в жидкости осуществляется за счет движения ионов – положительных и отрицательных носителей заряда.

Электролиз – физико-химический процесс, который заключается в выделении на электродах компонентов составляющих электролит.

Таким образом происходит омеднение, золочения и покрытие другими металлами.

Заключение

Подведем итоги, для протекания электрического тока нужны свободные носители зарядов:

электроны в проводниках (металлы) и вакууме;
электроны и дырки в полупроводниках;
ионы (анионы и катионы) в жидкости и газах.

Для того, чтобы движение этих носителей стало упорядоченны, нужно электрическое поле. Простыми словами — приложить напряжение на концах тела или установить два электрода в среде, где предполагается протекание электрического тока.

Также стоит отметить, что ток определенным образом воздействует на вещество, различают три типа воздействия: