Электрический ток ⭐️: что это такое, определение, действие в различных средах, единицы измерения, формула

Электрический ток имеет такие характеристики, как сила, плотность, мощность и частота.

Содержание

Виды электрического тока и его характеристики

Электрический ток используется во многих современных технологиях. Чтобы понять, что это такое, можно представить себе ток воды, текущий по трубам с определенной скоростью. В этом случае вода получает электрический заряд, скорость – силу заряда, а труба является проводником – средой, веществом или материалом, способным проводить электричество.

Простейшим проявлением электрического тока является:

• способность янтаря притягивать мелкие предметы при натирании шелком;
• блестящая шерсть кошки, когда ее расчесывают гребнем.

Эти единицы измерения Международной системы (СИ) не всегда удобны. На практике используются производные (миллиампер, килоом и т.д.). При расчете необходимо учитывать размеры всех величин, присутствующих в формуле. Например, если в законе Ома умножить ампер на килоом, то напряжение будет выражено совсем не в вольтах.

Классификация

Если в макроскопическом теле относительно среды движутся заряженные частицы, то такой ток называется током электропроводности. Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называется конвекционным. Различают переменный ток (AC), постоянный ток (DC), пульсирующий ток и различные их комбинации. Слово “электрический” в этих терминах часто опускается. Постоянный ток – это ток, направление и величина которого мало изменяются с течением времени.

Переменный ток – это ток, величина и направление которого изменяются с течением времени. В широком смысле переменный ток – это любой ток, который не является постоянным. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоиде.

Ток течет по проводам высоковольтной линии, ток включает стартер и заряжает аккумулятор в нашем автомобиле, молния во время грозы – это тоже электрический ток.

В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется относительно потенциала другого конца проводника попеременно от положительного к отрицательному и наоборот, проходя через все промежуточные потенциалы (включая нулевой).

В результате ток постоянно меняет направление: двигаясь в одном направлении, он увеличивается, достигая максимума, называемого амплитудным значением, затем уменьшается, некоторое время проходит через ноль, затем снова увеличивается, но уже в другом направлении и также достигает максимума, уменьшается, затем снова проходит через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.

Квазистационарный ток

Это “относительно медленно меняющийся переменный ток, для которого мгновенные значения законов постоянного тока выполняются с разумной точностью”. (BSE). Этими законами являются закон Ома, принципы Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, как и постоянный ток, имеет одинаковый ток во всех сечениях неразветвленной цепи. При расчете квазистационарных токовых цепей емкости и индуктивности рассматриваются как сосредоточенные параметры из-за присутствующей индукции. Квазистационарные токи – это обычные промышленные токи, за исключением линий передачи на большие расстояния, где условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.

Пульсирующий ток

Ток, для которого изменяется только величина, а направление остается постоянным.

Вихревые токи (токи Фуко)

Ограниченные электрические токи в твердом проводнике, которые возникают при изменении магнитного потока, пронизывающего его”, и, следовательно, вихревые токи – это индукционные токи. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определенным путям в проводниках, а образуют вихревые петли в проводнике.

Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, т.е. переменный электрический ток и магнитный поток распределяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев проводников вихревыми токами приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока.

Для уменьшения потерь энергии вихревых токов сердечники переменного тока разделяют на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры путей этих токов и значительно уменьшает их размеры.

Объемная мощность измеряется в ваттах на кубический метр.

Ток биаса

Иногда для простоты вводится термин ток смещения. Из определения следует, что плотность тока смещения – векторная величина, равная скорости изменения электрического поля – векторная величина, равная скорости изменения электрического поля ” width=”” height=””> со временем:

= ■frac>” width=”” height=””>

Дело в том, что при изменении электрического поля изменяется ток, и возникает магнитное поле, что делает эти два процесса похожими. Более того, изменение электрического поля обычно сопровождается переносом энергии. Например, когда конденсатор заряжается и разряжается, хотя между его обкладками не происходит движения заряженных частиц, через него протекает ток смещения, несущий определенную энергию и замыкающий электрическую цепь своеобразным образом. Ток смещения в конденсаторе задается формулой

– заряд на электродах конденсатора, – разность потенциалов между электродами, – разность потенциалов между электродами, – емкость конденсатора.

Ток смещения не является электрическим током, потому что он не связан с перемещением электрического заряда.

Проводники электрического тока

Электрический ток

Электрический ток – это направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля. Этими частицами могут быть электроны в проводниках, ионы (катионы и анионы) в электролитах, а также электроны и так называемые “дырки”. (“электронно-дырочная проводимость”) в полупроводниках. Существует также “ток смещения”, протекание которого вызвано процессом зарядки емкости, т. е. изменением разности потенциалов между клеммами. Движения частиц между катушками не происходит, но через конденсатор течет ток.

В теории электрических цепей ток рассматривается как направленное движение носителей заряда в проводящей среде под действием электрического поля.

Ток проводимости (просто ток) в теории электрических цепей – это количество электрической энергии, протекающей в единицу времени через поперечное сечение проводника: i=q/ t , где i – сила тока. A; q = 1,6 – 10 9 – заряд электрона, Кл; t – время, с.

Это выражение справедливо для цепей постоянного тока. В цепях переменного тока используется так называемое мгновенное значение тока, которое равно скорости изменения заряда во времени: i(t)= dq/ dt .

Первым условием длительного существования рассматриваемого электрического тока является наличие источника, или генератора, который поддерживает разность потенциалов между носителями заряда. Вторым условием является замкнутость пути. В частности, чтобы существовал постоянный ток, должен существовать замкнутый путь, по которому заряды могут перемещаться в цепи без изменения их величины.

Известно, что согласно закону сохранения электрических зарядов, они не могут ни возникать, ни исчезать. Поэтому, если любой объем пространства, в котором течет электрический ток, окружен замкнутой поверхностью, то ток, входящий в этот объем, должен быть равен току, вытекающему из него.

Замкнутый путь, по которому течет электрический ток, называется цепью электрического тока или электрической цепью. Электрическая цепь – делится на две части: внутреннюю, в которой электрически заряженные частицы движутся в направлении, противоположном направлению электростатических сил, и внешнюю, в которой эти частицы движутся в направлении электростатических сил. Концы электродов, к которым подключается внешняя цепь, называются зажимами.

Электрический ток возникает, когда электрическое поле, или разность потенциалов между двумя точками проводника, появляется в части электрической цепи. Разность потенциалов между двумя точками в электрической цепи называется напряжением или падением напряжения в этой части цепи.

Один ампер соответствует протеканию одного кулона (Cl) электрического тока через поперечное сечение проводника в течение одной секунды (с):

В общем случае, обозначая ток через i, а заряд через q, получаем:

Единицей измерения тока является ампер (A).

Ампер (A) – это сила неизменного тока, который, протекая по двум параллельным прямым проводникам бесконечной длины и пренебрежимо малого сечения, помещенным в вакуум на расстоянии 1 м друг от друга, производит 2 – 10 -7 Н на каждый метр длины между проводниками.

Сила тока в проводнике равна 1 А, если через поперечное сечение проводника за 1 с протекает электрический заряд, равный 1 кулону.

Рис. 1 Направленное движение электронов в проводнике

Если к проводнику приложено напряжение, то внутри проводника возникает электрическое поле. При напряженности поля E на электроны с зарядом e действует сила f = E. Значения f и E являются векторными. Во время свободного перемещения электроны совершают направленное и хаотичное движение. Каждый электрон имеет отрицательный заряд и приобретает компонент скорости, направленный в сторону, противоположную вектору E (рис. 1). Это упорядоченное движение, характеризующееся определенной средней скоростью электронов vcp, определяет течение электрического тока.

В разбавленных газах электроны также могут иметь направленное движение. В электролитах и ионизированных газах ток протекает в основном за счет движения ионов. В соответствии с тем, что в электролитах положительно заряженные ионы движутся от положительного полюса к отрицательному, исторически предполагалось, что направление тока противоположно направлению движения электронов.

За направление тока принимается направление, в котором движутся положительно заряженные частицы, т.е. направление, противоположное направлению движения электронов.
В теории электрических цепей направление тока в пассивной цепи (за исключением источников энергии) принимается как направление движения положительно заряженных частиц от более высокого потенциала к более низкому. Это направление было принято в самом начале развития электротехники и противоречит истинному направлению движения носителей заряда – электронов, движущихся в проводниках от минуса к плюсу.

Направление электрического тока в электролите и свободных электронов в проводнике

Величина, равная отношению силы тока к площади поперечного сечения S, называется плотностью тока: I / S

Предполагается, что ток равномерно распределен по поперечному сечению проводника. Плотность тока в проводниках обычно измеряется в А/мм2.

В зависимости от типа носителя заряда и его транспортной среды различают токи проводимости и реактивные токи. Проводимость подразделяется на электронную и ионную проводимость. При установившемся режиме различают два вида токов: постоянные и переменные.

Передача электрического тока – это явление, связанное с переносом электрических зарядов заряженными частицами или телами, движущимися в свободном пространстве. Основным видом протекания электрического тока является движение в пустом пространстве заряженных элементарных частиц (движение свободных электронов в электронных лампах), движение свободных ионов в разрядных устройствах.

Электрический ток (ток поляризации) – это упорядоченное движение связанных носителей электрического заряда. Этот тип тока можно наблюдать в диэлектриках.

Полный электрический ток – это скалярная величина, равная сумме тока проводимости, тока передачи и тока смещения через данную поверхность.

Постоянный ток – это ток, который может менять свою величину, но не меняет своего знака в течение любого промежутка времени. Подробнее об этой теме вы можете прочитать здесь: Постоянный ток

Ток намагничивания – Постоянный микроскопический (амперный) ток, который является причиной существования внутреннего магнитного поля намагниченных веществ.

Переменный ток – это ток, который периодически изменяется как по величине, так и по знаку. Переменный ток характеризуется частотой (измеряется в Герцах в системе СИ), а его сила периодически изменяется.

Высокочастотный переменный ток нагнетается на поверхность проводника. Высокочастотные токи используются в машиностроении для термообработки поверхностей деталей и сварки, а в металлургии – для плавки металлов. Переменные токи делятся на синусоидальные и несинусоидальные. Синусоидальный ток – это ток, который изменяется по гармоническому закону:

Скорость изменения переменного тока определяется его частотой, которая определяется как число полных, повторяющихся колебаний в единицу времени. Частота обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц). Например, частота сети 50 Гц соответствует 50 полным колебаниям в секунду. Угловая частота w – это скорость изменения тока в радианах в секунду и связана с частотой простым соотношением:

Стационарные (постоянные) значения постоянного и переменного токов обозначаются заглавной буквой I, переходные (мгновенные) – буквой i. Положительным направлением тока считается направление положительных зарядов.

Переменный ток – это ток, который изменяется по закону синусоиды во времени.

Переменный ток также относится к току в обычных однофазных и трехфазных сетях. В этом случае параметры переменного тока изменяются по гармоническому закону.

Поскольку переменный ток изменяется во времени, простые решения, подходящие для цепей постоянного тока, здесь не применимы напрямую. На очень высоких частотах заряды могут двигаться колебательно – перетекать из одного места цепи в другое и обратно. В этом случае, в отличие от цепей постоянного тока, токи в последовательно соединенных проводниках могут быть неравными.

Конденсаты, присутствующие в цепях переменного тока, усиливают этот эффект. Кроме того, на изменение тока влияют эффекты самоиндукции, которые становятся значительными даже на низких частотах, если используются катушки с высокой индуктивностью.

При относительно низких частотах цепи переменного тока все еще могут быть рассчитаны с использованием правил Кирхгофа, которые, однако, должны быть соответствующим образом изменены.

Цепь, состоящую из различных резисторов, индукторов и конденсаторов, можно рассматривать так, как если бы она состояла из обобщенных резистора, конденсатора и индуктора, соединенных последовательно.

Рассмотрим свойства такой цепи, подключенной к синусоидальному генератору переменного тока. Чтобы сформулировать правила расчета цепей переменного тока, необходимо найти зависимость между падением напряжения и падением тока для каждого из элементов такой цепи.

Конденсатор играет совершенно разные роли в цепях переменного и постоянного тока. Если, например, к цепи подключен электрохимический элемент, конденсатор начнет заряжаться до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не сравняется с ЭДС элемента. Затем зарядка прекратится, и ток упадет до нуля.

Если цепь подключена к генератору переменного тока, то в один полупериод электроны будут вылетать с левой обкладки конденсатора и накапливаться на правой, а в другой полупериод – наоборот.

Эти движущиеся электроны создают переменный ток, сила которого одинакова с обеих сторон конденсатора. Пока частота переменного тока не очень высока, ток через резистор и индуктор также одинаков.

В бытовых приборах переменного тока переменный ток часто выпрямляется выпрямителями для получения постоянного тока.

Проводники электрического тока

Электрический ток во всех его проявлениях – это кинетическое явление, подобное потоку жидкости в закрытых гидравлических системах. По аналогии, процесс движения тока называется “ток”. (текущие потоки).

Материал, в котором течет ток, называется проводником. Некоторые материалы переходят в сверхпроводящее состояние при низких температурах. В этом состоянии они практически не оказывают сопротивления току, их сопротивление стремится к нулю.

Во всех остальных случаях проводник сопротивляется протеканию тока, в результате чего часть энергии электрических частиц преобразуется в тепло. Ток может быть рассчитан по закону Ома для участка цепи и по закону Ома для всей цепи.

Скорость движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частицы, температуры окружающей среды, приложенной разности потенциалов и намного медленнее скорости света. Тем не менее, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света в данной среде, т. е. скорости распространения электромагнитного волнового фронта.

Как электричество влияет на организм человека

Ток, проходящий через тело человека или животного, может вызвать электрические ожоги, фибрилляцию желудочков или смерть. С другой стороны, электрический ток используется в интенсивной терапии для лечения психических расстройств, особенно депрессии; электростимуляция определенных участков мозга применяется для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона и эпилепсия; кардиостимулятор, который стимулирует сердечную мышцу импульсным током, используется при брадикардии. У людей и животных ток используется для передачи нервных импульсов.

В целях безопасности минимальный ток, который может ощущаться человеком, составляет 1 мА. Опасный для жизни ток начинается примерно при 0,01 А. Ток прибл. 0,1 А смертелен для человека. Напряжение менее 42 вольт считается безопасным.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в своих социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

Сила тока

Источник тока

Вода в шланге поступает из водопроводной трубы, из водяного ключа в земле – в общем, она не берется из ниоткуда. Электричество также имеет свой источник.

Источником может быть, например, гальванический элемент (знакомая всем нам батарейка). Аккумулятор работает благодаря химическим реакциям, происходящим в нем. В результате этих реакций выделяется энергия, которая затем снова поступает в электрическую цепь.

Каждый источник имеет положительный и отрицательный полюс. Полюса – это его крайние положения. По сути, это клеммы, к которым подключается электрическая цепь. Фактически, ток течет от “+” к “-“.

А через электронагреватель или электрочайник протекает ток до 10 ампер.

Как создать непрерывный ток и что для этого необходимо?

Положительный заряд – это недостаток электронов, а отрицательный заряд – избыток электронов. Когда тела соединены проводником, отрицательные электроны устремляются к положительно заряженному телу.

И наконец, ток прекратился, потому что заряды тел сравнялись и тела стали электрически нейтральными. Мы знаем, что нейтральные тела не создают электрического поля.

Таким образом, ток существует до тех пор, пока существует электрическое поле. Поэтому мы должны каким-то образом поддерживать электрическое поле. Чтобы это произошло, одно из тел должно иметь избыток отрицательного заряда. То есть на одном из тел должен поддерживаться отрицательный заряд, а на другом – положительный. До тех пор, пока заряды на телах сохраняются, будет существовать ток.

Чтобы сохранить этот заряд на теле с положительным зарядом, электроны должны быть удалены из тела и отправлены обратно в отрицательно заряженное тело.

Такая схема напоминает фонтан, в котором насос поддерживает разницу давлений. Давление в нагнетательной трубе больше, чем в трубе, по которой вода поступает обратно в насос.

Именно эта разница заставляет воду течь вверх из одной трубы, а собранную в чаше воду возвращаться в насос. В то же время циркулирует такое же количество воды, т.е. водяной контур замкнут. Поток воды в этом контуре поддерживается специальным устройством – насосом. Он работает против силы тяжести.

Внешние силы – что они собой представляют

Источник тока устроен подобно насосу. Внутри источника действуют внешние силы. Они возвращают электроны к контакту “-“.

В электрическом поле на заряды будет действовать сила. Эта сила называется кулоновской и является электрической по своей природе. Электроны будут притягиваться к телу, имеющему положительный заряд.

Кулоновская сила будет препятствовать возвращению электронов к отрицательному телу. Так же как и сила гравитации, которая не позволяет воде в фонтане двигаться вверх.

Чтобы вернуть электроны на отрицательно (“-“) заряженное тело, необходимо совершить работу против кулоновской силы. Поэтому должна существовать какая-то внешняя сила, которая возвращает электроны к отрицательно (“-“) заряженному телу. Эта сила неэлектрическая по своей природе и называется внешней силой.

Теперь мы можем ответить на вопрос: что такое источник тока?

Источник тока – это устройство, внутри которого внешние силы перемещают заряды против кулоновской силы. Кулоновская сила – это сила, с которой электростатическое поле действует на заряд.

Во время существования электрического тока сами электроны не расходуются. Они, как вода в фонтане, циркулируют по замкнутому пути.

Условие 3: Чтобы ток существовал постоянно, электрическое поле должно сохраняться в течение длительного времени.

Чтобы ток существовал постоянно, между противоположно заряженными телами должно постоянно существовать электрическое поле.

Примечание: Контакты источника тока можно рассматривать как противоположно заряженные тела.

Для этого электроны должны проходить через замкнутый контур, т.е. непрерывную электрическую цепь. Поэтому еще одним условием существования постоянного тока является замкнутая электрическая цепь. Как только цепь замыкается, все заряженные частицы в цепи начинают двигаться направленно.

Условие 4: Чтобы существовал ток, электрическая цепь должна быть замкнута.

В такой цепи заряды циркулируют по замкнутому пути. Это означает, что заряд, покинувший источник и совершивший полный оборот, потечет обратно в источник тока. Там он будет подхвачен силами извне источника и вернется в цепь через противоположный выход источника тока. Затем он пройдет дальше и сделает еще один круг. Поэтому при протекании электрического тока сами заряды не расходуются.

При протекании электрического тока сами заряды не расходуются. То есть в замкнутом контуре движутся одни и те же заряды. После кругового движения они входят в источник и, выходя из противоположного выхода источника, возвращаются в контур.

Мы знаем, что если на заряд действует сила и под действием этой силы заряд движется, то сила совершает работу.

Это означает, что внешние силы в источнике выполняют работу. Подробнее о действии внешних сил (ссылка).

Читайте далее:

• 1 Понятие электромагнитного поля и его различные проявления. Материальность – Работа в школе.
• Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряда.
• Значение слова ЭЛЕКТРОТЕХНИКАЦИЯ. Что такое ЭЛЕКТРОТЕХНИКА?.
• Многоликий протон.
• Электричество. Сила электричества.
• Урок 7 Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. колебательный контур – физика – 11 класс – Русская электронная школа.
• Условия существования электрического тока.

Электрический ток и его плотность

Электрическим током называют направленное движение свободно заряженных частиц под действием электрического поля.

Как правило движение зарядов происходит в некоторой среде (веществе или вакууме), являющейся проводником для электрического тока. Движущимися в среде заряженными частицами могут быть электроны (в металлах, полупроводниках) или ионы (в жидкостях и газах).

Рис. 1 Электрический ток

Для возникновения и протекания электрического тока в любой токопроводящей среде необходимо выполнение двух условий:

1. Наличие в среде свободных носителей заряда;
2. Наличие электрического поля.

Для поддержания электрического поля, например в проводнике, к его концам необходимо подключить какой-либо источник электрической энергии (батарейку или аккумулятор). Поле в проводнике создается зарядами, которые накопились на электродах источника тока под действием сил (химических, механических и т.д.).

За направление тока условно принято принимать направление движения положительных зарядов. Следовательно, условно принятое направление тока обратно направлению движения электронов – основных отрицательных электрических носителей заряда в металлах и полупроводниках.

Понять явление электрического тока достаточно сложно так как его невозможно увидеть глазами. Для лучшего понимания процессов в электронике проведем аналогию между электрическим током в проводнике и водой в тонкой трубочке. В трубочке есть вода (носители заряда в проводнике), но она неподвижна, если трубочка лежит на горизонтальной поверхности и уровень высот ее концов (значения потенциалов электрического поля) одинаковый. Если трубочку наклонить так, что один конец станет выше другого (появится разность потенциалов), вода потечет по трубочке (электроны придут в движение).

Способность вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется электропроводностью. Каждому веществу соответствует определенная степень электропроводности. Ее значение зависит от концентрации в веществе носителей заряда – чем она выше, тем больше электропроводность. В зависимости от электропроводности все вещества делятся на три большие группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.

Электрический ток может менять направление и величину во времени (переменный ток) или оставаться неизменным (постоянный) (рисунок 2).

Рис. 2. Постоянный и переменный электрические токи

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I, которая определяется числом электронов (зарядов) q, проходящих через импровизированное поперечное сечение проводника в единицу времени t (рисунок 3).

Рис. 3. Сила тока в проводнике

Для постоянного тока представленное выше выражение можно записать в виде

Ток в системе СИ измеряется в амперах, [А]. Току в 1 А соответствует ток, при котором через поперечное сечение за 1 секунду проходит электрический заряд, равный 1 Кл.

1 A = 1 Кл/1 сек.

Плотность электрического тока

Под плотностью тока j понимается физическая величина, равная отношению тока I к площади поперечного сечения S проводника. При равномерном распределении тока по поперечному сечению проводника.

J = I/S 

Плотность тока в системе СИ измеряется в амперах на миллиметр квадратный, [А/мм²].

Рассмотрим плотность тока в проводнике с разным поперечным сечением. Например, соединены два проводника с различными сечениями: первый толстый провод с большим поперечным сечением S1 второй тонкий провод с сечением S2. К концам которых приложено постоянное напряжение (рисунок 5) в следствии чего через них протекает постоянный ток с одинаковой силой тока.

Рис.5 Плотность тока в проводниках с различными сечениями.

Предположим, что сила тока через поперечное сечение толстого проводника S1 и тонкого провода S2 различная. Из этого предположения вытекает, что за каждую единицу времени через сечения S1 и S2 протекают различные значения электрического заряда. Следовательно, в объёме провода, расположенного между двумя указанными сечениям происходит непрерывное скапливание зарядов, и напряженность электрического поля изменялась бы, чего не может быть, так как при изменении электрического поля ток был бы непостоянен. В проводах с различным сечением при одном и том же токе плотность тока обратно пропорциональна площади поперечного сечения.

I = J₁S₁ = J₂S₂

Плотность тока — векторная величина.

Рис. 4. Графическая интерпретация плотности тока j

Направление вектора  совпадает с направлением положительно заряженных зарядов и, следовательно, с направлением самого тока I.

Если концентрация носителей тока равна n, каждый носитель имеет заряд e и скорость его движения в проводнике равна v (рисунок 3), то за время dt через поперечное сечение S проводника переносится заряд

В этом случае величину силы тока I можно представить в виде зависимости

а плотность тока

Сила тока через произвольную поверхность определяется через поток вектора плотности тока, как интеграл по произвольной (в общем случае) поверхности S (рисунок 6)

Рис. 6. Сила тока через произвольную поверхность S

От величины плотности тока зависит важный показатель – качество электропередачи. Фактически этот показатель зависит от степени нагрузки проводника (хотя и не только от нее). В зависимости от значения плотности тока принято выбирать сечение проводов – это связано с наличием у проводников сопротивления, в результате которого происходит нагрев жил проводника вплоть до его расплавления и выхода из строя.

#1. … — направленное движение свободно заряженных частиц под действием электрического поля.

Электрический ток

Электропроводность

Электрический заряд

#2. Как направлен ток в металлическом проводе?

перпендикулярно движению заряда

со направлено движению основных носителей заряда

обратно движению основных носителей заряда

#3. В каком проводнике плотность тока выше?

Одинакова

В тонком

В толстом

Плотность тока для каждого проводника:

J₁ = I/S₁   J₂ = I/S₂ 

Так как сила тока в проводах одинакова:

J₁ < J₂

Завершить

Отлично!

Попытайтесь снова(

31.08.2020

ТОЭ

Электрические цепи постоянного тока

9.2: Электрический ток — LibreTexts по физике

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• OpenStax
• OpenStax

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

К концу этого раздела вы сможете:

• Описывать электрический ток
• Определить единицу электрического тока
• Объясните направление течения тока

До сих пор мы рассматривали в основном статические заряды. Когда заряды действительно двигались, они ускорялись в ответ на электрическое поле, создаваемое разностью потенциалов. Заряды теряли потенциальную энергию и приобретали кинетическую энергию, когда они проходили через разность потенциалов, когда электрическое поле действительно работало над зарядом.

Хотя для протекания зарядов не требуется материал, большая часть этой главы посвящена пониманию движения зарядов через материал. Скорость, с которой заряды проходят мимо определенного места, то есть количество заряда в единицу времени, известна как электрический ток . Когда заряды протекают через среду, ток зависит от приложенного напряжения, материала, через который проходят заряды, и состояния материала. Особый интерес представляет движение зарядов в проводнике. В предыдущих главах заряды ускорялись за счет силы, обеспечиваемой электрическим полем, теряя потенциальную энергию и приобретая кинетическую энергию. В этой главе мы обсудим ситуацию с силой, обеспечиваемой электрическим полем в проводнике, где заряды теряют кинетическую энергию, и материал достигает постоянной скорости, известной как « скорость дрейфа . Это аналогично объекту, падающему через атмосферу и теряющему кинетическую энергию в воздухе, достигая постоянной конечной скорости.

Если вы когда-либо проходили курс по оказанию первой помощи или технике безопасности, вы, возможно, слышали, что в случае поражения электрическим током сила тока, а не напряжение, является важным фактором, определяющим тяжесть поражения и количество повреждения человеческого организма. Ток измеряется в единицах, называемых амперами; Вы, возможно, заметили, что автоматические выключатели в вашем доме и предохранители в вашем автомобиле рассчитаны на ампер (или ампер). Но что такое ампер и что он измеряет?

Определение тока и ампера

Электрический ток определяется как скорость, с которой протекает заряд. Когда присутствует большой ток, например, используемый для работы холодильника, большое количество заряда проходит по проводу за небольшой промежуток времени. Если ток небольшой, например, используемый для работы портативного калькулятора, небольшое количество заряда перемещается по цепи в течение длительного периода времени.

Электрический ток

Средний электрический ток \(I\) представляет собой скорость, с которой течет заряд,

\[I_{ave} = \dfrac{\Delta Q}{\Delta t}, \label{Iave}\]

где \(\Delta Q\) — количество чистого заряда, проходящего через данный крест -площадь сечения по времени \(\Delta t\) (Рисунок \(\PageIndex{1}\)). Единицей силы тока в СИ является ампер (А), названная в честь французского физика Андре-Мари Ампера (1775–1836). Поскольку \(I = \dfrac{\Delta Q}{\Delta t}\), мы видим, что ампер определяется как один кулон заряда, проходящий через данную площадь в секунду:

\[1 A \equiv 1 \ dfrac{C}{s}.\]

Мгновенный электрический ток, или просто электрический ток , является производной по времени от протекающего заряда и определяется путем принятия предела среднего электрического тока как \(\Delta t \rightarrow 0\).

\[I = \lim_{\Delta t \rightarrow 0} \dfrac{\Delta Q}{\Delta t} = \dfrac{dQ}{dt}.\]

Большинство электрических приборов рассчитаны в амперах ( или ампер), необходимые для правильной работы, а также предохранители и автоматические выключатели. {18}\) электронов, протекающих через площадь A каждую секунду.

Подсчет среднего тока

Основное назначение аккумуляторной батареи в легковом или грузовом автомобиле — питание электрического стартера , который запускает двигатель. Операция запуска транспортного средства требует подачи большого тока от аккумуляторной батареи. Как только двигатель запускается, устройство, называемое генератором переменного тока, берет на себя подачу электроэнергии, необходимой для работы автомобиля и для зарядки аккумулятора.

1. Какой средний ток возникает, когда аккумуляторная батарея грузового автомобиля приводится в движение с зарядом 720 Кл за 4,00 с при запуске двигателя?
2. Сколько времени требуется 1,00 C заряда батареи?

Стратегия

Мы можем использовать определение среднего тока в уравнении \ref{Iave}, чтобы найти средний ток в части (a), поскольку заряд и время заданы. Для части (b), когда мы знаем средний ток, мы используем уравнение \ref{Iave}, чтобы найти время, необходимое для того, чтобы 1,00 C заряда вытек из батареи.

Раствор

а. Ввод заданных значений заряда и времени в определение тока дает 9{-3} с \\[5pt] &= 5,56 \, мс. \end{align*}\]

Значение

1. Это большое значение тока иллюстрирует тот факт, что большой заряд перемещается за небольшой промежуток времени. Токи в этих «стартерах» достаточно велики, чтобы преодолеть инерцию двигателя.
2. Большой ток требует короткого времени для подачи большого количества заряда. Этот большой ток необходим для подачи большого количества энергии, необходимой для запуска двигателя.

9{-t/\тау})\). Здесь \(Q_M\) — заряд после длительного периода времени, когда время приближается к бесконечности, в единицах кулонов, а \(\tau\) — постоянная времени в единицах секунд (рис. \(\PageIndex{2). }\)). Какова сила тока в проводе?

Рисунок \(\PageIndex{2}\): График движения заряда через поперечное сечение провода с течением времени.

Стратегия

Ток через поперечное сечение можно найти из \(I = \dfrac{dQ}{dt}\). Обратите внимание на рисунок, что заряд увеличивается до \(Q_M\), а производная уменьшается, приближаясь к нулю, по мере увеличения времени (рисунок \(\PageIndex{2}\)). 9{-t/\tau}.\end{align*}\]

Рисунок \(\PageIndex{3}\): График тока, протекающего по проводу, с течением времени.

Значение

Ток в рассматриваемом проводе уменьшается экспоненциально, как показано на рисунке \(\PageIndex{3}\). В следующих главах будет показано, что ток, зависящий от времени, появляется, когда конденсатор заряжается или разряжается через резистор. Напомним, что конденсатор — это устройство, хранящее заряд. Вы узнаете о резисторе в модели проводимости в металлах.

Упражнение \(\PageIndex{1A}\)

В портативных калькуляторах часто используются небольшие солнечные элементы для обеспечения энергией, необходимой для выполнения вычислений, необходимых для сдачи следующего экзамена по физике. Ток, необходимый для работы вашего калькулятора, может составлять всего 0,30 мА. Сколько времени потребуется для того, чтобы 1,00 Кл заряда вытекли из солнечных элементов? Можно ли использовать солнечные элементы вместо батарей для запуска традиционных двигателей внутреннего сгорания, используемых в настоящее время в большинстве легковых и грузовых автомобилей?

93 \, с.\]

Это чуть меньше часа. Это сильно отличается от 5,55 мс для аккумуляторной батареи грузовика. Для работы калькулятора требуется очень мало энергии, в отличие от стартера грузовика. Есть несколько причин, по которым в транспортных средствах используются батареи, а не солнечные элементы. Помимо того очевидного факта, что источник света для питания солнечных батарей автомобиля или грузовика не всегда доступен, большое количество тока, необходимого для запуска двигателя, не может быть легко обеспечено современными солнечными батареями. Солнечные батареи могут быть использованы для зарядки аккумуляторов. Для зарядки аккумулятора требуется небольшое количество энергии по сравнению с энергией, необходимой для работы двигателя и других аксессуаров, таких как обогреватель и кондиционер. Современные автомобили на солнечных батареях питаются от солнечных батарей, которые могут питать электродвигатель вместо двигателя внутреннего сгорания.

Упражнение \(\PageIndex{1B}\)

Автоматические выключатели в доме измеряются в амперах, обычно в диапазоне от 10 до 30 ампер, и используются для защиты жильцов от вреда, а их электроприборов от повреждения из-за к большим течениям. Один 15-амперный автоматический выключатель можно использовать для защиты нескольких розеток в гостиной, а один 20-амперный автоматический выключатель можно использовать для защиты холодильника на кухне. Какой вывод вы можете сделать из этого о токе, потребляемом различными приборами?

Ответить

Суммарный ток, необходимый для всех приборов в гостиной (несколько ламп, телевизор и ваш ноутбук), потребляет меньше тока и потребляет меньше энергии, чем холодильник.

Ток в цепи

В предыдущих параграфах мы определили ток как заряд, который проходит через площадь поперечного сечения в единицу времени. Чтобы заряд протекал через устройство, такое как фара, показанная на рисунке \(\PageIndex{4}\), должен быть полный путь (или цепь ) от плюсовой клеммы к минусовой клемме. Рассмотрим простую схему автомобильного аккумулятора, выключателя, лампы фары и проводов, обеспечивающих путь тока между компонентами. Чтобы лампа зажглась, должен быть полный путь для протекания тока. Другими словами, заряд должен иметь возможность покинуть положительную клемму батареи, пройти через компонент и вернуться к отрицательной клемме батареи. Переключатель там для управления цепью. В части (а) рисунка показана простая схема автомобильного аккумулятора, выключателя, токопроводящей дорожки и лампы фары. Также показано схема схемы [часть (б)]. Схема — это графическое представление схемы, которое очень полезно для визуализации основных характеристик схемы. На схемах используются стандартные символы для представления компонентов в цепях и сплошные линии для обозначения проводов, соединяющих компоненты. Батарея показана в виде серии длинных и коротких линий, представляющих исторический гальванический столб. Лампа изображена в виде круга с петлей внутри, представляющей собой нить накаливания лампы накаливания. Переключатель показан в виде двух точек с проводящей полосой для соединения двух точек, а провода, соединяющие компоненты, показаны сплошными линиями. Схема в части (c) показывает направление тока, когда переключатель замкнут.

Рисунок \(\PageIndex{4}\): (a) Простая электрическая цепь фары (лампы), аккумулятора и выключателя. Когда переключатель замкнут, непрерывный путь для протекания тока обеспечивается проводящими проводами, соединяющими нагрузку с клеммами батареи. (б) На этой схеме батарея представлена ​​параллельными линиями, которые напоминают пластины оригинальной конструкции батареи. Более длинные линии указывают на положительную клемму. Проводники показаны сплошными линиями. Переключатель показан в разомкнутом положении в виде двух клемм с линией, представляющей проводящую полосу, которая может контактировать между двумя клеммами. Лампа представлена ​​кругом, охватывающим нить накала, как в лампе накаливания. (c) Когда переключатель замкнут, цепь замкнута, и ток течет от положительной клеммы к отрицательной клемме батареи.

Когда переключатель замкнут на рисунке \(\PageIndex{4c}\), существует полный путь прохождения заряда от положительной клеммы аккумулятора через переключатель, затем через фару и обратно к отрицательной клемме. аккумулятора. Обратите внимание, что направление тока течет от положительного к отрицательному. Направление обычного тока всегда представлено в направлении, в котором будет течь положительный заряд, от положительного вывода к отрицательному.

Обычный ток течет от положительной клеммы к отрицательной, но в зависимости от реальной ситуации могут перемещаться положительные заряды, отрицательные заряды или и то, и другое. В металлических проводах, например, ток переносится электронами, то есть движутся отрицательные заряды. В ионных растворах, таких как соленая вода, движутся как положительные, так и отрицательные заряды. Это верно и для нервных клеток. Генератор Ван де Граафа, используемый для ядерных исследований, может производить ток чисто положительных зарядов, таких как протоны. В ускорителе Тэватрон в Фермилабе перед его закрытием в 2011 году столкнулись пучки протонов и антипротонов, летящие в противоположных направлениях. Протоны положительны, и поэтому их ток направлен в том же направлении, в котором они движутся. Антипротоны заряжены отрицательно, и поэтому их ток направлен в направлении, противоположном направлению движения реальных частиц.

На рисунке \(\PageIndex{5}\) более подробно показан ток, протекающий по проводу. На рисунке показано движение заряженных частиц, составляющих ток. Тот факт, что обычный ток считается направленным в сторону положительного заряда, можно проследить до американского ученого и государственного деятеля Бенджамина Франклина в 1700-х годах. Не зная о частицах, из которых состоит атом (а именно о протоне, электроне и нейтроне), Франклин полагал, что электрический ток течет от материала, в котором больше «электрической жидкости», к материалу, в котором меньше этого «электрического флюида». электрическая жидкость». Он ввел термин положительный для материала, в котором было больше этой электрической жидкости, и отрицательный для материала, в котором не было электрической жидкости. Он предположил, что ток будет течь от материала с большим количеством электрического флюида — положительного материала — к отрицательному материалу, в котором меньше электрического флюида. Франклин назвал это направление тока положительным током. Это было довольно продвинутое мышление для человека, который ничего не знал об атоме.

Рисунок \(\PageIndex{5}\): текущий I — это скорость, с которой заряд проходит через площадь A , такую ​​как поперечное сечение провода. Обычный ток определяется как движущийся в направлении электрического поля. (а) Положительные заряды движутся в направлении электрического поля, которое совпадает с направлением обычного тока. б) Отрицательные заряды движутся в направлении, противоположном электрическому полю. Обычный ток направлен в сторону, противоположную движению отрицательного заряда. Поток электронов иногда называют электронным потоком.

Теперь мы знаем, что материал является положительным, если в нем больше протонов, чем электронов, и отрицательным, если в нем больше электронов, чем протонов. В проводящем металле протекание тока обусловлено в первую очередь электронами, текущими от отрицательного материала к положительному, но по историческим причинам мы рассматриваем протекание положительного тока, и показано, что ток течет от положительного вывода батареи к положительному. отрицательный терминал.

Важно понимать, что электрическое поле присутствует в проводниках и отвечает за создание тока (Рисунок \(\PageIndex{5}\)). В предыдущих главах мы рассмотрели статический электрический случай, когда заряды в проводнике быстро перераспределяются по поверхности проводника, чтобы нейтрализовать внешнее электрическое поле и восстановить равновесие. В случае электрической цепи заряды не могут достичь равновесия за счет внешнего источника электрического потенциала, такого как батарея. Энергия, необходимая для перемещения заряда, обеспечивается электрическим потенциалом батареи.

Хотя электрическое поле отвечает за движение зарядов в проводнике, работа, совершаемая над зарядами электрическим полем, не увеличивает кинетическую энергию зарядов. Мы покажем, что электрическое поле отвечает за то, чтобы электрические заряды двигались с «дрейфовой скоростью».

---

Эта страница под названием 9.2: Электрический ток распространяется под лицензией CC BY 4.0 и была создана, изменена и/или курирована OpenStax с использованием исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх
• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   ОпенСтакс

   Лицензия

   СС BY

   Версия лицензии

   4,0

   Программа OER или Publisher

   ОпенСтакс

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   1. ампер (единица измерения)
   2. цепь
   3. обычный ток
   4. электрический ток
   5. схема
   6. источник@https://openstax. org/details/books/university-physics-volume-2

5.1 Электрический ток – введение в электричество, магнетизм и электрические цепи

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

---

К концу этого раздела вы сможете:

• Описать электрический ток
• Определить единицу электрического тока
• Объясните направление тока

До сих пор мы рассматривали в основном статические заряды. Когда заряды действительно двигались, они ускорялись в ответ на электрическое поле, создаваемое разностью потенциалов. Заряды теряли потенциальную энергию и приобретали кинетическую энергию, когда они проходили через разность потенциалов, когда электрическое поле действительно работало над зарядом.

Хотя для протекания зарядов не требуется материал, большая часть этой главы посвящена пониманию движения зарядов через материал. Скорость, с которой заряды проходят через определенное место, то есть количество зарядов в единицу времени, известна как 9 0297 электрический ток . Когда заряды протекают через среду, ток зависит от приложенного напряжения, материала, через который проходят заряды, и состояния материала. Особый интерес представляет движение зарядов в проводнике. В предыдущих главах заряды ускорялись за счет силы, обеспечиваемой электрическим полем, теряя потенциальную энергию и приобретая кинетическую энергию. В этой главе мы обсудим ситуацию с силой, обеспечиваемой электрическим полем в проводнике, где заряды теряют кинетическую энергию, и материал достигает постоянной скорости, известной как « скорость дрейфа ». Это аналогично объекту, падающему через атмосферу и теряющему кинетическую энергию в воздухе, достигая постоянной конечной скорости.

Если вы когда-либо проходили курс по оказанию первой помощи или технике безопасности, вы, возможно, слышали, что в случае поражения электрическим током сила тока, а не напряжение, является важным фактором, определяющим тяжесть поражения и количество повреждения человеческого организма. Ток измеряется в единицах, называемых амперами; Вы, возможно, заметили, что автоматические выключатели в вашем доме и предохранители в вашем автомобиле рассчитаны на ампер (или ампер). Но что такое ампер и что он измеряет?

Определение тока и ампера

Электрический ток определяется как скорость, с которой протекает заряд. Когда присутствует большой ток, например, используемый для работы холодильника, большое количество заряда проходит по проводу за небольшой промежуток времени. Если ток небольшой, например, используемый для работы портативного калькулятора, небольшое количество заряда перемещается по цепи в течение длительного периода времени.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

---

Средний электрический ток – это скорость, с которой течет заряд,

(5.1.1)  

где  количество заряда, прошедшего через заданную площадь за время  (рисунок 5.1.1). Единица СИ для силы тока — ампер (), названная в честь французского физика Андре-Мари ампер (1775–1836). Поскольку , мы видим, что ампер определяется как один кулон заряда, проходящий через заданную площадь в секунду: заряд, который течет и находится, принимая предел среднего электрического тока как:

(5. 1.3)  

Большинство электрических приборов рассчитаны на ампер (или амперы), необходимые для правильной работы, как и предохранители и автоматические выключатели.

(рис. 5.1.1)  

Рисунок 5.1.1  Скорость потока заряда является текущей. Ампер — это поток заряда в один кулон через площадь за одну секунду. Ток в один ампер возникнет в результате прохождения электронов через эту область каждую секунду.

ПРИМЕР 5.1.1

---

Расчет среднего тока

Аккумулятор в легковом или грузовом автомобиле предназначен для питания электрического стартера , который запускает двигатель. Операция запуска транспортного средства требует подачи большого тока от аккумуляторной батареи. Как только двигатель запускается, устройство, называемое генератором переменного тока, берет на себя подачу электроэнергии, необходимой для работы автомобиля и для зарядки аккумулятора.

(a) Какой средний ток возникает, когда аккумулятор грузового автомобиля заряжается во время запуска двигателя? б) Сколько времени требуется заряду батареи?

Стратегия

Мы можем использовать определение среднего тока в уравнении  , чтобы найти средний ток в части (а), поскольку заряд и время заданы. Для части (б), когда мы знаем средний ток, мы можем определить его определение, чтобы найти время, необходимое для того, чтобы заряд вытекал из батареи.

Решение

а. Ввод заданных значений заряда и времени в определение тока дает

   

б. Решение зависимости для времени и ввод известных значений заряда и тока дает

   

Значение

а. Это большое значение тока иллюстрирует тот факт, что большой заряд перемещается за небольшой промежуток времени. Токи в этих «стартерах» достаточно велики, чтобы преодолеть инерцию двигателя. б. Большой ток требует короткого времени для подачи большого количества заряда. Этот большой ток необходим для подачи большого количества энергии, необходимой для запуска двигателя.

ПРИМЕР 5.1.2

---

Расчет мгновенных токов

Рассмотрим заряд, движущийся по поперечному сечению провода, где заряд моделируется как . Здесь  это заряд после длительного периода времени, когда время приближается к бесконечности, в единицах кулонов, а  это постоянная времени в единицах секунд (см. рисунок 5.1.2). Какова сила тока в проводе?

(рис. 5.1.2)  

Рисунок 5.1.2  График движения заряда через поперечное сечение провода с течением времени.

Стратегия

Ток через поперечное сечение можно найти из . Обратите внимание на рисунок, что заряд увеличивается до , а производная уменьшается, приближаясь к нулю, по мере увеличения времени (рис. 5.1.3).

Решение

Производную можно найти с помощью .

   

(рис. 5.1.3)  

Рисунок 5.1.3  График силы тока, протекающего по проводу, в зависимости от времени.

Значение

Ток через рассматриваемый провод уменьшается экспоненциально, как показано на Рисунке 5.1.3. В следующих главах будет показано, что ток, зависящий от времени, появляется, когда конденсатор заряжается или разряжается через резистор. Напомним, что конденсатор — это устройство, хранящее заряд. Вы узнаете о резисторе в модели проводимости в металлах.

ПРОВЕРЬТЕ ВАШЕ ПОНИМАНИЕ 5.

1

---

В портативных калькуляторах часто используются небольшие солнечные батареи для обеспечения энергией, необходимой для выполнения вычислений, необходимых для сдачи следующего экзамена по физике. Ток, необходимый для запуска вашего калькулятора, может быть всего . Сколько времени потребуется для вытекания заряда из солнечных батарей? Можно ли использовать солнечные элементы вместо батарей для запуска традиционных двигателей внутреннего сгорания, используемых в настоящее время в большинстве легковых и грузовых автомобилей?

ПРОВЕРЬТЕ ВАШЕ ПОНИМАНИЕ 5.2

---

Автоматические выключатели в доме измеряются в амперах, обычно в диапазоне от до , и используются для защиты жителей от вреда и их приборов от повреждения из-за больших токов. Один автоматический выключатель можно использовать для защиты нескольких розеток в гостиной, а один автоматический выключатель можно использовать для защиты холодильника на кухне. Какой вывод вы можете сделать из этого о токе, потребляемом различными приборами?

Ток в цепи

В предыдущих параграфах мы определили ток как заряд, протекающий через площадь поперечного сечения в единицу времени. Чтобы заряд протекал через устройство, такое как фара, показанная на рисунке 5.1.4, должен быть полный путь (или цепь) от положительной клеммы к отрицательной клемме. Рассмотрим простую схему автомобильного аккумулятора, выключателя, лампы фары и проводов, обеспечивающих путь тока между компонентами. Чтобы лампа зажглась, должен быть полный путь для протекания тока. Другими словами, заряд должен иметь возможность покинуть положительную клемму батареи, пройти через компонент и вернуться к отрицательной клемме батареи. Переключатель там для управления цепью. В части (а) рисунка показана простая схема автомобильного аккумулятора, выключателя, токопроводящей дорожки и лампы фары. Также показано  схема схемы [часть (b)]. Схема — это графическое представление схемы, которое очень полезно для визуализации основных характеристик схемы. На схемах используются стандартные символы для представления компонентов в цепях и сплошные линии для обозначения проводов, соединяющих компоненты. Батарея показана в виде серии длинных и коротких линий, представляющих исторический гальванический столб. Лампа изображена в виде круга с петлей внутри, представляющей собой нить накаливания лампы накаливания. Переключатель показан в виде двух точек с проводящей полосой для соединения двух точек, а провода, соединяющие компоненты, показаны сплошными линиями. Схема в части (c) показывает направление тока, когда переключатель замкнут.

(рис. 5.1.4)  

Рисунок 5.1.4  (a) Простая электрическая цепь фары (лампы), аккумулятора и выключателя. Когда переключатель замкнут, непрерывный путь для протекания тока обеспечивается проводящими проводами, соединяющими нагрузку с клеммами батареи. (б) На этой схеме батарея представлена ​​параллельными линиями, которые напоминают пластины оригинальной конструкции батареи. Более длинные линии указывают на положительную клемму. Проводники показаны сплошными линиями. Переключатель показан в разомкнутом положении в виде двух клемм с линией, представляющей проводящую полосу, которая может контактировать между двумя клеммами. Лампа представлена ​​кругом, охватывающим нить накала, как в лампе накаливания. (c) Когда переключатель замкнут, цепь замкнута, и ток течет от положительной клеммы к отрицательной клемме батареи.

Когда переключатель замкнут на Рисунке 5.1.4(c), существует полный путь прохождения заряда от положительной клеммы батареи через переключатель, затем через фару и обратно к отрицательной клемме батареи. . Обратите внимание, что направление тока течет от положительного к отрицательному. Направление условного тока  всегда представлено в направлении, в котором будет течь положительный заряд, от положительного вывода к отрицательному полюсу.

Обычный ток течет от положительной клеммы к отрицательной, но в зависимости от реальной ситуации могут перемещаться положительные заряды, отрицательные заряды или и то, и другое. В металлических проводах, например, ток переносится электронами, то есть движутся отрицательные заряды. В ионных растворах, таких как соленая вода, движутся как положительные, так и отрицательные заряды. Это верно и для нервных клеток. Генератор Ван де Граафа, используемый для ядерных исследований, может производить ток чисто положительных зарядов, таких как протоны. В ускорителе Тэватрон в Фермилабе перед его закрытием в 2011 году столкнулись пучки протонов и антипротонов, летящие в противоположных направлениях. Протоны положительны, и поэтому их ток направлен в том же направлении, в котором они движутся. Антипротоны заряжены отрицательно, и поэтому их ток направлен в направлении, противоположном направлению движения реальных частиц.

Ток, протекающий по проводу, более подробно показан на рис. 5.1.5. На рисунке показано движение заряженных частиц, составляющих ток. Тот факт, что обычный ток считается направленным в сторону положительного заряда, восходит к американскому ученому и государственному деятелю Бенджамину Франклину в 1700-х годах. Не зная о частицах, из которых состоит атом (а именно о протоне, электроне и нейтроне), Франклин полагал, что электрический ток течет от материала, в котором больше «электрической жидкости», к материалу, в котором меньше этого «электрического флюида». электрическая жидкость». Он ввел термин  положительный  для материала, в котором было больше этой электрической жидкости, и отрицательный  для материала, в котором не было электрической жидкости. Он предположил, что ток будет течь от материала с большим количеством электрического флюида — положительного материала — к отрицательному материалу, в котором меньше электрического флюида. Франклин назвал это направление тока положительным током. Это было довольно продвинутое мышление для человека, который ничего не знал об атоме.

(рис. 5.1.5)  

Рисунок 5.1.5  Ток — это скорость, с которой заряд проходит через площадь, например через поперечное сечение провода. Обычный ток определяется как движущийся в направлении электрического поля. (а) Положительные заряды движутся в направлении электрического поля, которое совпадает с направлением обычного тока. б) Отрицательные заряды движутся в направлении, противоположном электрическому полю. Обычный ток направлен в сторону, противоположную движению отрицательного заряда. Поток электронов иногда называют электронным потоком.

Теперь мы знаем, что материал является положительным, если в нем больше протонов, чем электронов, и отрицательным, если в нем больше электронов, чем протонов. В проводящем металле протекание тока обусловлено в первую очередь электронами, текущими от отрицательного материала к положительному, но по историческим причинам мы рассматриваем протекание положительного тока, и показано, что ток течет от положительного вывода батареи к положительному. отрицательный терминал.

Важно понимать, что электрическое поле присутствует в проводниках и отвечает за создание тока (рис. 5.1.5). В предыдущих главах мы рассмотрели статический электрический случай, когда заряды в проводнике быстро перераспределяются по поверхности проводника, чтобы нейтрализовать внешнее электрическое поле и восстановить равновесие. В случае электрической цепи заряды не могут достичь равновесия за счет внешнего источника электрического потенциала, такого как батарея.