Электрический ток и цепь

Электроны в проводе есть и при выключенной лампе. Что меняется после замыкания выключателя? Батарейка должна не доставить новые электроны, а организовать движение уже имеющихся зарядов.

Без направляющего поля подвижные электроны в металле движутся беспорядочно: через воображаемое сечение в среднем проходит одинаковый заряд в обе стороны. Электрическое поле добавляет к этому движению направленную составляющую. Возникает электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Тепловое движение при этом не прекращается. Значит, наличие подвижных зарядов необходимо, но само по себе ещё не даёт тока.

Почему ток не исчерпывается сразу после небольшого перераспределения? Источник за счёт другой энергии разделяет заряды и поддерживает условия для электрического поля в цепи. Батарейка использует химическую энергию, генератор — механическую. Провода дают путь носителям, а лампа или другой потребитель преобразует переданную энергию. Источник снабжает цепь энергией; он не должен непрерывно создавать новые электроны взамен якобы исчезнувших в лампе.

В простой цепи батарейки устойчивому току нужен полный путь через источник, провода и потребитель. Разомкнём один провод: носители сначала немного перераспределятся у разрыва, возникшее электрическое действие остановит дальнейшее направленное движение. После краткого переходного процесса ток прекратится. Поэтому одного провода от одного вывода к лампе недостаточно. Речь именно об устойчивом токе простой цепи, а не о невозможности любого краткого движения заряда.

Договорились направлять ток так, как двигались бы положительные носители. Во внешней цепи батарейки это направление от плюса к минусу. Но электроны металла отрицательны, поэтому поле действует на них в противоположную сторону: они движутся направленно от минуса к плюсу. Внутри источника путь замыкается за счёт его работы. Стрелка тока на схеме не обязана совпадать со стрелкой движения конкретных частиц.

Как сравнить слабый и сильный ток без подсчёта всей длины провода? Мысленно разрежем провод поперёк и посчитаем результирующий заряд q, перенесённый через это сечение за время t. q измеряют в кулонах, t — в секундах. Это не общий заряд всех электронов провода: они в значительной мере компенсированы положительным зарядом вещества. Нейтральный в целом провод может переносить заряд через сечение и проводить ток.

Чтобы сравнение не зависело от длительности наблюдения, делим перенос на время: средняя сила тока I = q/t при t > 0. Единица ампер: 1 А = 1 Кл/с. Вдвое больший q за то же время даёт вдвое больший I; тот же q за вдвое большее время — вдвое меньший. Если результирующего переноса нет, средний ток нулевой. Для постоянного тока увеличение времени просто пропорционально увеличивает q, и отношение остаётся прежним.

Направленное движение зарядов можно обнаружить по действию: провод нагревается, рядом возникает магнитное поле, в подходящей среде идут химические изменения. Лампа и другие приборы показывают преобразование энергии, а не исчезновение заряда. Проверять наличие тока собственным телом нельзя: действие на ткани тоже реально. Для учебных опытов используют предназначенный для них источник низкого напряжения и правильную схему подключения.

Через сечение за 4 с прошёл заряд 12 Кл. Найдите среднюю силу тока.

Ищем средний перенос заряда за одну секунду. Поэтому выбираем I = q/t, а не произведение заряда и времени.

I = 12/4 = 3 Кл/с = 3 А. Проверка: за 4 с при таком среднем токе переносится 3·4 = 12 Кл.

Среднее значение 3 А не доказывает одинаковый ток в каждую отдельную секунду: для этого нужно знать, что ток постоянный. Электроны не расходуются в лампе, а энергия преобразуется.

Средняя сила тока 3 А: за указанный интервал на одну секунду в среднем приходится перенос 3 Кл.

Поле добавляет направленное движение к уже имеющемуся беспорядочному движению носителей.

Источник поддерживает передачу энергии, а замкнутая простая цепь даёт путь устойчивому току.

I = q/t измеряет перенос заряда за время; направление тока в металле противоположно движению электронов.

Дальше измерим силу тока амперметром и объясним, что измеряет напряжение.