Условия существования тока и процесс его формирования
Многие на бытовом уровне считают, что для протекания электрического тока в проводах необходимо иметь источник питания (аккумулятор или генератор) и подключенную к нему нагрузку (электроприборы). Все это верно, но если рассмотреть вопрос чуть глубже, то можно выделить следующие условия существования тока: наличие свободных электрических зарядов; наличие электрического поля, которое обеспечивает движение зарядов; замкнутая электрическая цепь. С последним пунктом все предельно ясно. Детального изучения требуют лишь первые два пункта — наличие зарядов и электрического поля. Постараемся понятным и простым языком объяснить эти фундаментальные условия существования тока.
Наличие свободных носителей заряда для существования тока
Все что нас окружает состоит из мельчайших частиц — молекул. Молекулы в свою очередь состоят из атомов, а атомы из еще более мелких протонов, нейтронов и электронов. Протон и нейтрон — это тяжеловесы микромира. Каждая такая частица в триллионы раз легче песчинки, но в то же время почти в две тысячи раз тяжелее электрона. Протон и электрон помимо массы имеют еще и одинаковый по силе, но разный по знаку электрический заряд. У протона заряд со знаком «плюс», а у электрона — со знаком «минус». Нейтрон же никакого электрического заряда не имеет.
Строение атома:
Количество электрического заряда q, положительного или отрицательного, измеряют в кулонах (Кл). Для справки 1 Кл равен суммарному заряду собранных вместе 6 280 000 000 000 000 000 (6,28×1818) электронов или протонов.
Согласно закону Кулона неподвижные одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Чтобы объяснить такое дальнодействие зарядов, считают, что каждый из них создает вокруг себя электрическое поле. Выделим основные примеры такого взаимодействия в электрическом поле:
а) Радиальное электрическое поле от положительного заряда. Векторы напряженности электрического поля Е от положительного заряда радиально расходятся. На положительный заряд (+q2) поле действует силой F, совпадающей с вектором напряженности Е, на отрицательный заряд (-q3) — силой, направленной встречно этому вектору. | |
б) Радиальное электрическое поле от отрицательного заряда. Векторы напряженности электрического поля Е к отрицательному заряду радиально сходятся. | |
в) Электрическое поле, в котором напряженность одинакова по модулю и направлению в любой точке пространства, называется однородным (равномерным) электрическим полем (пример — электрическое поле между двумя разноименно заряженными плоскими металлическими пластинами). В таком поле векторы напряженности Е параллельны друг другу. Свободные носители зарядов перемещаются в поле под действием сил F: носители положительного заряда (+q) — в направлении поля Е, носители отрицательного (-q) — в противоположном. Точкам 1 и 2 поля соответствуют потенциалы φ1 и φ2. Напряжение между точками — это разность потенциалов (φ1-φ2). Другими словами напряжение — это отношение работы переноса заряда между точками к самому заряду. |
Вернемся к строению атома и определимся со свободными носителями заряда для существования тока. Мы выделили электроны и протоны. Эти заряженные частицы являются основой для протекания тока в металлах (провода). Причем нужно выделить некоторые важные особенности. Когда мы рассматриваем стандартную цепь из источника питания, потребителя и соединительных проводов, средой для прохождения зарядов являются металлы. И здесь, несмотря на взаимодействие электронов и протонов, основными направлено движущимися зарядами являются только свободные электроны. Протоны в упорядоченном движении не участвуют, а скорее, если так можно назвать, тормозят движение электронов. На этом месте уместно перейти к понятию сопротивления в проводнике и рассмотреть такой тип атома как ион.
Причина того, что проводник обладает сопротивлением, заключается в том, что направленному движению электрических зарядов в нем препятствуют ионы кристаллической решетки.
Атом с недостающими электронами (избытком протонов) называют положительным ионом (частица, имеющая чистый положительный заряд). Атом с избытком электронов ведет себя как частица с чистым отрицательным зарядом, и такой атом называют отрицательным ионом. Металлы — это химические элементы, атомы которых отдают электроны внешних электронных слоев, превращаясь в положительные ионы.
Кристаллическая решетка металлов:
Металлы — это твердые вещества, имеющие кристаллическое строение. В элементарной кристаллической ячейке решетки в условных узлах и на гранях находятся положительно заряженные ионы. Их удерживают вместе металлические связи, возникающие за счет беспорядочного движения отделившихся от атомов электронов.
Закрепим материал. Одним из условий существования тока является наличие свободных электрических зарядов. В металлах в роли этих зарядов выступают отделившиеся свободные электроны. В электролитах — положительные и отрицательные ионы. В газах — электроны и положительные ионы. В полупроводниках — электроны и дырки. В вакууме — любые заряженные частицы (чаще — электроны). Далее в обзоре в качестве проводников мы будем рассматривать самые распространенные проводники электрического тока — металлы.
Электрическое поле для существования тока
Частично вопрос электрического поля мы рассмотрели в предыдущем пункте, когда рассматривали взаимодействие разноименных зарядов. И важно разделять и правильно понимать виды полей:
- Электростатическое поле создается неподвижными в пространстве и неизменными во времени электрическими зарядами. Оно представляет собой особый вид материи, связанный с электрическими зарядами и передающий действия зарядов друг на друга.
- Стационарное электрическое поле — это поле свободных зарядов проводника, совершающих направленное движение.
Стационарное электрическое поле, как и электростатическое, потенциально, но в отличие от статического поля может существовать и внутри проводника. Именно особенность возникновения этого поля мы и будем далее рассматривать.
Для лучшего понимания и наглядности проанализируем образование электрического поля и зарождение тока на примере цепи, состоящей из химического источника электроэнергии (батарейки), потребителя (лампочки) и соединительных проводов. Так как источник электродвижущей силы у нас химический, то ток будет постоянный. Также, чтобы далее не путаться, отметим, что направление тока (I) принято условно считать от плюса к минусу, хотя заряды (электроны) движутся от минуса к плюсу:
Примем, что ЭДС батарейки 10 Вольт. Также примем, что у нее нет внутреннего сопротивления, что позволит рассматривать полную цепь по правилам участка цепи. Соответственно далее ЭДС заменим напряжением 10 Вольт. Напряжение в нашем случае — это разность потенциалов между полюсами батарейки. Поэтому примем потенциал на минусовом полюсе -5 Вольт, а на плюсовом полюсе +5 Вольт:
В результате химической реакции внутри батарейки на отрицательном выводе батарейки скапливается излишек отрицательно заряженных электронов, а на положительном, соответственно, наблюдается их недостаток. Условно мы разделили потенциалы поровну. Хотя на самом деле баланс может быть иным, но суммарно дающим разность потенциалов 10 Вольт.
Запас энергии (потенциальная энергия) единицы количества электричества, находящейся в данной точке электрического поля, называется потенциалом. Чем больше потенциал, тем больше разница между плюсом и минусом.
Более детально на принципе работы батарейки останавливаться не будем. Выделим лишь важную особенность связанную с направлением тока и зарядов. Так как основными носителями электрического заряда являются отрицательно заряженные электроны, а их излишек сконцентрирован на минусовом полюсе батарейки, то логично было бы потенциал в этой области брать со знаком плюс. Но по объективным причинам направление тока условились считать от плюса к минусу. Поэтому, далее, когда речь будет заходить об излишке или недостатке электронов, потенциал со знаком минус будет означать излишек, а со знаком плюс — недостаток заряженных частиц.
Перейдем к оставшейся части цепи — проводам и лампочке. Условно примем сопротивление проводов 4 Ом, а лампочки — 6 Ом. Естественно, эти значения далеки от реальных (4 Ом — это сотни метров провода), поэтому акцентировать на них внимание не будем. Сразу же заменим лампочку отрезком провода с сопротивлением 6 Ом, так как это облегчит понимание протекающих в цепи процессов. В итоге мы будем работать просто с проводом определенного сечения и сопротивлением 10 Ом (область 6 Ом выделим):
Мы подошли к самому интересному моменту — образованию электрического поля при замыкании цепи и зарождению тока. Этот этап у многих ассоциируется с не совсем верными процессами. Поэтому постараемся понятно и наглядно прояснить особенность электрического тока.
Что происходит при замыкании цепи? В первый момент электрическое поле появляется только на концах проводника. Оно вызывает смещение электронов в проводнике по всем направлениям:
Штриховыми линиями показаны линии напряженности поля на полюсах батарейки в первый момент после присоединения к ней провода. Стрелки указывают направление силы, действующей со стороны этого поля на свободные электроны провода. Говоря о силах нужно понимать, что это не что-то абстрактное. Если перевести на простой язык — это излишек зарядов на выводах батарейки, который пытается оттолкнуть заряды с таким же знаком в проводе. Что же касается положительного вывода, то, так как способных перемещаться положительных зарядов в проводе нет, здесь также используются отрицательно заряженные электроны, но к положительному выводу они уже притягиваются.
В результате со стороны минусового вывода батарейки электрон 1 начинает двигаться вдоль оси проводника. Электроны 2, 3, 4, 5 смещаются также вдоль проводника, но одновременно перемещаются к его поверхности и скапливаются на ней. Перемещение электронов вдоль провода представляет собой зарождение тока. Перемещение электронов в направлении к поверхности провода продолжается до тех пор, пока они не достигнут ее и не образуют на проводе поверхностный заряд. Поле начинает движение вдоль проводника и постепенно ослабевает. Каждый поверхностный заряд в сумме с изначальным полем вывода батарейки создает достаточно сильное поле в следующем участке проводника. Процесс повторяется, и происходит постепенное (со скоростью, близкой к скорости света (300 000 км/с)) смещение и образование поверхностных зарядов вдоль всего проводника. Последние в свою очередь создают стационарное электрическое поле внутри и вне проводника с током.
Важно понимать, что процесс образования поля в нашем случае начинается одновременно с двух полюсов батарейки. Если бы мы условно имели источник питания с потенциалами на выводах -10 Вольт и 0 Вольт, тогда бы при образовании электрического поля «волна» зарядов в проводе прокатывалась бы со скоростью света только с одной стороны — от минуса к плюсу с нулевым потенциалом.
После образования стационарного электрического поля за счет разной плотности поверхностных зарядов потенциалы участков провода изменяются от -5 Вольт до +5 Вольт с нулем (равным количеством разноименных зарядов) в середине провода. Покажем это схематически:
Концентрация синих кружочков означает, что у минусового вывода наблюдается большая плотность поверхностных зарядов. Продвигаясь далее вплоть до плюсового вывода плотность поверхностных зарядов постепенно уменьшается. Также с учетом плотности поверхностных зарядов происходит плавное изменение потенциалов.
Многие, пытаясь объяснить процесс перераспределения зарядов в проводнике в момент образования стационарного электрического поля любят приводить аналогию с водой в трубе. На самом деле это не лучший пример. Попробую объяснить по другому. Возьмем трубу, но вместо воды будут заряды – положительные и отрицательные. У одного конца трубы сконцентрировано много отрицательных зарядов, у другого – много положительных. В самой трубе заряды распределены поровну и равномерно. В момент образования электрического поля заряды на концах трубы «пробивают» в трубе себе путь для прохождения. Отрицательные заряды на конце трубы отталкивают отрицательные заряды в трубе к стенке и тем самым делают себе воронку из положительных зарядов. То же самое происходит с другой стороны, только воронка для положительных зарядов состоит уже из отрицательных зарядов. Эти две воронки и создают путь для дальнейшего движения электронов в трубе.
Вернемся к нашему примеру с лампочкой. Провод мы условно поделили на 10 участков по 1 Ом. Желтый сектор — лампочка 6 Ом. Так как потенциал вдоль провода изменяется, то от минуса к плюсу после каждого участка происходит падение напряжения в 1 Вольт. Напряжение на лампочке, то есть разность потенциалов на ее выводах +3 и -3 равно 6 Вольт. А за счет сопротивления проводов произошло падение напряжения в 4 Вольта. Все это мы видим наглядно, но точно такие же результаты можно получить и с помощью закона Ома и правил последовательного соединения резисторов.
После образования электрического поля заряды из минусовой клемы втекают в провод, и в то же момент с другого конца провода свободные электроны втекают в плюсовой вывод. Далее происходит химическая реакция, перемещающая электроны обратно к отрицательному полюсу. Мы получили электрический ток — упорядоченное движение электронов. И пока не иссякнет ресурс батарейки заряды буду циркулировать в цепи за счет разности потенциалов и образовавшегося стационарного электрического поля.