Как протекает ток в цепи: Как работает электричество, куда оно течет

Как работает электричество, куда оно течет

В электрической цепи, включающей источник тока и потребитель электроэнергии, возникает электрический ток. Но в каком направлении возникает этот самый ток? Традиционно считается, что во внешней цепи ток имеет направление от плюса источника к минусу в то время, как внутри источника питания – от минуса к плюсу.

И действительно, электрический ток – это упорядоченное движение электрически заряженных частиц. В случае, если проводник изготовлен из металла, такими частицами служат электроны – отрицательно заряженные частицы. Однако во внешней цепи электроны движутся именно от минуса (отрицательного полюса) к плюсу (положительному полюсу), а не от плюса к минусу.

Если включить во внешнюю цепь полупроводниковый диод, то станет ясным, что ток возможен лишь тогда, когда диод подключен катодом в сторону минуса. Из этого следует, что за направление электрического тока в цепи принимают направление противоположное реальному движению электронов.

Если проследить историю становления электротехники как самостоятельной науки, можно понять, откуда возник такой парадоксальный подход.

Американский исследователь Бенжамин Франклин выдвинул в свое время унитарную (единую) теорию электричества. По этой теории электрическая материя является невесомой жидкостью, которая может вытекать из одних тел, при этом накапливаться в других.

Русский физик Ленц дал правило: если металлический проводник движется вблизи тока или магнита, то в нем возникает гальванический ток. И направление возникающего тока таково, что неподвижный провод пгва пришел бы от его действия в движение, противоположное исходному перемещению. Просто, облегчающее понимание правило.

Заказать

По Франклину, электрическая жидкость есть во всех телах, но наэлектризованными тела становится лишь тогда, когда в них имеет место избыток или недостаток электрической жидкости (электрического флюида).

Недостаток электрического флюида (по Франклину) означал отрицательную электризацию, а избыток – положительную.

Так было положено начало понятиям положительного заряда и отрицательного заряда. В момент соединения тел заряженных положительно с телами, заряженными отрицательно, электрическая жидкость перетекает от тела с большим количеством электрической жидкости к телам с пониженным ее количеством. Это похоже на систему сообщающихся сосудов. В науку вошло устойчивое понятие электрического тока, движения электрических зарядов.

Эта гипотеза Франклина предварила электронную теорию проводимости, однако она оказалась совсем не безупречной. Французский физик Шарль Дюфе обнаружил, что в реальности есть два вида электричества, которые в отдельности подчиняется теории Франклина, однако при соприкосновении взаимно нейтрализуются. Появилась новая дуалистическая (двойственная) теория электричества, выдвинутая естествоиспытателем Робертом Симмером на основании опытов Шарля Дюфе.

При натирании, с целью электризации, электризуемых тел, заряженным становится не только натираемое тело, но и натирающее. Дуалистическая теория утверждала, что в обычном состоянии в телах содержатся два рода электрического флюида и в разных количествах, которые нейтрализуют друг друга. Объяснялась электризация изменением соотношения отрицательных и положительных электричеств в электризуемых телах.

Как гипотеза Франклина, так и гипотеза Симмера успешно объясняли электростатические явления и даже конкурировали между собой.

Изобретенный в 1799 году вольтов столб и открытие явления электролиза привели к выводам о том, что при электролизе растворов и жидкостей в них наблюдается два противоположных по направлению движения зарядов – отрицательное и положительное. Это было торжество дуалистической теории, ведь при разложении воды теперь можно было наблюдать, как на положительном электроде происходит выделение пузырьков кислорода, в то же время на отрицательном – водорода.

Но здесь не все было гладко. Количество выделяемых газов получалось разным. Водорода выделялось вдвое больше, чем кислорода. Это ставило физиков в тупик. Тогда химики еще не имели представления о том, что в молекуле воды присутствуют два атома водорода и всего один атом кислорода.

Но в 1820 году Андре-Мари Ампер в работе, представленной членам Парижской академии наук, сперва решает выбрать одно из направлений токов в качестве основного, но затем дает правило, согласно которому можно точно определить воздействие магнитов на электрические токи.

Чтобы все время не говорить о двух противоположных по направлению токах обоих электричеств, во избежание лишних повторений, Ампер решил за направление электрического тока строго принять направление движения именно положительного электричества. Так, впервые Ампером было введено до сих пор общепринятое правило направления электрического тока.

Этого положения придерживался позже и сам Максвелл, придумавший правило «буравчика», определяющее направление магнитного поля катушки. Но вопрос об истинном направлении электрического тока так и оставался открытым. Фарадей писал, что такое положение вещей лишь условно, оно удобно ученым, и помогает им ясно определять направления токов. Но это лишь удобное средство.

После открытия Фарадеем электромагнитной индукции, появилась необходимость определять направление индуцированного тока. 

Даже после открытия электрона, эта условность существует более полутора столетий. С изобретением такого устройства, как электронная лампа, с широким внедрением полупроводников, стали возникать трудности. Но электротехника, как и прежде, оперирует старыми определениями. Порой это вызывает настоящую путаницу. Но внесение коррективов вызовет больше неудобств.

Направление электрического тока в цепи и его движение

4.7

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 326.

4.7

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 326.

Электрический ток — это направленное (упорядоченное, то есть не хаотичное) движение электрически заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. Под заряженными частицами, обычно, подразумеваются электроны или ионы, а под макроскопическими (macroscopic — видимые невооруженным глазом) — крупные частицы, например, заряженные капли дождя. Ток возникает при наличии электрического поля. Разберемся с тем как определяется направление электрического тока.

Электрический ток в разных веществах

Электрический ток возникает в самых разных веществах, которые могут находиться в различных агрегатных состояниях. Рассмотрим некоторые примеры, демонстрирующие возникновение направленного потока заряженных частиц в твердых, жидких и газообразных средах:

• В металлах имеется много свободных электронов, которые являются главным источником тока;
• Электролиты — это жидкости, проводящие электрический ток. Водные растворы кислот, щелочей, солей — все это примеры электролитов. Попадая в воду молекулы этих веществ распадаются на ионы, представляющие собой заряженные атомы или группы атомов, имеющие положительный (катионы) или отрицательный (анионы) электрические заряды. Катионы и анионы образуют электрический ток в электролитах;
• В газах и плазме ток создается за счет движения электронов и положительно заряженных ионов;
• В вакууме — за счет электронов, вылетающих с поверхности металлических электродов.

Рис. 1. Примеры электрического тока в разных веществах (металлах, электролитах, газах, плазме, вакууме).

В приведенных примерах токи возникают в результате движения заряженных частиц относительно той или иной среды (внутри тел). Такой ток называется током проводимости. Движение макроскопических заряженных тел называется конвекционным током. Примером конвекционного тока могут служить капли дождя во время разряда молнии.

В каком направлении течет ток

За направление тока принято направление движения положительно заряженных частиц; если же ток создается отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считается противоположным направлению движения частиц.

Рис. 2. Направление движения тока для любой электрической цепи.

Возникает вопрос: почему не был принят очевидный вариант направления, совпадающий с направлением движения электронов? Для того, чтобы это стало понятно, надо немного окунуться в историю физики.

Почему надо знать историю физических открытий

Природу электрических явлений пытались объяснить многие исследователи задолго до открытия электрона (1897 г. ). Впервые к пониманию о существовании двух типов зарядов — положительных и отрицательных пришел американский физик Бенджамин Франклин в 1747 г. На основе своих наблюдений он предположил (выдвинул гипотезу), что существует некая “электрическая материя”, состоящая из мелких, невидимых частиц. Он же первым ввел обозначение для электрических зарядов “−” и “+”. Франклин предложил считать, что если тело наполняется электрической материей, то оно заряжается положительно, а если оно теряет электричество, то заряжается отрицательно. В случае замыкания (соединения) цепи положительный заряд потечет туда, где его нет, то есть к “минусу”. Эта плодотворная гипотеза стала популярной, получила свое признание среди ученых, вошла в справочники и учебные пособия.

Конечно, после открытия отрицательно заряженного электрона, эта “нестыковка” реального направления движения с ранее общепринятым была обнаружена. Однако, мировым научным сообществом было принято решение оставить в силе предыдущую формулировку о направлении тока, поскольку в большинстве практических случаев это ни на что не влияет.

В случае необходимости, для объяснения отдельных физических эффектов в полупроводниках и искусственных материалах (гетероструктурах), принимается во внимание настоящее направление движения электронов.

Бенджамин Франклин знаменит еще как выдающийся политический деятель, дипломат и писатель. Он является одним из авторов конституции США. В знак признания заслуг Франклина на купюре номиналом в 100 долларов с 1914 г. изображен его портрет.

Рис. 3. Изображение купюры 100 долларов США с портретом Бенджамина Франклина.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что направление тока в электрической цепи соответствует направлению движения положительных зарядов, то есть от плюсового потенциала (плюса) к минусовому потенциалу (минусу). Несмотря на то, что чаще всего электрический ток создается отрицательно заряженными электронами, выбор направления тока было решено оставить именно таким. Так сложилось исторически.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда – пройдите тест.

• Сайфулла Омаров

  5/5

Оценка доклада

4.7

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 326.

---

А какая ваша оценка?

DK Наука и техника: схемы

2. / Наука и техника

Процитировать

ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК?

КОГДА ПРОТЕКАЕТ ТОК В ЦЕПИ?

ЧТО СОЗДАЕТ ТОК В ЦЕПИ?

АККУМУЛЯТОР

КОМПОНЕНТЫ

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Электрический ток течет по петле, питая лампочки или другие электрические КОМПОНЕНТЫ. Петля представляет собой электрическую цепь. Цепь состоит из различных компонентов, соединенных между собой проводами. Ток передается по цепи источником питания, например АККУМУЛЯТОРОМ.

Таблица 26. Определения цепи

Напряжение	– это энергия, данная каждому блоку, которая течет в цепи
Современный	. точка в цепи каждую секунду
Мощность	количество электроэнергии, потребляемой цепью каждую секунду

ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК?

Электрический ток представляет собой поток электрического заряда (обычно в форме электронов) через вещество. Вещество или проводник, по которому течет электрический ток, часто представляет собой металлическую проволоку, хотя ток может также течь через некоторые газы, жидкости и другие материалы.

Цепи могут быть подключены двумя способами. В последовательной цепи ток течет к каждой лампочке по очереди. Обе лампочки горят тускло. В параллельной цепи ток делится и течет сразу к обеим лампочкам одновременно. Лампочки тогда ярче.

КОГДА ПРОИСХОДИТ ТОК В ЦЕПИ?

Ток течет только тогда, когда цепь замкнута, т. е. в ней нет разрывов. В полной цепи электроны текут от отрицательной клеммы (соединения) источника питания через соединительные провода и компоненты, такие как лампы, и обратно к положительной клемме.

ЧТО СОЗДАЕТ ТОК В ЦЕПИ?

Когда провод подсоединен к клеммам батареи, электроны текут от минуса к плюсу. Разные (противоположные) заряды притягиваются, одинаковые (одинаковые) заряды отталкиваются. Электроны имеют отрицательный заряд — они отталкиваются от отрицательного и притягиваются к положительному.

АККУМУЛЯТОР

Аккумулятор представляет собой компактный, легко транспортируемый источник электроэнергии. Когда батарея подключена к цепи, она обеспечивает энергию, которая движет электроны по току. Батареи содержат химические вещества, которые взаимодействуют друг с другом, разделяя положительный и отрицательный заряды.

ЧТО ВНУТРИ БАТАРЕИ?

Батарея состоит из одной или нескольких секций или элементов. Внутри каждой ячейки два химически активных материала, называемых электродами, разделены жидкостью или пастой, называемой электролитом. Маленькие батареи могут иметь только одну ячейку. Большие, мощные батареи могут иметь шесть ячеек.

КАК РАБОТАЕТ БАТАРЕЯ?

Внутри элемента электролит вступает в реакцию с электродами, заставляя электроны перемещаться через электролит от одного электрода к другому. Один электрод получает отрицательный заряд, а другой положительный заряд. Два электрода являются положительными и отрицательными клеммами.

КОМПОНЕНТЫ

Различные объекты, составляющие цепь, называются компонентами. Цепь должна иметь источник питания, например батарею, и ток течет по проводнику, например по проводу. Лампочки, зуммеры и двигатели — это компоненты, которые превращают электричество в свет, звук и движение.

СТИМУЛ СЕРДЦА

Батарея и другие компоненты искусственного кардиостимулятора посылают электрические импульсы по проводам к сердцу пациента, чтобы поддерживать его стабильное биение. Кардиостимулятор устанавливают, когда сердце не бьется стабильно самостоятельно.

ЧТО ТАКОЕ ПРОВОДНИК?

Материал, хорошо проводящий ток, называется проводником. Металлы являются хорошими проводниками, потому что атомы металлов легко выделяют электроны для переноса тока. Серебро и медь являются лучшими проводниками, и большинство электрических проводов сделаны из меди. Во избежание поражения электрическим током провода покрыты изолятором.

ЧТО ТАКОЕ ИЗОЛЯТОР?

Некоторые материалы плохо проводят ток. Говорят, что они сопротивляются (противостоят) потоку тока. Материалы, которые делают это, называются изоляторами. Пластмассы, стекло, резина и керамика являются хорошими изоляторами. Изоляторы используются для покрытия проводов и компонентов, чтобы предотвратить поражение электрическим током и предотвратить протекание тока.

КАК РАБОТАЕТ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ?

Выключатели похожи на ворота, которые контролируют поток электричества в цепи. Когда переключатель разомкнут, он создает разрыв в цепи, и ток не будет течь. Когда он замкнут, он замыкает цепь, и по нему течет ток. Переключатели используются в параллельных цепях для включения и выключения различных частей цепи.

КАК ПОДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ?

Большая часть электричества, которое мы используем дома и на работе, вырабатывается машинами на электростанциях, называемыми генераторами. Генераторы посылают электрический ток через огромную сеть цепей и проводов в дома, офисы и другие здания.

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Химия

Электричество

Электроснабжение

Электромагнетизм

Copyright © 2007 Dorling Kindersley

DK Science & Technology: электромагнетизм

DK Science & Technology: Electromagnetism

DK Encolopedia: Science & Technology

. Для большинства людей электричество — это таинственная сила, которая каким-то волшебным образом появляется, когда мы щелкаем выключателем или подключаем электроприбор. Тем не менее, хотя наука о потоке электричества очень сложна, основы электрического потока или тока

, легко понять, если вы изучите некоторые ключевые термины и функции. Это также помогает сравнить поток электричества по проводам с потоком воды по трубам. Хотя аналогия не идеальна, многие характеристики электрического потока в проводах цепи аналогичны потоку воды в водопроводной системе.

Вот что вам нужно знать о том, как течет электричество.

• 01 05

  Движущиеся электроны

  Шариф Тарабай / Getty Images

  То, что мы называем электрическим током, происходит на уровне частиц между атомами проводящего материала — в бытовой цепи это медная проводка. В каждом атоме есть три типа частиц: нейтроны, протоны (несущие положительный электромагнитный заряд) и электроны (несущие отрицательный заряд). Важнейшей частицей здесь является электрон, поскольку он обладает уникальной способностью отделяться от своего атома и перемещаться к соседнему атому. Этот поток электронов создает электрический ток — скачок отрицательно заряженных электронов от атома к атому.

  Как работают генераторы

  Что приводит электроны в движение? Физика сложна, но, по сути, электрический ток в проводах цепи возможен благодаря генератору коммунальных услуг (турбине, питаемой ветром, водой, атомным реактором или сжиганием ископаемого топлива). В 1831 году Майкл Фарадей обнаружил, что электрические заряды возникают, когда проводящий электричество материал (металлическая проволока) перемещается в магнитном поле. Это принцип, по которому работают современные генераторы: турбины, приводимые в действие падающей водой или паром, создаваемым ядерными реакторами, вращают огромные витки металлической проволоки внутри гигантских магнитов, тем самым создавая электрические заряды.

  При установлении этого массивного электрического поля положительных и отрицательных зарядов электроны в проводах по всей энергосистеме начинают действовать и начинают течь в ритме с электрическим полем. Когда вы щелкаете выключателем, включаете лампу или тостер, вы на самом деле подключаетесь к огромному потоку электронов, который вытягивается и выталкивается коммунальными генераторами, которые могут быть в сотнях миль от вас.

  Электрические генераторы иногда сравнивают с водяными насосами — они не производят электричество (точно так же, как водяной насос не создает воду), но они делают возможным поток электронов.

• 02 05

  Ток = Поток электроэнергии

   Виктор Де Шванберг/Science Photo Library/Getty Images

  Термин ток относится к простому потоку электронов в цепи или электрической системе. Вы также можете сравнить электрический ток с количеством или объемом воды, протекающей по водопроводной трубе. Электрический ток измеряется в амперах или амперах.

  Переменный ток в сравнении с постоянным током

  Электрический ток бывает двух видов: переменный ток (AC) и постоянный ток (DC). Технически постоянный ток течет только в одном направлении, а переменный ток меняет направление. Говоря повседневным языком, переменный ток — это форма электричества, создаваемого генератором, который питает освещение, приборы и розетки в вашем доме, а постоянный ток — это форма энергии, обеспечиваемая батареями. Например, ваши фонарики — это системы постоянного тока, в то время как в домашних розетках используется система переменного тока.

  Многие возобновляемые источники энергии, такие как солнечные и ветряные генераторы, производят электричество постоянного тока, которое преобразуется в переменный ток для использования в домашних условиях. Аккумулятор автомобиля представляет собой систему постоянного тока, используемую для запуска двигателя, но как только двигатель запускается, электрическая система автомобиля имеет генератор переменного тока, который начинает создавать переменный ток для работы различных систем.

• 03 из 05

  Напряжение = Давление

  Марек Ягода / EyeEm / Getty Images

  Напряжение, также известное как электродвижущая сила часто определяется как давление электронов в системе. Его можно сравнить с давлением воды в трубе. Стандартные электрические цепи в вашем доме имеют напряжение около 120 вольт (фактическое напряжение может варьироваться от 115 до 125 вольт) или 240 вольт (фактический диапазон: от 230 до 250 вольт). Большинство осветительных приборов и розеток питаются от цепей на 120 вольт, в то время как сушилки, плиты и другие крупные приборы обычно используют цепи на 240 вольт.

• 04 из 05

  Мощность = Скорость потока

  Том Чанс / Getty Images

  Термин «мощность» относится к скорости 90 195, с которой электрическая энергия рассеивается, 90 196 или потребляется. Общее количество электроэнергии, потребляемой электрической системой в вашем доме, считывается с помощью электросчетчика коммунальной компании. Она измеряется в киловатт-часах или 1000 ватт-часов, и именно так вам выставляется счет.

  Каждое электрическое устройство, такое как светильник или электроприбор, имеет коэффициент использования, измеряемый в ваттах. Например, 100-ваттная лампочка, горящая 10 часов, потребляет один киловатт-час электроэнергии.

  Амперы, вольты и ватты существуют в математической зависимости друг от друга, выражаемой следующим образом: Вт = Вольт x Ампер

  Если прибор рассчитан на 120 вольт и 10 ампер, он будет потреблять до 1200 ватт во время работы: 120 вольт x 10 ампер = 1200 ватт.

• 05 05

  Ом = сопротивление

  Стэнли К. Патц / Getty Images

  Ом является измерением сопротивления потоку электронов через проводящий материал. Чем выше сопротивление, тем меньше поток электронов. Это сопротивление вызывает выделение определенного количества тепла в цепи. Например, фен дует горячим воздухом из-за сопротивления внутренней проводки, которая выделяет тепло. И именно сопротивление в крошечных проводах лампы накаливания заставляет ее нагреваться и светиться. Это также сопротивление, которое может привести к перегреву удлинителя, если он используется с прибором, который потребляет слишком много тока.