1. Наличие свободных носителей заряда. Чтобы заряженные частицы двигались по веществу, они должны вообще там быть. В любом атоме есть протоны и электроны, но не все они могут свободно перемещаться, а для возникновения тока нужны именно свободные носители заряда. В металлах – это свободные электроны, которые в достаточном количестве покидают атомы, в то время как протоны прочно сцеплены с атомным ядром (см. рис. 3).

Рис. 3. Свободные заряды – электроны в металлах

Поэтому, когда речь идет о металлах, под электрическим током мы будем понимать именно движение электронов. Материалы, из которых сделаны провода во всех электрических приборах и линиях электропередач, – это металлы. Электрический ток в металлах получил широкое применение, и именно его мы и будем больше всего изучать.

Но свободные заряды есть не только в металлах: например, ионы в растворах некоторых веществ. Такие вещества, содержащие большое количество свободных зарядов, называют проводниками – они проводят ток.

Заряженные частицы в других средах

Итак, в металлах носителями тока являются свободные электроны. Есть вещества, в которых свободные электроны есть, но их не так много, как в металлах. Такие вещества называют полупроводниками. У таких веществ есть важные свойства, которые научились применять в технике: почти вся современная вычислительная техника состоит из полупроводников.

Есть вещества, которые называют электролитами. Если растворить их в воде или расплавить, то молекулы, из которых они состоят, распадаются на две заряженные части – ионы. Это такие атомы или группы атомов, в которых количество электронов больше или меньше количества протонов. Соответственно, они имеют отрицательный или положительный заряд. И, поскольку это жидкость, ионы могут свободно передвигаться по ее объему.

В газах также могут быть свободные заряженные частицы. Поскольку это газ, то все частицы будут «свободными», осталось только сделать их заряженными. Это возможно, если под каким-то внешним воздействием электроны покинут свои атомы или молекулы. Образуются свободные электроны и положительные ионы. Также свободный электрон может присоединиться к нейтральной молекуле, образуется отрицательный ион. Именно ионы являются свободными носителями для протекания тока в газах.

Кроме того, свободные заряженные частицы можно поместить в вакуум. Например, если поместить металлический провод в вакуум и нагреть его, то некоторые электроны покинут металл и будут находиться в вакууме.

О количестве свободных носителей заряда

Понятно, что чем больше количество свободных носителей заряда в веществе, тем лучше оно проводит ток. Теоретически, если знать для каждого вещества количество свободных носителей на кубический сантиметр, то можно сравнивать проводящие свойства веществ.

Для металлов таких таблиц обычно не делают, потому что в них свободных электронов в любом случае больше, чем может проникнуть сквозь вещество проводника, там ведь тоже не свободное пространство. А вот для растворов электролитов или для ионизированного газа количество свободных носителей заряда важно, оно больше влияет на протекание тока.

Обычная вода – хороший проводник, потому что в ней растворены различные соли (дистиллированная вода плохо проводит ток). Человеческое тело на 80% состоит из воды, а также других растворов, поэтому сравнительно хорошо проводит электрический ток, из-за чего прямой контакт тела с включенным в сеть проводником опасен. Поэтому все вилки и шнуры электроприборов (а также, например, рукоятки отверток) выполнены из пластика или резины – веществ, которые практически не проводят ток, так как у них практически отсутствуют свободные носители заряда. Такие вещества, как мы уже знаем, называются диэлектриками.

Просто поднести вилку к розетке недостаточно, чтобы прибор заработал – нужен прямой контакт. Воздух – плохой проводник, в нем практически нет свободных носителей заряда. Но при определенных условиях (например, высокой влажности) может стать проводником. Тогда мы наблюдаем искрение или молнии.

Мы постоянно используем фразы: «практически не проводят ток» и «почти нет носителей заряда». Сколько это «почти»? Зависит от задачи, которую мы решаем. И в диэлектриках может быть какое-то количество свободных носителей. Но если наш прибор не способен регистрировать ток, создаваемый даже миллионом электронов в секунду, то нам все равно, будет их там 100 или 200 – для нас их «почти нет». Принято считать диэлектриками вещества, в которых свободных носителей зарядов не более 100 млн на .

2. Необходимо заставить свободные носители заряда направленно двигаться. Для этого нужно подействовать на них другими зарядами, или можно сказать по-другому: «подействовать на них электрическим полем», потому что заряды взаимодействуют посредством электрического поля. Это можно сделать, разместив с одной стороны проводника множество положительных зарядов, с другой – множество отрицательных.

Другие примеры того, как разделение создает движение

Если на одном конце проводника будет избыток положительного заряда, а на втором – отрицательного, то по проводнику потечет ток. Заряды будут двигаться так, чтобы уравняться. Когда мы говорим про избыток положительного заряда, то подразумеваем недостаток электронов. Итак, с одной стороны проводника возникает недостаток электронов, с другой – избыток. Под воздействием электрического поля движение электронов будет направлено так, чтобы выровнять этот дисбаланс.

Это общая идея: если возникает неравномерность системы по какому-либо из параметров, то, в отсутствии внешнего воздействия, система стремится к «выравниванию» этого параметра.

Например, если теплое тело соединить с холодным, то через некоторое время их температуры уравняются. Мы уже знаем, почему так произойдет: температура определяется кинетической энергией частиц. У более нагретого тела эта энергия выше, а, значит, частицы в среднем обладают более высокой скоростью движения. Они более активно двигаются, соударяются с менее подвижными частицами холодного тела и передают им часть своей энергии. В результате средняя скорость молекул обоих тел будет выравниваться, пока не достигнет некоторого равновесного значения.

Проверим, будет ли достаточно выполнения этих двух условий. Да, мы получим электрический ток. Но пользы от него будет немного, поскольку он практически сразу прекратится: электроны распределятся по проводнику (см. рис. 4).

Рис. 4. Распределение зарядов в проводнике под действием электрического поля

В итоге общий заряд как с одной, так и с другой стороны проводника станет равным нулю, электрическое поле исчезнет. Соответственно, прекратится электрический ток. Поэтому для длительного протекания электрического тока необходимо создать и поддерживать электрическое поле, для этого нужно постоянно разделять заряды. Выделяют третье условие существования электрического тока: замкнутая цепь.

Устройства, которые обеспечивают разделение зарядов, называются источниками электрического тока. Источники тока постоянно разделяют электрические заряды, поэтому электрическое поле не исчезает. Разделенные заряды накапливаются на полюсах источника: отрицательном и положительном. В зависимости от того, за счет какой энергии происходит разделение зарядов, выделяют разные виды источников тока:

- К механическим источникам тока относится электрофорная машина (см. рис. 5).

Рис. 5. Электрофорная машина

Используется принцип электризации влиянием, когда присутствие электрического заряда рядом с проводником разделяет заряд в этом проводнике. При вращении подвижной части этот наведенный заряд переходит на накопитель, и далее процесс повторяется. Эта машина сейчас используется в основном для демонстрации физических явлений.

- К тепловым источникам тока относится термоэлемент. Принцип их работы основан на том, что разность температур в разных областях проводника заставляет электроны двигаться так, что заряды распределяются. Чаще всего термоэлементы применяются в различных датчиках температуры.

- К световым источникам относятся фотоэлементы. В них заряды разделяются при поглощении фотоэлементом энергии светового излучения. Из множества фотоэлементов состоят солнечные батареи. Также фотоэлементы используются в датчиках освещения.

- К химическим источникам относятся гальванические элементы и аккумуляторы. В них накопление и перенос заряда сопровождается переносом вещества и химическими реакциями. Несколько гальванических элементов, составленных вместе, называются батареей гальванических элементов, или попросту батарейкой. Батарейки и аккумуляторы имеют широкое применение: от бытовых приборов до аппаратуры на спутниках.

Основной источник электроэнергии – это электростанции, к которым вы подключаетесь через сеть электропередач, когда пользуетесь розеткой. Конечно, электростанция – это не огромная батарейка. Там разделение зарядов происходит немного по-другому, используется взаимосвязь электрического и магнитного полей, но более подробно мы будем говорить об этом в старших классах.

Итак, можно выделить три основных условия существования тока: внешнее электрическое поле, наличие свободных зарядов и, естественно, замкнутый контур, по которому будут двигаться заряды.

Эти условия обеспечиваются наличием проводника и источника тока. Чаще всего электрический ток мы будем рассматривать в цепи из металлических проводников и гальванических элементов, но вы должны понимать, что на их месте может быть любой источник тока и любой вид проводника.

Действия электрического тока проявляются в различных электрических приборах, например в лампе или нагревателе. Чтобы они работали, их необходимо подключить с помощью проводников к источнику тока. Соединение источника тока с электрическими приборами (потребителями) называется электрической цепью (см. рис. 6).

Рис. 6. Электрическая цепь

Поскольку источник тока может быть любым, да и потребители могут различаться, то удобнее изображать электрическую цепь схематически. Это будет называться схемой электрической цепи, или просто электрической схемой (см. рис. 7).

Рис. 7. Схема электрической цепи

Для каждого элемента цепи есть свои обозначения (см. рис. 8).

Рис. 8. Условные обозначения некоторых элементов цепи

Мы говорили о замкнутой цепи как об условии существования тока, то есть если цепь разомкнуть, ток течь не будет. Процесс замыкания/размыкания цепи осуществляется с помощью ключа (см. рис. 9).

Рис. 9. Условное обозначение ключа