Электричество и магнетизм

Как образуется электрический ток

Для того чтобы возник поток движущихся зарядов, необходимы два условия. Во-первых, присутствие электрически заряженных частиц, или, как мы будем говорить для краткости, электрических зарядов. Причем зарядов свободных. Если положительные заряды связаны с отрицательными в нейтральные системы - атомы, то при их движении никакого электрического тока не возникнет. Во-вторых, для создания направленного движения зарядов необходима сила, действующая на них в определенном направлении, иначе такое направленное движение не возникнет. Электрическое поле обычно, но не всегда, как раз и является силой, вызывающей появление электрического тока.

Если тело содержит внутри себя достаточное количество свободных зарядов, способных без особых затруднений перемещаться под действием поля, то оно называется проводником. Если же таких зарядов в теле нет, то оно называется изолятором (диэлектриком). Если электрические заряды неподвижны (случай электростатики), то внутри проводника никакого поля нет, иначе заряды двигались бы под воздействием этого поля.

Механизм, приводящий к уничтожению электростатического поля в проводнике, прост. Если внести в электрическое поле кусок проволоки (рис. 12, а), то в первый момент поле проникает внутрь проволоки и вызывает перемещение электронов, т. е. ток. Но очень скоро этот ток прекратится. Электрические заряды будут двигаться до тех пор, пока поле внутри проводника не сделается равным нулю, так как переместившиеся заряды создадут свое поле, которое будет направлено против внешнего поля. Все заряды окажутся на поверхности проводника. Заряд внутри проводника будет равен нулю. Ведь иначе ток никогда бы не прекратился и в проводнике все время выделялось бы тепло. Это тепло можно было бы использовать для сооружения вечного двигателя.

Электрическое поле снаружи будет перпендикулярно поверхности проводника (рис. 12, б): в противном случае не прекращался бы ток по поверхности проводника. Посмотрим теперь, в каком случае по проводнику все время течет ток. Ответ очевиден. Нужно, чтобы внутри проводника все время существовало поле. А чтобы внутри проводника было поле, необходимо поддерживать разность потенциалов на концах проводника. Вот эту задачу и выполняет батарея или генератор электростанции, питающий розетку в вашей комнате. Если напряжение на концах проводника не меняется, то по нему течет постоянный ток, а если меняется, то переменный.

Пусть батарея питает телеграфную линию Москва - Ленинград. Неужели заряды на клеммах батареи способны создать поле протяженностью 600 км? Конечно нет. В момент замыкания цепи начинается довольно хитрый процесс. В первый момент после замыкания цепи электрическое поле появляется только на концах проводников. Оно вызывает смещение электронов вдоль и поперек проволоки. Перемещение электронов вдоль проволоки и представляет собой зарождение интересующего нас тока. Перемещение же поперек проволоки будет продолжаться до тех пор, пока, грубо говоря, электроны не достигнут границы проволоки и не упрутся в нее. Тогда образуются поверхностные заряды. Вот эти-то заряды, а не первичные на клеммах, создадут поле в следующем участке проводника. Там тоже произойдет смещение зарядов вдоль и поперек провода, что приведет к появлению поверхностных зарядов вдоль линии. И так далее, пока вдоль всей проволоки не появится поверхностный заряд. Этот заряд и создает внутри провода электрическое поле, строго направленное по его оси (рис. 13). В поперечном направлении поля не будет, так как в этом направлении заряды не могут перемещаться все время.

Весь процесс распространяется вдоль проводника со скоростью, лишь незначительно уступающей скорости света. Сами же электроны перемещаются медленно: примерно со скоростью от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в секунду, в зависимости от характера цепи.

Сила электрического тока и электрическое сопротивление

Постоянное электрическое поле в проводнике действует на заряженные частицы с постоянной силой. Но скорость частиц не нарастает непрерывно, как это должно было бы происходить по закону Ньютона. В металлах электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки. При этом электроны теряют приобретенную за счет поля энергию, передавая ее ионам решетки. Затем поле вновь их разгоняет. Подобные явления происходят и при прохождении тока через жидкости или газы. В результате электроны движутся с некоторой, в среднем постоянной скоростью, тем меньшей, чем больше сопротивление окружающей их среды. Это сопротивление называют электрическим сопротивлением. Наряду с напряжением на концах проводника оно определяет заряд, проходящий в 1 с через поперечное сечение проводника, т. е. силу тока.

Из всего сказанного должно быть ясно, почему проводник с током нагревается. Сталкиваясь с ионами металлического проводника, электроны передают им свою энергию. Вследствие этого увеличивается интенсивность колебаний ионов около положения равновесия. А чем с большей скоростью колеблются ионы, тем выше температура. Ведь температура тела не что иное, как мера интенсивности хаотического движения частиц, из которых это тело в основном состоит.