3.2.1 Сила тока. Постоянный ток

Электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах такими частицами обычно являются свободные электроны, в растворах и расплавах электролитов - ионы, в газах - ионы и электроны.

Главное в токе не просто движение частиц, а перенос электрического заряда через выбранное сечение проводника.

Сила тока

Сила тока показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Если за малый промежуток времени $\Delta t$ через сечение прошёл заряд $\Delta q$, то сила тока равна:

где:

• $I$ - сила тока;
• $\Delta q$ - заряд, прошедший через поперечное сечение проводника;
• $\Delta t$ - промежуток времени.

Единица силы тока в СИ - ампер:

То есть ток силой $1$ А означает, что через сечение проводника за $1$ с проходит заряд $1$ Кл.

Постоянный ток

Постоянный ток - это ток, сила которого не изменяется со временем:

Для постоянного тока через сечение за время $t$ проходит заряд:

Эта формула - прямое следствие определения силы тока: если каждую секунду проходит одинаковый заряд, то за большее время пройдёт пропорционально больший заряд.

Направление тока

За направление электрического тока условно принимают направление движения положительных зарядов.

В металлическом проводнике реальные носители заряда - электроны. Они имеют отрицательный заряд, поэтому при подключении проводника к источнику их направленный дрейф противоположен условному направлению тока.

Важно

Если в схеме стрелка тока направлена от плюса к минусу, это не значит, что электроны в металле движутся туда же. Электроны дрейфуют от минуса к плюсу, а направление тока выбрано по историческому соглашению.

Откуда берутся электроны в проводах

Электроны, движущиеся в металлическом проводе, не “появляются” из батарейки и не создаются заново при включении цепи. Они уже есть в металле.

У атомов металла внешние, валентные электроны сравнительно слабо связаны со своими атомами. Когда множество атомов образует металлическую кристаллическую решётку, часть валентных электронов становится общей для всего куска металла. Такие электроны называют свободными электронами или электронами проводимости.

Пока внешнего электрического поля нет, эти электроны движутся хаотически, и суммарного переноса заряда через сечение нет. Когда цепь замыкают, в проводнике возникает электрическое поле. Оно не создаёт электроны, а заставляет уже имеющиеся свободные электроны приобрести небольшой направленный дрейф. Именно этот дрейф и даёт электрический ток в металлическом проводе.

Положительные ионы кристаллической решётки металла при этом в обычной цепи не бегут по проводу вместе с электронами: они колеблются около своих положений. Поэтому в металлах перенос заряда связан главным образом со свободными электронами.

Не путать

Сила тока - это характеристика потока заряда через сечение, а не скорость отдельного электрона. Даже если направленный дрейф электронов очень медленный, заряд через всё сечение проводника может переноситься большим количеством электронов одновременно.

Также не надо смешивать этот пункт с условиями существования тока, напряжением и ЭДС. Они объясняют, почему ток поддерживается в цепи, и относятся к следующему пункту.

Коротко

• Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц.
• Сила тока: $I=\frac{\Delta q}{\Delta t}$.
• Единица силы тока - ампер: $1\text{ А}=1\frac{\text{Кл}}{\text{с}}$.
• Постоянный ток: $I=\mathrm{const}$.
• Для постоянного тока $q=It$.
• В металлах ток создают свободные электроны, которые уже есть в проводнике из-за металлической связи.