Попри те що фізика вважається точною наукою, яка підтверджує теорії експериментами, напрямок електричного струму прийняли умовно. Річ у тому, що механізм руху носіїв зарядів залежить від ряду властивостей провідника. Причому в перенесенні енергії беруть участь як позитивні частинки, так і негативні. Але для зручності проведення досліджень було обрано напрямок течії від плюса до мінуса.
Загальні відомості
Основою фізичного тіла є його кристалічна решітка. Складається вона з вузлів, званих атомами. Вони, своєю чергою, включають позитивно заряджені протони і нейтрони. Навколо ядра по орбіталях обертаються електрони. Це частинки, що володіють негативним зарядом. Між частинами решітки існує зв’язок. Обумовлена вона електричними силами.
Енергетичний стан тіла, на яке не виявляється зовнішній вплив, можна описати як рівноважний. Тобто заряди, якими володіють електрони і протони, компенсують один одного. Але поряд з цим в різних тілах, званих провідниками, існують вільні частинки. В якості їх виступають електрони, які не мають зв’язку з атомами.
Якщо на тіло не виявляється вплив, негативно заряджені частинки хаотично переміщаються в тілі. Ніяких сил або явищ не виявляється. Але якщо до тіла прикласти зовнішній вплив, наприклад, деформувати або внести під дію електромагнітного поля, хаотичний рух електронів перетворюється в упорядковане. Вільні носії зарядів починають рухатися в одному напрямку, тим самим змінюючи потенціал в точках. З’являється електричний струм.
Це величина описується двома характеристиками:
- скалярної – сила струму;
- векторної – густини струму.
У міжнародній системі одиниць сила струму вимірюється в амперах (A). Залежить вона від різниці потенціалів і опірності тіла течією носіїв зарядів. По суті, вона визначається відношенням кількості минулих заряджених частинок через поперечний переріз матеріалу за одиницю часу:
I = Δ Q/Δt
Густина ж струму визначає значення сили, що протікає через одиничну поверхню:
j = I/S
Якщо струм протягом часу не змінюється за величиною, його називають постійним. В іншому випадку – змінним. Для другого виду ще кажуть, що струм тече по гармонійному закону. Найчастіше для опису змінного струму використовують синусоїдальну функцію. Постійний сигнал виникає з гальванічних елементів або динамо-машин, а змінний видають генератори.
Сутність електрики
Випадковий рух електронів в тілі існує завжди. Називається воно тепловим. Через те, що електрон має маленьку масу, швидкість руху носія заряду досить висока. При кімнатній температурі вона становить приблизно 100 км/с.створити спрямований рух, отримати струм, можна і самостійно за допомогою простих предметів.
Для цього знадобиться приготувати:
- 2 електрометри – пристрої, що дозволяють виявляти електричні заряди.
- Провідник.
- Лист пластику.
- Папір.
Після тертя паперу об пластик відбудеться електризація предметів. На них почнуть накопичуватися заряди одного знака. Це можна перевірити, піднісши пластиковий лист до замкнутих провідником електрометрів. Стрілки на приладах відхиляться в одну і ту ж сторону. Відбувається це через скупчення носіїв частинок. Якщо прибрати провідник, заряди не зможуть повернутися, тобто обидва електрометри залишаться зарядженими.
Перевірити, який заряд знаходиться в пристроях, можна за допомогою ебонітової палички. Відомо, що якщо її потерти об шовк, на ній накопичуються негативні частинки. Піднісши її до електрометрів, можна виявити, що на одному стрілка повернеться в початковий стан, а на другому відхилиться ще більше. Іншими словами, перший пристрій буде характеризуватися надлишком електронів, а друге — їх недоліком.
Тепер якщо з’єднати 2 протилежно заряджених електрометра провідником, стрілки повернуться до нуля. Подія можна пояснити існуванням електричного поля. Під його дією елементарні носії зарядів починають рухатися в провіднику. З місця, де їх більше, вони переміщаються туди, де їх менше. Це і є спрямований рух електрозарядів, тобто електричний струм.
Отже, при з’єднанні провідником протилежно заряджених предметів виникає спрямований рух електронів. Про існування електричного струму вчені дізналися в кінці XVIII столітті.
Але електрони були відкриті тільки в XIX столітті (1897 рік). Фізики, коли отримали електрострум, розуміли, що відбувається рух зарядів, але яка їх природа, не знали, тому вирішили приймати за напрямок електричного струму рух позитивних частинок. Це рішення, як з’ясувалося надалі, виявилося не зовсім коректним.
Джерела струму
Щоб існував електричний струм, потрібно створити ряд умов. Причому він повинен не просто бути, а протікати тривалий час, тобто не пропадати миттєво. Існують матеріали, в яких частинки не мають можливості рухатися. Це пов’язано з їх сильною міжатомною взаємодією і відсутністю вільних носіїв зарядів. Такі речовини називаються діелектриками. В якості їх прикладів можна привести пластмаси, дистильовану воду, сухе дерево, полівінілхлорид, гуму.
Необхідні умови можна представити в наступному вигляді:
- Наявність вільних носіїв. У металі це електрони, в рідинах — позитивні і негативні іони.
- Утворення електричного поля. Створюється воно зарядами як мають знак плюс, так і мінус.
- Створення кругового руху зарядів. Наприклад, в твердому тілі необхідно забезпечити повернення електрона. Сам по собі він повернутися не може. Пов’язано це з тим, що однойменні частинки відштовхуються один від одного. Електрична сила, що діє на нього, спрямована в бік позитивних зарядів. Саме вона змушує рухатися заряди, але і заважає їм повернутися, тому слід докласти сторонню силу, спрямовану протилежно електричної.
Природа такого впливу може бути різною, але в будь-якому випадку повинна відбуватися робота по перенесенню зарядженої частинки. Пристрої, в яких з’являється стороння сила, називають джерелами струму. Вони можуть бути хімічними, механічними, тепловими і світловими. В основі їх дії лежить здатність перетворювати різного роду енергію в електрику. Наприклад, гальванічна і сонячна батарея.
Завдяки тому, що сторонні сили переміщують заряди, виходить, що на одному кінці виникає надлишок негативних зарядів, а на іншому позитивних, тому з джерела струму виводять як мінімум 2 провідники. Називають їх полюсами.
Причому один з них плюсової, а інший мінусової. При їх замиканні відбувається інтенсивна передача енергії. При цьому сила струму досягає свого найбільшого значення. Знову ж умовно приймається, що рух зарядів походить від плюсового виведення до мінусового.
Потік струму в електроланцюзі
Електричний ланцюг призначений приносити користь. Наприклад, запалювати світло, змушувати крутитися двигун, обігрівати приміщення за допомогою спіральних нагрівачів. Але в принципі, яка буде користь від електрики неважливо, головне, що воно підводиться до споживачів.
Таким чином, найпростіша електроланцюг складається з трьох частин:
- джерела – елемента, що створює електричне поле;
- провідника – речовини, що забезпечує замкнутість ланцюга для проходження струму;
- споживача – навантаження, що перетворює електроенергію в корисну роботу.
Куди і як буде в простій ланцюга йти струм, здогадатися нескладно. Він буде текти від позитивного полюса джерела напруги, проходити через навантаження і надходити на негативний висновок. Але реальні електричні ланцюги зазвичай містять набагато більше елементів. Їх найбільша кількість визначається потужністю джерела струму. Адже якщо споживання перевищить генерацію, енергії просто не вистачить на здійснення корисної роботи.
Зображати ланцюг прийнято за допомогою електричної схеми. Вона складається з гілок, вузлів і умовних зображень радіоелементів. За допомогою неї фахівцеві легко зрозуміти призначення ланцюга, в яких точках буде та чи інша напруга і сила струму.
Слід знати, що під гілкою розуміють ділянку, що складається з будь-якої кількості елементів, через які протікає один і той же струм. Причому підходячи до вузла – точки, що позначає контакт провідників, він розподіляється.
Одна частина його тече по одній гілці, а інша – по іншій. Кількість протікають зарядів визначається загальним опором ланцюжка, тому сила струму і падіння напруги на ділянках будуть різними.
Наприклад, можна розглянути просту задачу, розраховану на учнів сьомих класів. На малюнку наведена схема. Потрібно визначити напрямок струму на всіх ділянках. Щоб правильно вирішити завдання, необхідно вказати полюса в джерелі струму. Потім від плюса розставити стрілки, щоб вони в підсумку показували шлях до мінуса. При цьому в вузлах схеми потрібно відзначити місця, де електричний струм розходиться або, навпаки, сходиться.
