Электрический ток в металлических проводниках

Во всяком металлическом проводнике имеется громадное количество беспорядочно движущихся электронов. Если обозначить направление движения каждого электрона стрелкой, то беспорядочное движение электронов в проводнике можно изобразить так, как это сделано на рис. 1.

Рисунок 1. Беспорядочное движение электронов в проводнике

Показанная на рис. 1 картина резко изменится, если металлический проводник внести в электрическое поле (будем называть это поле внешним). Мы уже знаем, что электрон под действием сил электрического поля перемещается от точек с меньшим потенциалом к точкам с большим потенциалом. Значит, свободные электроны начнут перемещаться в одном направлении, причем каждый из них в отдельности будет совершать беспорядочное движение. Движение свободных электронов в этом случае напоминает полет пчелиного роя: отдельные пчелы перемещаются в самых различных направлениях, а весь рой летит в какую-то определенную сторону.

В результате перемещения электронов на одном конце проводника образуется их избыток, а на другом — недостаток. Проводник перестанет быть нейтральным. Электрическое поле, созданное проводником (внутреннее электрическое поле), нейтрализует действие внешнего электрического поля. Движение электронов, а значит, и электрический ток в проводнике прекратятся. Заметим, что в рассмотренном случае электрический ток в проводнике существует доли секунды, так как перераспределение электронов происходит очень быстро.

Определение: Упорядоченное, т. е. направленное в одну сторону, движение электронов в металлическом проводнике называется электрическим током.

Следовательно, электрический ток в металлическом проводнике — это одна из форм движения материи, проявляющаяся в механическом перемещении мельчайших электрически заряженных частиц материи — электронов.

Рассмотрим простой пример. Пусть имеются два разноименно заряженных шара (рис. 2).

Рисунок 2. Электрический ток в металлическом проводнике

Шары соединены металлическим проводником. Очевидно, что под действием сил электрического поля, существующего между шарами, свободные электроны проводника начнут перемещаться в направлении, указанном стрелкой, т. е. в проводнике возникнет электрический ток. Электроны из проводника попадут на шар А, а избыточные электроны, имеющиеся на шаре Б (шар Б заряжен отрицательно), перейдут в проводник. Вследствие этого потенциалы обоих шаров станут одинаковыми и ток в проводнике прекратится.

Сказанное хорошо иллюстрируется следующим примером (рис. 3).

Рисунок 3. Опыт с сосудами, наполненными водой и соединенными трубкой АБ. а) — разность уровней в сосудах равна нулю, движения воды в трубке А Б нет; б) — уровень воды в правом сосуде выше, чем в левом, вода в трубке АБ течет справа налево; в) — движение воды в трубке непрерывно, если искусственно поддерживается разность уровней воды в сосудах (например, при помощи насоса); г) — уровень воды в левом сосуде выше, чем в правом, вода в трубке АБ течет слева направо.

Имеются два сосуда, наполненные водой и соединенные трубкой. Если уровень воды в левом и правом сосудах одинаковый, то движения воды в трубке А Б нет (рис. 3, а). Но как только уровень воды в правом сосуде станет больше, чем в левом (рис. 3,6), вода потечет по трубке АБ справа налево. Течение воды прекратится, когда разность уровней станет равной нулю. Для того чтобы вода протекала в трубке АБ непрерывно, нужно искусственно, затрачивая некоторую энергию, поддерживать разность уровней в сосудах. Это можно сделать, например, при помощи насоса (рис. 3,в). Если уровень воды в левом сосуде будет больше, чем в правом, то в трубке АБ направление движения воды будет слева направо (рис. 3,г).

Сравнивая пример с заряженными шарами (рис. 2) и пример с сосудами (рис. 3), можно сказать, что разность потенциалов соответствует разности уровней, а электрический ток — движению воды в трубке. Конечно, это только чисто внешнее сходство.

Рассмотренные два примера позволяют сделать вывод об условии непрерывного прохождения электрического тока в проводнике: электрический ток проходит по проводнику непрерывно только в том случае, если между концами проводника непрерывно поддерживается разность потенциалов.

На примере с заряженными шарами (см. рис. 2) можно хорошо уяснить разницу между скоростью движения электронов и скоростью распространения электрического тока. Известно, что скорость движения электронов составляет доли миллиметра в секунду (величина этой скорости зависит от напряженности поля под действием, которого перемещается электрон.), а скорость распространения электрического тока —300 000 км/сек. В самом деле, достаточно электрону из проводника перейти на шар А, как практически в то же мгновение электрон из шара Б перейдет в проводник. Хотя сам электрон движется сравнительно медленно, но скорость передачи движения от одного электрона к другому огромна. Вот почему при включении рубильника на электростанции практически мгновенно вспыхивают электрические лампы во всем городе.