Электрический ток. Источники электрического тока. Электрическая цепь. Сила и направление электрического тока

На столе одна и та же цепь: батарея, лампа, ключ и провода. В одном случае лампа не светится, в другом — светится. Изменилась только одна деталь: положение ключа.

Это учебная визуализация. Наблюдение выполняют на реальной проверенной установке под руководством учителя.

Сначала сделай прогноз: почему замыкание ключа меняет состояние всей цепи, а не только участка рядом с ключом? К концу урока ты составишь паспорт рабочей цепи и проверишь его расчётом.

Безопасность. Используй только учебный источник 1,5–4,5 В. Цепь собирают при разомкнутом ключе, источник подключают последним, а замыкают цепь только после проверки учителем. Не соединяй полюса источника напрямую, не используй розетки и не разбирай элементы питания.

Что называют электрическим током

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц.

В металлическом проводнике свободными носителями заряда являются электроны. Без электрического поля их движение остаётся беспорядочным. Поле придаёт движению небольшую направленную составляющую — возникает ток.

Для устойчивого тока нужны одновременно три условия:

1. Свободные носители заряда.
2. Электрическое поле, действующее на заряды.
3. Замкнутый проводящий путь.

Если путь разорван, носители заряда в проводах не исчезают, но устойчивого направленного движения по всей цепи нет.

Источник поддерживает условия для тока

Изображение выше — модель, а не фотография внутреннего микромира батареи. Источник тока разделяет положительные и отрицательные заряды и за счёт превращения другого вида энергии поддерживает электрическое поле в цепи.

Батарея не производит новые электроны и не «наполняет» ими пустые провода. Свободные электроны уже есть в металле. После замыкания электрическое поле быстро перераспределяется так, что возникает направленное движение зарядов по замкнутой цепи.

Примеры источников: гальванический элемент, аккумулятор, генератор, солнечный элемент. Их устройство различается, но учебная роль одинакова: поддерживать разделение зарядов и условия для тока.

Электрическая цепь — замкнутый путь

Визуал помогает назвать элементы. Реальный опыт проводят только с проверенным низковольтным комплектом.

В простейшей цепи есть четыре функциональных элемента:

Проследи путь пальцем, не касаясь установки: от одного полюса источника через провод, ключ, лампу и второй провод обратно к другому полюсу. Если путь непрерывен, цепь замкнута.

Протокол наблюдения

По яркости лампы без измерительного прибора нельзя надёжно определить численное значение силы тока.

Направление тока и движение электронов

За направление электрического тока условно приняли направление, в котором двигались бы положительные заряды. Во внешней цепи оно направлено от положительного полюса источника к отрицательному:

$${+}\;\longrightarrow\;{-}.$$

В металлическом проводнике электроны имеют отрицательный заряд и движутся в противоположную сторону:

$${-}\;\longrightarrow\;{+}.$$

Это не противоречие. Первая стрелка — принятая договорённость для направления тока, вторая — направление движения конкретных носителей заряда в металле.

Сила тока: сколько заряда проходит за секунду

Синие сферы — условные маркеры перенесённого заряда, а не изображение атомов или масштабная картина провода. Мысленно проведём поперечное сечение проводника. Пусть за время $t$ через него прошёл заряд, модуль которого равен $q$. Сила тока показывает, какой заряд проходит через сечение за единицу времени:

$$I=\frac{q}{t},$$

где $I$ — сила тока, $q$ — прошедший заряд, $t$ — время.

Единица силы тока — ампер:

$$1\ \text{А}=1\ \frac{\text{Кл}}{\text{с}}.$$

Это означает: ток силой $1\ \text{А}$ переносит через выбранное сечение заряд $1\ \text{Кл}$ за $1\ \text{с}$.

Разобранный пример

Через сечение проводника за $4\ \text{с}$ прошёл заряд $12\ \text{Кл}$. Найди силу тока.

$$I=\frac{q}{t}=\frac{12\ \text{Кл}}{4\ \text{с}}=3\ \text{А}.$$

Смысл ответа: каждую секунду через выбранное сечение проходит заряд $3\ \text{Кл}$.

Проверка единицы:

$$\frac{\text{Кл}}{\text{с}}=\text{А}.$$

Проверь себя

Задание 1. Паспорт цепи

Для цепи «источник — провода — лампа — ключ» запиши:

• что поддерживает электрическое поле;
• что создаёт замкнутый путь;
• что преобразует энергию;
• что изменится при размыкании ключа;
• куда условно направлен ток во внешней цепи;
• куда движутся электроны в металлических проводах.

Задание 2. Расчёт

За $5\ \text{с}$ через сечение проводника прошёл заряд $20\ \text{Кл}$. Найди силу тока и объясни ответ словами.

Задание 3. Сравнение

В цепи A за $3\ \text{с}$ прошёл заряд $9\ \text{Кл}$, а в цепи B за $4\ \text{с}$ — $8\ \text{Кл}$. Где сила тока больше?

Как работает фонарик

Кнопка фонарика выполняет роль ключа. При включении контакты замыкают путь от источника через лампу и обратно к источнику. Найди на модели источник, проводящий путь, потребитель и ключ. Изображённая синяя линия — учебное выделение контура, а не светящийся провод внутри реального фонарика.

Частые ошибки

• «Электроны рождаются в батарее и исчезают в лампе». Электроны уже находятся в металлических частях цепи; источник поддерживает поле и разделение зарядов.
• «Ток доходит до лампы и заканчивается». Устойчивый ток существует по всему замкнутому контуру.
• «Ток и электроны направлены одинаково». Условное направление тока противоположно движению электронов в металле.
• «Ампер — количество заряда». Ампер равен кулону в секунду; сила тока учитывает и заряд, и время.

Выходной билет

Через сечение провода за $6\ \text{с}$ прошёл заряд $18\ \text{Кл}$.

1. Найди силу тока.
2. Объясни физический смысл ответа.
3. Укажи направление тока во внешней цепи и направление движения электронов в металлическом проводе.

Итог

• Ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Источник поддерживает электрическое поле, а замкнутая цепь создаёт непрерывный путь.
• Во внешней цепи ток условно направлен от «+» к «−»; электроны в металле движутся противоположно.
• Сила тока показывает перенос заряда за единицу времени: $I=\frac{q}{t}$, $1\ \text{А}=1\ \text{Кл}/\text{с}$.

Ответы

Задание 1. Источник поддерживает поле; провода создают путь; лампа преобразует энергию; ключ размыкает или замыкает путь. При размыкании устойчивый ток прекращается. Ток во внешней цепи направлен от «+» к «−», электроны в металле — от «−» к «+».

Задание 2.

$$I=\frac{20\ \text{Кл}}{5\ \text{с}}=4\ \text{А}.$$

Через сечение каждую секунду проходит заряд $4\ \text{Кл}$.

Задание 3.

$$I_A=\frac{9}{3}=3\ \text{А},\qquad I_B=\frac{8}{4}=2\ \text{А}.$$

Сила тока больше в цепи A.

Выходной билет.

$$I=\frac{18\ \text{Кл}}{6\ \text{с}}=3\ \text{А}.$$

За каждую секунду через сечение проходит заряд $3\ \text{Кл}$. Ток условно направлен от «+» к «−», электроны в металле — от «−» к «+».