Почему направление тока противоположно движению электронов
Перейти к содержимому

Почему направление тока противоположно движению электронов

  • автор:

Почему направление тока противоположно движению электронов

Направленное движение электрических зарядов называется электрическим током. Носителями зарядов в зависимости от типа проводника могут быть электроны и ионы. В металлических проводниках – это свободные электроны, или электроны проводимости, в гальванических ваннах, т. е. в растворах электролитов, – положительные и отрицательные ионы. Тела или вещества, в которых можно создать электрический ток, называют проводниками электрического тока. Проводниками являются все металлы, водные растворы солей или кислот, ионизованные газы.

При движении свободных заряженных частиц происходит перенос заряда. Количественной характеристикой – силой $$ I$$ тока – принято считать скорость переноса заряда через любое поперечное сечение проводника, т. е. количество заряда, перемещённого через «контрольную поверхность», на которой осуществляется подсчёт пересёкшего её заряда, в единицу времени:

где `q` – заряд, прошедший через произвольное фиксированное поперечное сечение проводника за время от `0` до `t`. Если сила тока не изменяется со временем, ток называют постоянным. Единица измерения силы тока в системе СИ называется ампером (А) (в честь А.М. Ампера – французского учёного XIX века) и вводится через магнитное взаимодействие токов.

Один ампер есть сила такого тока, поддерживаемого в двух бесконечных (очень длинных) прямолинейных параллельных проводниках ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенных на расстоянии `1`м в вакууме, при котором в расчёте на `1` метр длины проводника действует сила `F=2*10^(-7) «Н»`.

Единица измерения силы тока ампер, наряду с метром, секундой, килограммом, является основной единицей системы СИ. Единица измерения заряда кулон (Кл) является производной и вводится в соответствии с (1): один кулон – это электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока $$ 1\mathrm$$ за $$ 1\mathrm$$, т. е. $$ 1\mathrm=1\mathrm·1\mathrm.$$

За направление электрического тока принимают направление, в котором движутся положительно заряженные носители тока.

Отношение силы `I` тока к площади `S` поперечного сечения проводника называется плотностью тока:

которая равна силе тока в расчёте на единицу площади поперечного сечения.

По проводу течёт постоянный ток. Через произвольное поперечное сечение за время `t=2` мин протёк заряд `q=1,2` Кл. Найдите силу `I` тока в проводе и его плотность `j`. Площадь поперечного сечения проводника `S=0,5 «мм»^2`.

Силу тока определим по формуле (1):

плотность тока найдём по формуле (2):

Согласно модели, предложенной Нильсом Бором, в основном состоянии атома водорода электрон движется вокруг покоящегося протона по круговой орбите радиуса `r=0,53*10^(-10)` м со скоростью `v=2,2*10^6` м/с. Какой величине `I` тока эквивалентно движение электрона по орбите? Каково направление этого тока? Элементарный заряд `e=1,6*10^(-19)` Кл.

В рассматриваемой модели электрон обращается вокруг протона с периодом `T=(2pir)/v`. За `t=1` с электрон пересечёт любую контрольную поверхность, на которой происходит подсчёт переносимого заряда, `nu=1/T` раз. Тогда через эту поверхность за `t=1` с пройдёт заряд `q=e*nu`, т. е. сила эквивалентного тока в соответствии с (1) равна

Поскольку электрон – отрицательно заряженная частица, то направление рассматриваемого тока противоположно направлению движения электронов.

Направление электрического тока

Направление электрического тока принято считать от плюса к минусу генератора или источника питания, и принимается, что он протекает в металлических проводниках. Однако I образуется не только в проводниках, но и в газах и жидкостях. Атомы металлов связаны в прочную кристаллическую решетку, поэтому свободно перемещаться могут только свободные электроны; ионы остаться неподвижными. Атомы газов и жидкостей могут свободно перемещаться, поскольку не имеют прочных связей. Следовательно, носителями зарядов служат ионы и эл-ны.

Кристаллическая решетка металла, газ и жидкость

Направление движения электронов и ионов

Поэтому при определении силы тока I в газах и жидкостях, необходимо учитывать сумму положительных и отрицательных зарядов, прошедших через площадь поперечного сечения за единицу времени. Например, в металлическом проводнике I = 1 А, если через проводник за одну секунду проходят 6,28 18 эл-нов ( 1 Кл ).

Один ампер в газе или жидкости могут образовать 3,14 18 эл-нов (0,5 Кл) и столько же положительных ионов (еще 0,5 Кл). Если заряд иона вдвое превышает заряд эл-на, то потребуется в два раза меньше ионов для создания одного ампера.

Направление электрического тока в проводниках

Исторически сложилось так, что направление протекание электрического тока принято от «плюса» к «минусу», то есть от положительного к отрицательному электроду источника питания. На самом деле, если рассматривать металлический проводник, то электроны, являющиеся единственными носителями заряда, движутся от отрицательного электрода к положительном. Следовательно действительное направления тока противоположно принятому.

Направление электрического тока

Такое направление предложил Бенджамин Франклин ввиду отсутствия знаний того времени о природе носителей электрического заряда в проводниках. Портрет Бенджамина Франклина изображен на сто долларовой купюре.

Направление электрического тока в газах и жидкостях

Электроника для начинающих

В газах и жидкостях электрический ток может протекать от плюса к минусу, согласно традиционному представлению, поскольку в них может преобладать количество положительных ионов. Направление не стали изменять на «правильное», поскольку оно слишком плотно вошло в обиход.

Еще статьи по данной теме

Электрический ток

Электричество

Постоянный и переменный ток преимущества и недостатки

4 комментария
Даниил Епифанцев

Значит ли это, что у батарейки в той части где стоит + на самом деле отрицательные частице, а где минус положительные? 10.04.2020 Ответить

Конечно же нет. + батарейки это положительно заряженные ионы, а «минус» отрицательно заряженные ионы. Посмотри хорошо первое видео «Что такое электричество и как оно возникает.» 16.10.2020 Ответить

не путайте ион(положительный) с дыркой и ион(отрицательный) с электроном. Это абсолютно разные вещи. 18.11.2021 Ответить

Уважаемые комментаторы, сначала разберитесь в природе явления, потом отвечайте на вопрос.
Химические реакции с участием ионов в батарейке проходят на уровне внутренних (закрытых от внешней среды) элементов, в результате этих химических реакций поддерживается ЭДС батарейки, значит на положительном полюсе батарейки поддерживается повышенное количество электронов. Соответственно по цепи протекает электрический ток состоящий из отрицательных элементов электронов а не ионов, так как ион это атом со смещенным зарядом. Этот заряд в ионе появляется в результате потери электрона, тогда в ядре будет больше протонов чем электронов на орбите — это положительный ион. Если в атоме электронов на орбите электронов больше чем протонов в ядре — то это отрицательный ион. Но атомы не перемещаются по классическому металлическому проводнику где присутствует кристаллическая решетка. В таком проводнике перемещаются только электроны. Ионы как носители заряда могут присутствовать в электрической цепи имеющей элементы основанные на жидкостях или газах.
Полюса батарейки — это обычный металл, и плюсовой контакт батарейки насыщен обычными электронами которых больше чем на минусовом контакте. соответственно если создать замкнутую цепь то с плюсового контакта батарейки электроны будут перемещаться по проводнику к минусовому контакту этой батарейки. Значит когда мы говорим плюс у батарейки в классическом смысле это электроны с минусовым зарядом. Но благодаря Франклину, по привычке рассматриваем электрическую цепь где плюс идет к минусу. 04.04.2023 Ответить

Направление электрического тока

Подключим к пальчиковой батарейке светодиод, и если полярность окажется соблюдена правильно, то он засветится. В каком направлении установится ток? В наше время всем известно, что от плюса к минусу. А внутри батарейки, стало быть, от минуса к плюсу — ток ведь в этой замкнутой электрической цепи постоянный.

За направление тока в цепи принято считать направление движения положительно заряженных частиц, но ведь в металлах то движутся электроны, а они, мы знаем, заряжены отрицательно. Значит в реальности понятие «направление тока» — это условность. Давайте разберемся, почему в то время как электроны текут по цепи от минуса к плюсу, все вокруг говорят, что ток идет от плюса к минусу . Для чего такая несуразность?

Ответ кроется в истории становления электротехники. Когда американский государственный деятель, писатель и физик Бенджамин Франклин разрабатывал свою теорию электричества, он рассматривал его движение подобно движению жидкости, которая как-бы перетекает от одного тела к другому. Где электрической жидкости больше — оттуда она течет в ту сторону, где ее меньше.

Франклин поэтому и назвал тела с избытком электрической жидкости (условно!) положительно электризованными, а тела с недостатком электрической жидкости — отрицательно электризованными. Отсюда и пошло представление о движении электрических зарядов. Положительный заряд перетекает, словно через систему сообщающихся сосудов, от одного заряженного тела к другому.

Позже французский исследователь Шарль Дюфе в своих экспериментах с электризацией натиранием установил, что заряжаются не только натираемые тела, но и натирающие, причем при контакте заряды обеих тел нейтрализуется. Получалось, что есть на самом деле два отдельных вида электрического заряда, которые при взаимодействии друг друга нейтрализуют. Эту теорию двух электричеств развил современник Франклина Роберт Симмер, который на себе убедился в том, что в теории Франклина что-то не до конца правильно.

Шотландский физик Роберт Симмер носил по две пары чулок: утепленные шерстяные и сверху еще вторые шелковые. Когда он снимал с ноги оба чулка сразу, а затем выдергивал один чулок из другого, то наблюдал такую картину: шерстяной и шелковый чулки раздуваются, принимая как бы форму его ноги и резко слипаются друг с другом. При этом чулки из одинакового материла, как шерстяные и шелковые, отталкивались друг от друга.

Если же Симмер держал в одной руке два шелковых, а в другой — два шерстяных чулка, то когда он сближал руки, отталкивание чулков из одинакового материала и притяжение чулков из разного материала приводило к интересному взаимодействию между ними: разнородные чулки словно набрасывались друг на друга и сплетались в клубок.

Наблюдения за поведением собственных чулков привели Роберта Симмера к выводу, что в каждом теле имеется не одна, а две электрические жидкости – положительная и отрицательная, которые содержатся в теле в одинаковых количествах.

При натирании двух тел какая-то из них может перейти из одного тела в другое, тогда в одном теле окажется избыток одной из жидкостей, а в другом – ее недостаток. Оба тела станут наэлектризованными противоположными по знаку электричествами.

Тем не менее, электростатические явления успешно можно было объяснить как при помощи гипотезы Франклина, так и при помощи гипотезы двух электричеств Симмера. Эти теории некоторое время конкурировали между собой.

Когда же в 1779 году Алессандро Вольта создал свой вольтов столб, после чего был исследован электролиз, ученые пришли к однозначному выводу, что действительно в растворах и жидкостях движутся два противоположных потока носителей заряда — положительные и отрицательные. Дуалистическая теория электрического тока, хотя и не была понятна всем, все же восторжествовала.

Наконец, в 1820 году, выступая перед Парижской академией наук, Ампер предлагает выбрать в качестве основного направления тока одно из направлений движения заряда. Ему было удобно сделать так, поскольку Ампер исследовал взаимодействия токов между собой и токов с магнитами. И чтобы каждый раз во время сообщения не упоминать, что в двух направлениях по одному проводнику движутся два потока противоположного заряда.

Ампер предложил просто принять за направление тока направление движения положительного электричества, и все время говорить о направлении тока, имея ввиду движение положительного заряда . С тех пор предложенное Ампером положение о направлении тока принято повсеместно, и используется до сих пор.

Когда Максвелл разрабатывал свою теорию электромагнетизма, и решил применять правило правого винта для удобства определения направления вектора магнитной индукции, он также придерживался этого положения: направление тока — это направление движения положительного заряда.

Фарадей в свою очередь отмечал, что направление тока условно, это просто удобное средство для ученых, чтобы однозначно определять направление тока. Ленц, вводя свое Правило Ленца (смотрите — Основные законы электротехники), также оперировал термином «направление тока», имея ввиду движение положительного электричества. Это просто удобно.

И даже после того как Томсон в 1897 году открыл электрон, условность направления тока все равно сохранилась. Даже если в проводнике или в вакууме реально движутся только электроны, все равно за направление тока принимается противоположное направление — от плюса к минусу.

Простейшая электрическая цепь

Спустя уже более века с момента открытия электрона, несмотря на представления еще Фарадея об ионах, даже с появлением электронных ламп и транзисторов, хотя и появились трудности в описаниях, все равно привычное положение дел сохраняется. Так просто удобнее оперировать с токами, ориентироваться в их магнитных полях, и никаких реальных трудностей это, похоже, ни у кого не вызывает.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Khan Academy does not support this browser.

Чтобы пользоваться «Академией Хана», необходимо обновить ваш веб-браузер. Чтобы начать обновление, выберите один из предложенных ниже вариантов.

If you’re seeing this message, it means we’re having trouble loading external resources on our website.

Если вы используете веб-фильтр, пожалуйста, убедитесь, что домены *.kastatic.org и *.kasandbox.org разблокированы.

Основное содержание
Электротехника

Course: Электротехника > Модуль 1

Урок 1: Подготовка к работе
Электрический ток
Направление тока
Напряжение
Общепринятое направление электрического тока
Подготовка к изучению электротехники в «Академии Хана»
Основные электрические величины: сила тока, напряжение, мощность
Числа в электротехнике
Определение стандартных электрических единиц измерения
© 2024 Khan Academy

Направление тока

0 очков энергии
О проекте Об этом видео Транскрипция

Положительное направление электрического тока совпадает с направлением движения положительных зарядов. В металлическом проводе ток создаётся движением отрицательно заряженных электронов, поэтому положительное направление для тока противоположно направлению движения электронов. Такая договорённость возникла около 270 лет назад, когда Бенджамин Франклин обозначил электрические заряды плюсом и минусом, за 150 лет до открытия электронов. Создатели: Willy McAllister .

Вопросы Подсказки и благодарности

Хотите присоединиться к обсуждению?

Сортировать по:
Топ голосования
Пока нет ни одной записи.

Транскрипция к видео

в прошлом видео мы поговорили о том что такое электрический ток сила тока определяется как количество заряда в секунду мы рассмотрели медную проволоку где ток возникает вследствие движения электронов а также мы рассмотрели раствор соли где ток был вызван движением положительных и отрицательных ионов сквозь воображаемую преграду на которые мы считали перемещающийся заряд следующий вопрос который следует обсудить это как определить положительное направление течения тока и сейчас я скажу вещь которая может вас запутать но я постараюсь подробно ее пояснить физики договорились что положительным направлением тока считается направление движения положительных зарядов в трубке с соленой водой положительно заряженные ионы натрия движутся вправо отрицательно заряженный хлорид-ионы движутся влево и если мне надо обозначить в какую сторону течет ток то положительным направлением будет считаться вот это слева направо и то же самое справедливо для провода давайте снова перерисуем медную проволоку по этой проволоки электроны движутся справа-налево отрицательные заряды q минус движутся влево и если мне надо указать направление в котором течет ток я буду считать его направленным вправо это положительное направление тока то есть например если влево за секунду перемещается 10 электронов то мы будем считать что сила тока равна 10 положительным зарядом в секунду движущимся слева направо и вы можете спросить если в проволоке носителем движущегося заряда являются электроны почему же мы считаем ток текущем в обратную сторону корни этого вопроса лежат глубоко в истории когда-то давно бенджамин франклин вёл общепринятые нынче обозначение положительных и отрицательных зарядов но в то время никто еще не знал о существовании электронов и так бенджамин франклин в 1747 году обозначил два вида зарядов плюсам и минусам и как я уже сказал в то время он понятия не имел что такое электроны никто о них не знал электроны в 1897 году открыл английский физик джозеф джон томпсон только тогда ученые узнали об их существовании если вычесть из 2 даты первую получится сто пятьдесят лет за это время было открыто много полезных свойств и законов то есть задолго до открытия электронов физики договорились об определенном направлении тока никто тогда не знал что в действительности это движение электронов в обратную сторону и учащиеся часто спрашивают почему же после открытия электрона никто не догадался поменять направление тока ведь ничего сложного в этом нет взяли и договорились что отныне ток будет течь справа налево как я уже сказал до открытия электронов опыты с электрическим током ставились на протяжении минимум 150 лет и после этого прошло уже больше ста двадцати лет ученые уже давно привыкли к устоявшемуся обозначению если сейчас что то менять это приведет к большой путанице представьте что в россии вдруг решат что правостороннее движение это неправильно давайте все ездить по левой стороне дороги понимаете какой хаос тогда начнется до такого нововведения все привыкли к устоявшимся правилам после нововведения все со временем тоже привыкнут но переходный период может обернуться сущим кошмаром то же самое и с направлением электрического тока нет ничего страшного в том чтобы связывать его направлении с движением положительных зарядов например ионов натрия в соленой воде в частности именно так электричество проходит сквозь ваше тело поэтому движущиеся положительно заряженной частицы встречаются не так уж и редко итак мы с вами определили что такое сила тока для этого мы ставим на его пути мысленную преграду и считаем какой заряд проходит через нее в обе стороны и делим получившееся число на время наблюдения это и есть сила тока спасибо что подписывайтесь на наш канал нам очень важно знать ваше мнение если у вас возникли вопросы касательно данного видеоролика то не стесняйтесь задавать их в комментариях мы с удовольствием на них ответим

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *