Электрический ток в металлах

Мы уже знаем, что в твёрдом состоянии частицы в телах расположены в определённом порядке, который называется кристаллической решёткой.

Металлы, как мы помним, являются хорошими проводниками, поскольку в пространстве между положительными ионами, двигаются свободные электроны. На прошлом уроке мы уже узнали, что эти электроны двигаются беспорядочно, до тех пор, пока в металле не возникнет электрическое поле.

Итак, ток в металлах обусловлен упорядоченным движением свободных электронов. Из бытового опыта мы знаем, что если нажать на выключатель в комнате, то лампочка загорается мгновенно. Означает ли это, что электроны способны двигаться настолько быстро? Не совсем так: сами электроны преодолевают несколько миллиметров за секунду, однако, электрическое поле распространяется по всему проводнику практически мгновенно. Лампочка загорается сразу после нажатия на выключатель, потому что в самой спирали лампочки уже есть электроны, нужно только упорядочить их движение. Как только это происходит, через лампочку начинает проходить электрический ток, и мы видим свет.

Движение электронов и распространение электрического тока часто сравнивают с течением воды. Действительно, существует не одно сходство: например и ток, и вода идут по пути наименьшего сопротивления. Вода всегда огибает камень, а ток всегда стремиться пойти по пути, на котором стоит резистор с наименьшим значением. Также, мы знаем, что и вода начинает течь, едва мы только откроем кран. Это не означает, что вода мгновенно переместилась к нам в квартиру из водонапорной башни. Просто водонапорная башня создаёт давление, в результате чего, вода заполняет все каналы водопроводной системы. Как только мы поворачиваем кран, вода под давлением вытекает из него. Также, когда мы нажимаем на выключатель, цепь замыкается, и электрическое поле попадает в лампочку, где уже находятся электроны. Поэтому распространение электрического поля происходит со скоростью, сравнимой со скоростью света. Исходя из размеров Земли, можно утверждать, что ток распространяется практически мгновенно на любые земные расстояния.

Упражнения.

Задача 1. Проходит ли ток через металлический стержень, лежащий на столе?

Нет. Ведь стержень не находится под влиянием электрического поля, а, значит, движение свободных электронов беспорядочно. Суммарный заряд положительных частиц равен суммарному заряду отрицательных частиц, поэтому стержень электрически нейтрален.

Задача 2. Допустим, мы смогли каким-то образом сосредоточить положительные частицы на одном стержне, а отрицательные частицы — на другом стержне. Если эти стержни соединить проводником, возникнет ли в нём ток?

Конечно, ведь между стержнями создастся электрическое поле, которое упорядочит движение свободных электронов в проводнике. А упорядоченное движение свободных электронов — это и есть электрический ток.

Задача 3. Кабель соединяет станцию и дом, находящийся в 10 км от этой станции. Скорость свободных электронов составляет 5 мм/с. Через какое время ток дойдёт от станции до дома?

Ток дойдёт до дома мгновенно, поскольку под скоростью тока подразумевается распространение электрического поля, поэтому скорость движения отдельных электронов не имеет значения. Даже если мы возьмем за скорость распространения электрического поля только 80% скорости света, мы всё равно получим ничтожное маленький промежуток времени.