Электрический ток. Сопротивление. Треугольник - Звезда

Электрический заряд

К сожалению, мы не можем дать строго определения понятию электрического заряда, не прибегая к понятиям, не входящим в школьный курс физики. Однако, мы можем дать описательное определение, то есть пояснить, что такое заряд на основе тех свойств, которыми он обладает.

0) Заряд это скалярная физическая величина, измеряемая в Кулонах (Кл).

1) Заряд бывает двух разных видов (сейчас они называются положительным и отрицательным зарядами).

2) Одноимённые заряды (заряды одного знака) отталкиваются, а разноимённые притягиваются.

3) Заряд аддитивен. То есть заряд тела равен алгебраической сумме зарядов его частей.

4) Заряд квантуется. То есть величина любого заряда q равна ke , где k \in \mathbb Z, а e это заряд электрона.

Прежде чем продолжать обсуждение заряда, стоит поговорить о протонах, нейтронах и электронах.

Составляющие атома

Все вещества состоят из молекул, которые, в свою очередь, состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов и электронов. Ранее эти частицы считались фундаментальными (то есть неделимыми), однако, сейчас известно, что протоны и нейтроны также состоят из более мелких частиц, называемых кварками.

Протоны и электроны имеют одинаковый по модулю, но разный по знаку заряд: электроны – отрицательный, а протоны – положительный. Модуль этого заряда называется элементарным зарядом и равен 1.6 \cdot 10^{-19} Кл. Заряд нейтрона равен 0.

Нейтроны и протоны составляют ядро атома, вокруг которого, по некоторым орбитам вращаются электроны. Электронов и протонов в атоме, в нормальном состоянии, поровну, поэтому, обычно, атом, как целое, не заряжен.

1.2 Массы протонов и нейтронов почти одинаковы, и каждая из них много больше массы электрона. То есть, наиболее просто <<оторвать>> от атома именно электрон – он лёгкий и находится дальше от центра, чем протоны и нейтроны.

Интересный факт

Впервые предположение о том, что все вещества и тела состоят из неких очень маленьких неделимых частиц было сформулировано ещё в древней Греции, в V веке до Н. Э. Слово <<атом>> и происходит от др. греч. \alpha \tau o \mu o \varsigma – <<неделимый, неразрезаемый>>. Впоследствии, оказалось, что частица, которую назвали атомом, делится на более мелкие, однако название менять уже не стали.

Носители электрического заряда

Атомы в своём естественном состоянии электронейтральны, то есть их заряд равен 0. При этом, несомненным фактом является то, что заряды могут быть перераспределены в пространстве. Значит, существуют какие-то частицы, отличные от атомов, которые способны перемещаться самостоятельно и при этом, имеют заряд. Такие частицы называют носителями электрического заряда.

Носители бывают, в основном, двух типов: свободные электроны и ионы. Свободные электроны это электроны, перемещающиеся отдельно от атомного ядра, а ионы, это атомы, которые имеют избыток или недостаток <<прикреплённых>> электронов, которые и обеспечивают им заряд. В случае избытка – отрицательный, в случае недостатка – положительный.

Проводники

Какие носители задействованы в том или ином случае зависит от проводника. Проводник это материал, содержащий носители заряда. Они делятся на два типа:

Проводники первого типа (чаще всего металлы) это проводники, носителями заряда в которых являются свободные электроны.

Проводники второго типа (электролиты) это проводники, носителями заряда в которых являются ионы.

Мы ещё вернёмся к проводникам, когда уже сможем решить, какими именно качествами должны обладать проводники с точки зрения физики.

Электрический ток

Электрический ток это направленное и упорядоченное движение носителей заряда. Каждое слово в этом определении важно, так как хаотическое движение носителей заряда происходит всегда и в любом теле, однако током это не считается и совершенно оправдано.

1.3 Как видно, направлением тока считается направление, в котором перемещаются положительные заряды. Если носителями (как на рисунке) являются свободные электроны, то направление тока и направление движения электронов противоположны.

Основной характеристикой тока является сила тока. Это скалярная физическая величина, численно равная отношению заряда, прошедшего через некоторое сечение проводника к малому промежутку времени, потребовавшемуся на прохождение заряда. Иначе говоря I = \frac{\Delta q}{\Delta t}. Сила тока измеряется в Амперах (А). 1 A = 1 \ Кл/ 1 \ с. Ампер является одной из основных единиц СИ.

Постоянный ток это ток, неизменный по направлению и величине силы тока. Именно такой ток мы будем изучать на протяжении курса.