В соответствии с классической теорией электропроводности металлов электрический ток в них обусловлен только одним видом носителей зарядов – электронами. Электрон – это отрицательно заряженная частица, которая обладает наименьшим электрическим зарядом, встречающимся в природе. Все электроны совершенно одинаковы, а вот их число и расположение в разных атомах различны. Для возникновения тока необходим источник электрической энергии и внешняя замкнутая цепь, в разомкнутой цепи тока электронов не будет. Электрическое поле, созданное источником, будет распространяться по замкнутой цепи, воздействуя с определённой силой на свободные электроны проводника. В отсутствие электрического поля свободные электроны в металле совершают хаотическое тепловое движение, не создающее направленного переноса электрического заряда. При возникновении поля, вместе с хаотичным движением, возникает и упорядоченное движение свободных электронов. Направленное движение электронов в проводниках называется электрическим током.
Электроны движутся в проводниках внешней цепи по направлению действия сил электрического поля: от отрицательного полюса источника тока (где их избыток) к положительному (где в них недостаток), такое направление электрического тока называется истинным или физическим. В самом источнике (внутренняя цепь) электроны движутся от положительного полюса к отрицательному, против действия сил электрического поля, за счёт какого-либо вида энергии, например механической (в генераторах) или химической (в аккумуляторах, гальванических элементах). Источник энергии всё время поддерживает избыток электронов на одном из полюсов, не позволяя выравниваться потенциалам полюсов.
Однако ранее, ещё до открытия электрона (1897 г.), когда не было известно, какие заряды движутся по проводнику, учёные условились под направлением электрического тока в проводниках понимать движение положительных зарядов, то есть электрический ток идет во внешней цепи от положительного полюса к отрицательному, а во внутренней – от отрицательного полюса к положительному. Полюс источника с бо*льшим потенциалом условно считается положительным, а с меньшим потенциалом - отрицательным.
Менять условно принятое направление тока было сочтено нецелесообразным, так как с таким направлением тока было уже связано много правил, положенных в основу многих электрических явлений. Таким образом, принятое направление тока в металлах противоположно направлению движения электронов. Такое направление тока называется условным или техническим.
Величина (сила) электрического тока I измеряется количеством электричества q через поперечное сечение проводника за одну секунду. I = q/t. Размерность силы электрического тока: [I] = Кулон / секунда = Ампер. [I] = К / сек = А. Сила тока характеризует скорость протекания заряда через сечение проводника.
Опытным путём американский учёный Р. Милликен (1868-1953 г.) установил, что заряд электрона е (элементарный электрический заряд) равен 1,6 х10^ -19 К. I = q/t = eN/t, где N – количество электронов, протекающее через сечение проводника за время t. При силе тока 1А через поперечное сечение проводника, независимо от площади его сечения S, за одну секунду проходит N = It/e = 1А х 1сек/1,6 х10^ -19 К = 6 250 000 000 000 000 000 электронов (625х10^16).
В неразветвлённой цепи сила тока во всех сечениях проводника одна и та же, только в однородных проводниках большего диаметра электроны будут двигаться медленнее, чем в более тонких проводах. Чем больше плотность тока j в проводнике, равная I/S, тем больше скорость направленного движения электронов (v). [j] = А/мм^2. v = I/Sen = j/en. n – количество свободных электронов в 1м^3 вещества (концентрация), [n] = 1/м^3 = м^-3. Концентрация свободных электронов в меди равна 8,5 х10^28 м^-3. Наибольшая плотность тока в медных проводниках составляет около 10 А/мм^2 или 10^7 А/м^2.
Тогда v = 10^7/1,6 х 10^ -19 х 8,5 х 10^28 ≈ 0,74 х 10^-3 м /сек = 0,74 мм /сек. Средняя скорость упорядоченного движения электронов, при наибольших допустимых плотностях тока в проводниках, имеет значение менее одного мм/сек.
Когда по проводнику проходит электрический ток, это не означает, что один и тот же электрон перемещается с одного конца проводника на другой. При переменном токе электроны вообще как бы колеблются из стороны в сторону, в зависимости от частоты. Электрическое поле, созданное источником тока, практически моментально воздействует на свободные электроны проводника во всей замкнутой цепи и почти одновременно приводит в движение как близкие, так и дальние электроны. Свободные электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника, то есть в цепи возникает электрический ток. Поэтому принято считать, что электрический ток распространяется по проводникам со скоростью изменения электрического поля. Скорость распространения электрического поля по проводнику близка к скорости света в вакууме (около 300000 км/сек).
Необходимо различать понятия: скорость распространения электрического поля и скорость движения конкретных электронов. Скорость направленного движения электронов разная в разных участках электрической цепи, она невелика (это движение часто называют «дрейфом») и гораздо меньше скорости распространения электрического поля внутри проводника. Средняя скорость хаотического движения электронов достигает 10^5 м/сек.
Электрон - это малая частица с очень небольшим электрическим зарядом, но число участвующих в различных электрических явлениях электронов огромно, и в результате эффект может быть значителен.