Электрический ток, сила и плотность тока

ЛЕКЦИЯ 14

Постоянный электрический ток

Электродинамика — раздел учения об электричестве, в котором рассматриваются явления и процессы, обусловленные движением электрических зарядов или макроско­пических заряженных тел. Важнейшим понятием в электродинамики является понятие электрического тока.

Электрический ток, сила и плотность тока

Электрическим током называется любое направленное (упорядоченное) движение электрических зарядов. В проводнике под действием приложенного электрического поля Е свободные электрические заряды переме-щаются: положительные — по полю, отрица-тельные — против поля (рис.14.1, а).

Таким образом в провод-нике возникает электри-чес­кий ток, называемый током проводимости. Если же упорядоченное движение элект­рических зарядов осуществляется перемещением в пространстве заряженного мак­роскопического тела (рис.14.1, б),то воз-никает так называемый конвекционный ток.

Для возникновения и существования электрического тока необходимо, с одной стороны, наличие свободных носителей тока — заряженных частиц, способных переме­щаться упорядоченно, а с другой — наличие электрического поля, энергия которого, каким-то образом восполняясь, расходовалась бы на их упорядоченное движение.

За направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I. Это— скалярная физи­ческая величина. Она определяется электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

.

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Для постоянного тока

,

где Q — электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение провод­ника. Единица силы тока — ампер (А).

Физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площа­ди поперечного сечения проводника, перпенди-кулярного направлению тока, называется плотностью тока:

.

Выразим силу и плотность тока через скорость упорядоченного движения заря-дов в проводнике. Если концентрация носи-телей тока равна n и каждый носитель имеет элементарный заряд е (что не обязательно для ионов), то за время dt через поперечное сечение S проводника переносится заряд . Сила тока

,

А плотность тока

. (14.1)

Плотность тока - вектор, ориентирован-ный по направлению тока. Единица плотности тока - ампер на метр в квадрате (А/м²).

Сила тока сквозь произвольную поверх-ность S определяется как поток вектора j, т.е.

где dS=n dS (n — единичный вектор нормали к площадке dS, составляющей с век­тором j угол a).

Сторонние силы

Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей (они предполагаются положительными) от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Это приведет к выравнива­нию потенциалов во всех точках цепи и к исчезновению электрического поля. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способ­ного создавать и поддерживать раз-ность потенциалов за счет работы сил неэлект­ростатического происхождения. Такие устройства называются источниками тока. Силы неэлектростатического проис-хождения, действующие на заряды со стороны источ­ников тока, называются сторонними.

Природа сторонних сил может быть различной. Например, в гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами; в генераторе - за счет механической энергии вращения ротора генератора и т.п. Роль источника тока в электрической цепи, образно говоря, такая же, как роль насоса, который необходим для перекачивания жидкости в гидравлической системе.

Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток.

Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов.