Постоянный электрический ток, его характеристика и условия существования

Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. Различают два вида электрических токов – токи проводимости и конвекционные токи.

Током проводимости называют упорядоченное движение в веществе или вакууме свободных заряженных частиц – электронов проводимости (в металлах), положительных и отрицательных ионов (в электролитах), электронов и положительных ионов (в газах), электронов проводимости и дырок (в полупроводниках), пучков электронов (в вакууме). Этот ток обусловлен тем, что в проводнике под действием приложенного электрического поля напряженностью происходит перемещение свободных электрических зарядов (рис. 2.1, а).
Конвекционным электрическим током называют ток, обусловленный перемещением в пространстве заряженного макроскопического тела (рис. 2.1, б).
Для возникновения и поддержания электрического тока проводимости необходимы следующие условия:
1) наличие свободных носителей тока (свободных зарядов);
2) наличие электрического поля, создающего упорядоченное движение свободных зарядов;
3) на свободные заряды, помимо кулоновских сил, должны действовать сторонние силы неэлектрической природы; эти силы создаются различными источниками тока (гальваническими элементами, аккумуляторами, электрическими генераторами и др.);
4) цепь электрического тока должна быть замкнутой.
За направление электрического тока условно принимают направление движения положительных зарядов, образующих этот ток.
Количественной мерой электрического тока является сила тока I - скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение Sпроводника в единицу времени:

(2.1)

Ток, сила и направление которого не изменяются с течением времени, называется постоянным (рис. 2.2, а). Для постоянного тока

Электрический ток, изменяющийся с течением времени, называется переменным. Примером такого тока является синусоидальный электрический ток, применяемый в электротехнике и электроэнергетике (рис. 2.2, б).
Единица силы тока – ампер (А). В СИ определение единицы силы тока формулируется следующим образом: 1 А – это сила такого постоянного тока, который при протекании по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, создает между этими проводниками силу, равную на каждый метр длины.
Для характеристики направления электрического тока проводимости в разных точках поверхности проводника и распределения силы тока по этой поверхности вводится плотность тока.
Плотностью тока называют векторную физическую величину, совпадающую с направлением тока в рассматриваемой точке и численно равную отношению силы тока dI, проходящего через элементарную поверхность, перпендикулярной направлению тока, к площади этой поверхности:

(2.2)

Единица плотности тока – ампер на квадратный метр (А/м2).
Плотность постоянного электрического тока одинакова по всему поперечному сечению однородного проводника. Поэтому для постоянного тока в однородном проводнике с площадью поперечного сечения S сила тока равна

Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение зарядов от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Это приводит к выравниванию потенциалов во всех точках цепи и к исчезновению тока. Поэтому для поддержания постоянного электрического тока в цепи необходимо наличие устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы некоторых сторонних сил. Такие устройства называют источниками тока.
Под действием сторонних сил носители тока движутся внутри источника электрической энергии против сил электростатического поля (против кулоновских сил, вызывающих соединение разноименных зарядов, а следовательно, выравнивание потенциалов и исчезновение тока), так что на концах внешней цепи поддерживается постоянная разность потенциалов и в цепи протекает постоянный электрический ток.
Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов. Физическая величина, определяемая работой сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) источника:
(2.3)
Единица ЭДС – вольт (В).
Сторонняя сила, действующая на заряд , может быть выражена через напряженность поля сторонних сил

Тогда работа сторонних сил по перемещению заряда на замкнутом участке цепи будет равна:

(2.4)

Разделив (2.4) на и учитывая (2.3), получим выражение для ЭДС, действующей в цепи:

Обсудим, при каких общих условиях можно создать устройство, в котором длительное время может существовать электрический ток.
 Первое обязательное условие − наличие проводников, так как заряженные частицы могут двигаться только в проводниках. Если проводящее тело поместить в электрическое поле, то под его действием свободные заряженные частицы придут в движения, то есть появится электрический ток (рис. 396).

рис. 396

 Однако движение этих частиц приведет к появлению индуцированных зарядов, которые, в свою очередь, приведет к возникновению электрического поля, которое полностью компенсирует внешнее поле, поэтому электрический ток прекратится очень быстро. Следовательно, для поддержания электрического тока в проводнике необходимо постоянно переносить заряды с одной стороны проводника на другую. Иными словами необходимо создать замкнутый проводящий контур, по которому может циркулировать постоянный ток. Обязательность наличия замкнутого контура также обосновывается законом сохранения электрического заряда. Для того чтобы переносить заряды с одной стороны рассматриваемого проводника на другую необходимо постоянно совершать работу против сил электрического поля. То есть в контур необходимо включить устройство, совершающее эту работу. Сразу заметим, что указанная работа не может быть совершена электростатическим полем! Так как электростатическое поле потенциально, то работа сил пол по перемещению зарядов по любому замкнутому контура равна нулю. Поэтому попытки придумать такое расположение зарядов, которая создает электростатическое поле, обеспечивающее существование постоянного тока, обречены на неудачу. Следовательно, упомянутое устройство для переноса зарядов против сил электростатического поля (назовем его источником или генератором тока), должно переносить заряды с помощью любых сил, кроме электростатических. Сторонние силы не должны быть потенциальными, так работа этих сил по замкнутому контуру должна быть положительна, то есть, отлична от нуля.
Можно также говорить, что источник тока должен разделять электрические заряды, перенося заряды одного знака на один полюс источника, а заряды другого знака на второй. При появлении зарядов на полюсах источника внутри его создается электрическое поле, чтобы продолжить разделение зарядов необходимо совершать работу по преодолению сил этого поля.
 Силы, совершающие работу по перенесению электрических зарядов против сил электростатического поля, называются сторонними силами. Природа сторонних сил может быть самой различной, эти силы могут возникать в результате протекания химических реакций (в гальванических элементах и аккумуляторах), они могут возникать при изменении магнитного поля (в электромагнитных генераторах), в фотоэлементах разделение зарядов происходит под действием света и т.д.
 Здесь уместно провести аналогию с движением вязкой жидкости по трубам. Для того, чтобы жидкость текла по трубе, к ней постоянно необходимо прикладывать внешнюю силу для преодоления сил вязкости. В качестве такой силы может выступать, например, сила тяжести. Для поддержания постоянного тока жидкости необходимо создать замкнутый контур, в который следует включить насос, совершающий работу по подъему жидкости, то есть работу против сил тяжести. Таким образом, источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос в водопроводном контуре.