Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования.

Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов..

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 скалярная физи­ческая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. - student2.ru

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

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. - student2.ru

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

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

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. - student2.ru

Выразим силу и плотность тока через скорость ávñ упорядоченного движения зарядов в проводнике. Если концентрация носителей 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 dQ=ne ávñ S dt. Сила тока

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. - student2.ru

а плотность тока

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. - student2.ru (96.1)

Плотность тока — вектор, ориентированный по направлению тока, т. е. направление вектора j совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов. Единица плотности тока — ампер на метр в квадрате (А/м2).

Сила тока сквозь произвольную поверхность S определяется как поток вектора j, т. е.

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. - student2.ru (96.2)

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

2. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение

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 разность потенциалов за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называютсяисточниками тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называютсясторонними.

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. 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. Физи­ческая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при переме­щении единичного положительного заряда, называетсяэлектродвижущей силой (э.д.с.),действующей в цепи:

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. - student2.ru

Эта работа производятся за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. - student2.ru можно также называть электродвижущей силой источника тока, включен­ного в цепь.

Сторонняя сила Fст, действующая на заряд Q0, может быть выражена как

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. - student2.ru

где Е – напряженность поля сторонних сил. Работа же сторонних сил по перемещению заряда Q0 на замкнутом участке цепи равна

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. - student2.ru

выражение для э. д. с., действующей в цепи:

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. - student2.ru

т. е. э.д.с., действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил. Э.д.с., действующая на участке 1-2, равна

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. - student2.ru

На заряд Q0 помимо сторонних сил действуют также силы электростатического поля Fe=Q0E. Таким образом, результирующая сила, действующая в цепи на заряд Q0, равна

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. - student2.ru

Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом Q0 на участке 1-2, равна

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. - student2.ru

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. - student2.ru

Напряжением U на участке 1-2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторон­них сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи. Таким образом,

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. - student2.ru

Понятие напряжения является обобщением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует Э.д.с., т. е. сторонние силы отсутствуют.

Наши рекомендации