Законы постоянного тока.

(Электрический ток. Характеристики постоянного электрического тока. Электродвижущая сила. Разность потенциалов. Напряжение на участке цепи. Сопротивление проводников. Закон Ома для участка цепи и замкнутой цени. Удельное сопротивление и проводимость. Правила Кирхгофа. Мощность тока. Закон Джоуля-Ленца. Законы Ома и Джоуля-Ленца в дифференциальной форме. Подвижность носителей. Зависимость удельного сопротив­ления металлов от температуры. Сверхпрово­димость. Коэффициент полезного действия источника)

Постоянный ток. Сила тока, плотность тока.

Под электрическим током понимают упорядоченное движение заряженных частиц, причем за направление тока принимают направление движения положительных зарядов.

Электрический ток существует при наличии свободных зарядов и электрического поля. Такие условия для движения зарядов можно создать в вакууме (термоэлектронная эмиссия) и в различных средах, таких как твердые тела (металлы, полупроводники), жидкости (жидкие металлы, электролиты) и в газах. Носителями тока могут быть различные частицы, так в металлах – свободные электроны, в газах – электроны и ионы и т.д.

Протекание тока по проводнику характеризует сила тока I, определяемая по формуле

, (6.1)

где dq – заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за время dt.

Для постоянного тока величина I остается одинаковой и по модулю, и по направлению, что позволяет в формуле (6.1) выбирать конечные значения заряда и времени:

или

Распределение тока по сечению проводника характеризует вектор плотности , направление которого в каждой точке проводника совпадает с направлением тока, т.е. с направлением скорости упорядоченных положительных зарядов . Модуль вектора равен

,

где - сила тока, протекающего в данной точке внутри проводника через элементарную площадку , расположенную перпендикулярно к направлению тока (рис. 6.1 а).

Введение вектора плотности тока позволяет найти силу тока, протекающего через любую поверхность S:

. (6.2)

В этой формуле угол – это угол между вектором и нормалью к элементарной площадке площадью (рис. 6.1 а).

Представляет интерес выразить вектор плотности тока через характеристики, описывающие движение свободных зарядов в проводнике. В качестве примера рассмотрим электрический ток в металле, где валентные электроны образуют газ свободных частиц, заполняющих кристаллическую решетку положительно заряженных ионов.

При отсутствии электрического поля в проводнике свободные электроны участвуют только в тепловом движении со средней арифметической скоростью , определяемой по формуле , где - постоянная Больцмана, - масса электрона, - температура. При комнатной температуре .

Из-за хаотичности теплового движения электронов электрического тока не возникает ( =0), так как через поперечное сечение проводника в обе стороны проходит одинаковое число электронов и поэтому суммарный перенос заряда равен нулю.

При включении электрического поля у электронов появляется добавочная скорость - средняя скорость направленного движения под действием сил электрического поля. Именно обеспечивает наличие тока в проводнике.

Через поперечное сечение проводника площадью S за время t пройдут все электроны, находящиеся в цилиндре высотой ( ) (рис. 6.1 б). Если ввести такую характеристику металла, как концентрацию свободных электронов, то тогда можно получить:

, (6.3)

где – заряд электрона или, в общем случае, свободной заряженной частицы, участвующей в создании электрического тока, N – число заряженных частиц в объеме V.

Приведем оценку модуля средней скорости направленного движения свободных электронов в металле . Учитывая числовые значения концентрации свободных электронов в металле n ~ 10²⁹ м^-3 и предельно допустимую плотность тока, например, в медном проводнике j_пред ~ 10⁷ А/м², из формулы (6.3) получим

Из последнего выражения следует, что скорость < > упорядоченного движения значительно меньше скорости теплового движения.