5. Постоянный электрический ток

5.1. Постоянный электрический ток. Основные действия и условия существования постоянного тока

Электрическим током называют всякое упорядоченное движение электрических зарядов.

Электрический ток, возникающий в проводниках под влиянием электрического поля и представляющий собой частично упорядоченное движение электронов или ионов относительно проводника под влиянием электрического поля, называют током проводимости.

Ток проводимости может существовать как в проводниках первого рода (металлах, графите, некоторых электронных полупроводниках и т.д.), так и в проводниках второго рода (электролитах, расплавах солей, щелочей и т. д.).

О наличии тока в проводниках судят по его действиям на окружающую среду. Основными действиями электрического поля являются:

а) возникновение вокруг проводников с током магнитного поля;

б) выделение в проводниках тепла;

в) биологическое.

Так как перемещение электрических зарядов происходит под действием электрического поля, то одним из основных условий существования тока проводимости в проводниках является наличие в них электрического поля. Следовательно, для увеличения времени существования электрического тока проводимости в проводниках необходимо поддерживать в них существование электрического поля, что возможно при создании на концах проводников разности потенциалов.

Надо отметить, что электрический ток можно получить, если перемещать в пространстве какие-либо заряженные тела. Такой ток называют конвекционным.

5.2. Основные характеристики постоянного электрического тока: величина (сила) тока, плотность тока. Сторонние силы

Скалярная физическая величина, которая показывает, какой заряд переносится носителями через рассматриваемую поверхность (например, через поперечное сечение проводника) в единицу времени, называется величиной (силой) тока:

.

В системе СИ сила тока измеряется в амперах (А). Ампер - это сила такого электрического тока, который, проходя по двум прямолинейным бесконечным проводникам, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга, вызывает на каждом участке длиной 1 м силу взаимодействия 210^-7 Н.

Векторная физическая величина, численно равная силе тока через площадку dS, перпендикулярную направлению движения электрических зарядов (электрического тока), называется плотностью тока:

.

Плотность тока – векторная величина. За направление вектора плотности электрического тока j принимается направление вектора скорости упорядоченного движения положительных зарядов.

Зная вектор плотности тока j в любой точке проводника, можно определить величину тока через любую поверхность:

,

где j_n = jcos – проекция вектора плотности тока на направление тока;

 – угол между векторами j и n (положительной нормали к площадке dS).

Таким образом, сила тока через какую-либо поверхность является потоком вектора плотности тока через поверхность.

Ток, не изменяющийся по величине и направлению с течением времени, называют постоянным.

Для постоянного электрического тока

; .

Существование постоянного тока в проводниках возможно при наличии сторонних сил, которые не могут иметь электростатическое происхождение. Это связано с тем, что электростатическое поле является потенциальным. Следовательно, работа, совершаемая электростатическими силами по замкнутому контуру, в котором существует ток, равна нулю, т. е. при этих условиях существование электрического тока в проводнике невозможно, так как он должен совершать работу по преодолению электрического сопротивления проводника. Существование тока в проводниках доказывает, что сторонние силы имеют не электростатическое происхождение.

Сторонние силы могут быть любой природы, например механической или электрической (сила, действующая на заряд в электрическом поле, возникающем по закону электромагнитной индукции).

Физическая величина, равная работе сторонних сил по перемещению положительного единичного заряда вдоль всей цепи, включая источник тока, называется электродвижущей силой источника тока (ЭДС) :

.