1.3. Электрический ток и его плотность
а) Электрический ток. Из сказанного в § 1.2 следует, что для возникновения и прохождения электрического тока в проводнике необходимо:
1) наличие в проводнике носителей зарядов, которые могут перемещаться — свободных электронов в металлах, ионов и свободных электронов в электролитах;
2) наличие в проводнике электрического поля.
Для поддержания направленного движения зарядов в проводнике необходимо поддерживать электрическое поле в проводнике, подключив к нему два вывода (электрода) источника электрической энергии, например аккумулятора. Таким образом, электрический ток проходит в проводнике, если проводник вместе с источником электрической энергии образует хотя бы простейшую электрическую цепь. Поле в проводнике создается зарядами, накапливающимися на электродах источника под действием химических (в аккумуляторах и гальванических батареях), механических (в электромашинных генераторах) или других сил, действующих в источнике. В электротехнике говорят, что между электродами, к которым подключен источник энергии, приложено напряжение этого источника.
Направление тока I в проводнике считают совпадающим с направлением напряженности поля, т. е. с направлением силы, действующей на положительный заряд, и направлением движения положительных зарядов. Поэтому за направление тока принято считать направление, обратное направлению движения электронов. Не изменяющийся во времени ток I называют постоянным.
В
металлическом проводе свободные
электроны движутся также в направлении,
противоположном направлению
вектора
напряженности электрического поля E
и
принятому направлению тока. Направление
тока I
указывают стрелкой (рис. 1.4).
Ток (сила тока) i определяется количеством электричества (зарядом), проходящим через выделенную поверхность проводника, в частности для проводов (рис. 1.4) — через поперечное, сечение, в единицу времени.
Обозначив буквой Q заряд, проходящий через поперечное сечение за время t, получим
.
(1.6)
Постоянный ток обозначается заглавной буквой I, а изменяющийся с течением времени (переменный) ток в отличие от постоянного обозначается строчной (малой) буквой i. Если за бесконечно малый промежуток времени dt через поперечное сечение проходит бесконечно малый заряд dq, то ток определяется по аналогичной формуле:
.
(1.7)
Единицей тока является ампер (А). Постоянный той в проводнике равен 1 А, если через поперечное сечение за 1 с проходит электрический заряд, равный 1 Кл, т, е. 1 А=1 Кл / 1с.
б) Плотность тока. При равномерном распределении тока по выделенной поверхности проводника отношение тока I к площади S этой поверхности определяет плотность тока:
.
(1.8)
Плотность тока в проводах обычно измеряется в А/мм2. Вектор плотности тока в проводе постоянного сечения направлен нормально к плоскости его поперечного сечения (рис. 1.4).