- •Лекция № 8 постоянный электрический ток сила и плотность тока
- •Классическая электронная теория электропроводимости металлов.
- •Затруднения классической теории лектропроводимости.
- •Закон ома в дифференциальной форме.
- •Сторонние силы. Обобщённый закон ома
- •Закон ома для неоднородного участка цепи.
- •Разветвлённые цепи. Правило кирхгофа.
- •Закон джоуля-ленца (в интегральной и локальной формах). Мощность тока.
Лекция № 8 постоянный электрический ток сила и плотность тока
Понятие электрического тока является важнейшим понятием в разделе физики, называемом электродинамикой наукой, изучающей явления, обусловленные движением зарядов (макроскопически заряженных тел).
Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов, перенос заряда через ту или иную поверхность S (сечение проводника).
Для возникновения электрического тока необходимо выполнение трех условий:
1) наличие свободных зарядов (т.е. зарядов, способных перемещаться под действием поля). Носителями тока являются:
-
свободные электроны (Me);
-
электроны и дырки (п/п);
-
отрицательные и положительные ионы (электролиты);
-
ионы и электроны (газы);
2) наличие самого электрического поля, энергия которого каким-то образом, восполняясь, расходовалась бы на их упорядоченное движение;
3) наличие устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектрического происхождения, т.е. источников тока.
Количественной характеристикой тока является сила тока.
Сила тока это скалярная физическая величина, определяемая количеством электричества (т.е. электрическим зарядом), протекающим через поперечное сечение проводника за единицу времени:
. (1)
Условно за направление тока принято направление движения положительных зарядов.
Ток, величина силы которого I и направление скорости не изменяется со временем, называется постоянным. Для постоянного тока:
,
где Q электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение проводника. Единица силы тока ампер (А).
Суммарный электрический заряд, перенесенный через поперечное сечение проводника за время :
. (2)
Выясним микроскопический смысл силы тока.
Пусть концентрация свободных носителей в проводнике n, их заряд q, скорость . За время dt через поперечное сечение проводника пройдет заряд, содержащийся в объеме dV:
.
Подставив в (1) видим, что сила тока определяется произведением свободного заряда, его скорости, его концентрации и площади поперечного сечения проводника:
I = qnuS. (3)
Первые три величины являются характеристиками носителей тока; четвертая относится к проводнику. Так как электрический ток может быть распределен по поверхности, через которую он протекает, неравномерно, то целесообразно ввести величину плотность тока, определяемую только параметрами носителей.
Плотность тока это векторная физическая величина, определяемая силой тока через поперечное сечение проводника в данной точке пространства, перпендикулярное его направлению:
. (4)
Выразим плотность тока через скорость:
, (5)
где <> среднее значение скорости носителей. За направление принимается направление вектора скорости положительных зарядов.
Поле вектора можно изобразить можно изобразить графически с помощью линий тока, которые строятся также как и линии вектора напряженности электрического поля . Зная вектор плотности тока в каждой точке поверхности S, можно найти силу тока через эту поверхность как поток вектора :
I = . (6)
Подчеркнем, что сила тока является величиной скалярной и алгебраической.