Электрический ток

Полным электрическим токомназывают явление направленного движения зарядов и явление изменения электрического поля во времени, сопровождаемые магнитным полем.

Различают три основных вида электрического тока: ток проводимости, ток переноса, ток смещения.

Ток проводимости

Ток проводимости может возникать в среде, обладающей электропроводностью и обусловлен движением свободных заряженных частиц в проводнике. Количественная сторона этого явления характеризуется силой тока i ( [] = A). Величина тока i определяется зарядом q, проходящим через некоторую поверхность S в единицу времени

.

Для характеристики распределения в проводнике заряженных частиц используется векторная величина , называемаяплотностью тока. Направление вектора указывает направление движения положительно заряженных частиц. Величинахарактеризует интенсивность их прохождения через площадку, [] = A/м².

При известной плотности тока сила тока, проходящего через некоторую поверхность, может быть рассчитана по формуле

где вектор направлен по нормали к поверхности.

Для тока проводимости характерна зависимость , где символомобозначена удельная электрическая проводимость вещества проводника ([] = 1/Омм).

Типичным примером тока проводимости является электрический ток в металлах.

Ток переноса

Током переноса называют явление перемещения в свободном пространстве электрически заряженных частиц. Принципиальное отличие тока переноса от тока проводимости заключается в том, что плотность тока переноса не пропорциональна напряженности электрического поля, а определяется объемной плотностьюпереносимого заряда и скоростьюдвижения частиц

Примером тока переноса может служить поток электронов в электронно-лучевой трубке.

Ток смещения

Ток смещения возникает в случае изменения электрического поля во времени, а под плотностью тока смещения понимают величину

где . Первое слагаемое характеризует перемещение связанных зарядов в процессе поляризации диэлектрика. Второе слагаемое, называемое током смещения в пустоте, не имеет столь же наглядной интерпретации и связано с появлением магнитного поля, возникающего при изменении напряженности электрического поля в пустоте. Характерным примером тока смещения является ток в конденсаторе.

Таким образом, в зависимости от характера электрического тока его плотность может быть рассчитана по одному из следующих соотношений:

Принцип непрерывности электрического тока

Одним из основных принципов теории электромагнитного поля является принцип непрерывности электрического тока

В этом соотношении символ означает полный ток сквозь взятую в любой среде замкнутую поверхность, то есть

и .

Из принципа непрерывности электрического тока следует, что линии тока не имеют ни начала, ни конца, то есть являются замкнутыми.

Электрическое напряжение. Разность электрических потенциалов

Электрическое поле кроме векторов ихарактеризуют скалярной величиной, которая называется электрическим напряжениеми измеряется в вольтах, [] = В .

Для перемещения заряда в электрическом поле из точкив точкунеобходимо совершить работу

Электрическим напряжением между точками иназывают величину, равную отношению этой работы к перемещаемому заряду

где ‑ электрическое напряжение (или падение напряжения) вдоль заданного пути (рис.1.5).

Для электрического поля неподвижных зарядов (электростатического поля) справедливо условие

вытекающее из закона сохранения энергии в системе заряженных тел. Следовательно, (рис.1.6),

и интеграл зависит только от координат точек и .

Это обстоятельство позволяет ввести в рассмотрение функцию , зависящую от положения точки () в электростатическом поле:

где Потенциал точки определяется с точностью до некоторой постоянной, зависящей от того, где выбрана точканулевого потенциала.

В электростатическом поле напряжение между точками и можетбыть вычислено как разность потенциалов этих точек:

Электрическое поле, для которого справедливо условие= 0, называется потенциальным электрическим полем. При теоретическом исследовании систем, в которых заряженные тела имеют конечные размеры, точкаp, выбирается, как правило, на бесконечности. На практике часто U = 0 принимают на поверхности одного из объектов рассматриваемой системы.

Введем понятие поверхности равного потенциала, как поверхности, во всех точках которой потенциал имеет одно и тоже значение. Силовые линии электрического поля перпендикулярны поверхностям равного потенциала. Действительно:

при и, следовательно,(рис.1.7).