Глава III.7.Постоянный электрический ток § III.7.1. Понятие об электрическом токе

1º.Электродинамикойназывается основной раздел учения об электричестве, в котором рассматриваются явления и процессы, связанные с движением микро- или макроскопических заряженных тел. Важнейшим понятием в электродинамике является понятие об электрическом токе.

2°.Электрическим токомназывается всякое упорядоченное движение электрических зарядов. Электрический ток, возникающий в проводящих средах в результате упорядоченного движения свободных зарядов под действием электрического поля, созданного в этих средах, называетсятоком проводимости. Примерами токов проводимости являются ток в металлах и полупроводниках, связанный с упорядоченным движением «свободных» электронов, ток в электролитах, представляющий собой упорядоченное перемещение ионов противоположного знака.

Конвекционным токомназывается упорядоченное движение в пространстве заряженных макроскопических тел. Примером такого тока является ток, связанный с движением Земли, которая имеет избыточный отрицательный .заряд, по ее орбите. Особым случаем тока является ток смещения (III.14.3.2°), к которому приведенное выше определение электрического тока не применимо.

3°. При упорядоченном движении электрических зарядов в проводнике равновесное распределение зарядов нарушается и поверхность проводника не является эквипотенциальной (III.3.4.3°). Тангенциальная составляющая напряженности электрического ноля на поверхности проводника не равна нулю (E_τ≠ 0) и внутри проводника должно существовать электрическое поле (ср. III.3.4.3°). Электрический ток продолжается до тех пор, пока все точки проводника не станут эквипотенциальными.

4°. Условия, необходимые для появления и существования электрического тока в проводящей среде:

а) наличие в данной среде свободных носителей тока– заряженных частиц, которые могли бы в ней упорядоченно перемещаться. Такими частицами в металлах и полупроводниках являются электроны проводимости (II.3.4.1°); в жидких проводниках (электролитах) – положительные и отрицательные ионы; в газах – противоположно заряженные ионы и электроны;

б) существование в данной среде внешнего электрического поля, энергия которого должна расходоваться на упорядоченное перемещение электрических зарядов. Для поддержания электрического тока энергия электрического поля должна непрерывно восполняться, т. е. необходим источник электрической энергии– устройство, в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля.

5º. Направлением электрического тока считается направление упорядоченного движения положительных электрических зарядов. Однако, в действительности, в металлических проводниках ток осуществляется упорядоченным движением электронов, которые движутся в направлении, противоположном направлению тока.

§ III.7.2. Сила и плотность тока

1°.Силой тока^*)называется скалярная физическая величина, равная отношению зарядаdq, переносимого сквозь рассматриваемую поверхность^**)за малый промежуток времени, к величинеdtэтого промежутка:

.

Электрический ток называется постоянным(постоянный электрический ток), если сила тока и его направление не изменяются с течением времени. Для постоянного тока:

,

где q– электрический заряд, переносимый через рассматриваемую поверхность за конечный промежуток времени от 0 доt.

2°. Если электрический ток постоянный, то ни в одной части проводника заряды не должны ни накапливаться, ни убывать. Цепь постоянного тока должна быть замкнутой и должно выполняться условие: , где – суммарный электрический заряд, поступающий за единицу времени сквозь поверхностьS₁в объем проводника, заключенный между поперечными сечениямиS₁ иS₂, – суммарный электрический заряд, выходящий из этого объема за единицу времени сквозь поверхностьS₂.

3°. Направление электрического тока в различных точках рассматриваемой поверхности и распределение силы тока по этой поверхности определяются плотностью тока.Вектор плотности токаjнаправлен противоположно направлению движения электронов – носителей тока в металлах^*)и численно равен отношению силы токаdIсквозь малый элемент поверхности, перпендикулярный к направлению движения заряженных частиц, к величинеdS'площади этого элемента:

.

Более общая связь между плотностью тока jи элементом силы токаdI:

,

где dS=ndS – вектор элементарной площадки,n– единичный вектор нормали к площадкеdS, составляющий с векторомjуголα.

4º. Сила тока через произвольную поверхностьS

,

где j_n=jcosα– проекция вектораjна направление нормалиn(п. 3º), а интегрирование проводится по всей поверхностиS. Если для нахождения силы тока проводимости рассматриваются поперечные сечения проводника, для которыхj_n=j, то.

5°. Плотность постоянного тока одинакова по всему поперечному сечениюSоднородного проводника. Для такого тока

.

В цепи постоянного тока плотности тока в двух поперечных сечениях S₁иS₂обратно пропорциональны площадям этих сечений:

.