2. Постоянный электрический ток в металлах

2.1. Теоретические сведения

2.1.1. Основные понятия

Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов. Если в проводнике поддерживать электрическое поле Е, то в нем свободные электрические заряды начнут перемещаться: положительные - по полю, отрицательные - против поля. За направление тока принято направление движения положительных зарядов.

Необходимым условием существования электрического тока является наличие свободных зарядов - носителей тока. Носителями тока в металлах являются электроны, в электролитах - положительные и отрицательные ионы, в вакууме - электроны, в ионизированном газе и плазме - ионы и электроны. При отсутствии электрического поля носители тока совершают хаотическое тепловое движение. При включении электрического поля на хаотическое движение носителей накладывается упорядоченное движение с некоторой средней скоростью . Линии, вдоль которых движутся с этой скоростью положительные заряды, называются линиями тока.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I - скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

. (2.1)

Ток, сила и направление которого с течением времени не изменяется, называется постоянным. Для постоянного тока определение силы тока принимает вид

,

где q - заряд, проходящий через сечение проводника за время t.

Электрический ток может быть распределен по поверхности, через которую он протекает, неравномерно. Поэтому для более детальной характеристики тока вводят вектор плотности тока j. На правление этого вектора совпадает с направлением линий тока, точнее, вектор плотности тока в каждой точке электрического поля направлен по касательной к линии тока. Модуль вектора плотности тока численно равен силе тока, протекающего через единичную площадку, перпендикулярную линиям тока:

, (2.2)

где dI - сила тока, протекающего через сечение проводника dS_^..

Плотность тока пропорциональна средней скорости направленного движения электрических зарядов:

, (2.3)

где n - концентрация носителей тока, e - величина элементарного заряда.

Для поддержания в цепи электрического поля необходимо иметь источник тока, внутри которого происходит непрерывное разделение разноименных зарядов. При этом на контактах источника тока поддерживается разность потенциалов. Силы, действующие на заряды внутри источника тока, имеют неэлектрическое происхождение и называются сторонними. Физическая природа сторонних сил может быть различной Причиной разделения электрических зарядов сил на электростанциях является сила Лоренца. Сторонние силы могут быть обусловлены химической и физической неоднородностью проводников. В гальванических элементах, аккумуляторах сторонние силы возникают при соприкосновении разнородных проводников. Появление сторонних сил в термоэлементах связано с различной температурой спаев.

Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов. Физическая величина, равная работе, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС)

. (2.4)

Здесь - работа, совершаемая сторонними силами при перемещении заряда q по участку цепи из точки 1 в точку 2. Эта работа совершается за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами в гальванических элементах, за счет механической энергии вращения якоря генератора и т.д.

Напомним, что работа, совершаемая электрическим полем при перемещении единичного положительного заряда на участке цепи, представляет собой разность потенциалов на его концах:

. (2.5)

Напряжением называется полная работа, совершаемая при перемещении единичного положительного заряда на участке цепи:

. (2.6)

Очевидно, что между разностью потенциалов, ЭДС и напряжением существует связь

. (2.7)