Электрический ток

Электрический ток – это упорядоченное движение электрических зарядов. В металлах – электроны проводимости, в проводящих растворах – ионы, в газовых разрядах – электроны и ионы.

Направление электрического тока определяется по направлению движения положительных частиц.

Для получения электрического тока в проводнике необходимо наличие электрического поля внутри проводника, т.е. напряжение между концами проводника, следовательно, нужен источник тока.

Замкнутая электрическая цепь – ряд соединённых между собой проводников вместе с источником тока.

Линии тока – это линии, вдоль которых движутся заряженные частица.

Плотность тока равна величине заряда, проходящего в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярно линиям тока

(5.57)

где е – заряд носителя тока, например, электрона

n – концентрация носителей, т.е. число их в единице объёма проводника

- скорость направленного (упорядоченного) движения носителей тока.

J

(5.58)

где dq – заряд, проходящий за время dt

Сила тока J равна величине заряда, проходящего в единицу времени через рассматриваемую поверхность, например, поперечное сечение проводника

Сила тока J – скалярная величина.

В системе СИ: J (A)

1 Ампер – одна из основных единиц СИ

Связь между силой тока J и плотность тока j можно выразить в интегральной форме (рис. 5.29)

(5.59)

S Рис. 5.29

Это значит, что сила тока J – это поток вектора через поверхность любого сечения проводника S, j_n – проекция вектора на нормаль к этому сечению.

В дифференциальной форме связь J и j

(5.60)

где dS – площадка, перпендикулярная направлению движения носителей тока

Вектор направлен по касательной к линии тока в каждой точке.

В системе СИ: j (А/м²)

S2 S1 Рис. 5.30

Ток называется постоянным, если J и j не меняется со временем. Для постоянного тока сила тока J одинакова во всех сечениях проводника. В противном случае величина заряда между сечениями S₁ и S₂ (рис. 5.30) изменялась бы со временем и ток не был бы постоянным.

J Рис. 5.31

Если в проводнике имеется

электрический ток, то потенциал в различных точках проводника неодинаков. Это означает, что существует составляющая напряжённости электрического поля Е_t, направленная вдоль проводника (рис. 5.31).

Электродвижущая сила (ЭДС)

Для поддержания электрического тока длительное время нужно от конца проводника с меньшим потенциалом непрерывно отводить приходящие заряды и подводить их к концу с большим потенциалом, т.е. осуществить круговорот зарядов, при котором они двигались бы по замкнутому пути.

Под действием сил электростатического поля положительные заряды движутся в сторону убывания потенциала. Для поддержания электрического тока в замкнутой цепи наряду с участками, на которых положительные заряды движутся в сторону убывания потенциала φ, должны быть участки, на которых положительные заряды переносятся в направлении возрастания φ, т.е. против сил электростатического поля (рис. 5.32).

φ1 φ2 φ1>φ2 Рис. 5.32

Перемещение зарядов на этих участках возможно лишь с помощью сил неэлектрического происхождения, называемых сторонними силами. Эти силы могут действовать либо на всём протяжении цепи, либо на отдельных её участках. Они могут быть обусловлены химическими процессами (гальванические элементы), меняющимися во времени магнитными полями (электромагнитная индукция) и т.п.

Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по цепи зарядами.

ЭДС численно равен работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по всей цепи или на её участке

(5.61)

В системе СИ: ξ (В)

Напряжение U на данном участке цепи величина, численно равная работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда. Из (5.65) получаем

(5.66)

Напряжение на участке цепи U₁₂ равно сумме разности потенциалов между концами участка φ₁ - φ₂ и ЭДС ξ₁₂, действующей на этом участке,

где φ₁ - φ₂ – работа сил электростатического поля по перемещению единичного положительного заряда

ξ₁₂ – работа сторонних сил

При отсутствии сторонних сил ξ₁₂ = 0 напряжение на участке цепи совпадает с разностью потенциалов

U12 = φ1 - φ2

(5.67)