Законы постоянного тока Электрический ток

Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов.

Различают:

1. ток проводимости, когда заряженные частицы перемещаются внутри макроскопического тела. Так, допустим, если в каком либо проводнике создать электрическое поле, то на хаотическое тепловое движение свободных заряженных частиц будет накладываться направленное движение этих частиц, создавая тем самым электрический ток;

1. конвекционный ток, когда заряды перемещаются вместе с макроскопическими телами;

1. ток в вакууме, когда заряды (электроны, ионы) движутся независимо от окружающих тел.

Для существования электрического тока необходимо наличие свободных носителей зарядов и электрического поля, которое вызывало бы их направленное движение. В отличие от электростатики, где рассматривается равновесие зарядов и поэтому электрическое поле в проводниках отсутствует, при наличии тока напряженность электрического поля внутри проводника отлична от нуля. Для создания такого поля необходим какой-либо внешний источник.

Движение электронов и ионов непосредственно увидеть невозможно. Однако это движение вызывает различные сопутствующие явления, по которым и можно судить о наличии тока.

В 1820 г Х.К. Эрстед обнаружил, что проводник с током вызывает появление сил, действующих на магнитную стрелку.

Магнитное действие проявляется во всех случаях независимо от природы проводника и является самым общим признаком электрического тока.

Электрический ток вызывает также тепловое действие, нагревая проводник, по которому он течет, и химическое действие, разлагая вещество на составные химические части.

Электрический ток характеризуется величиной называемой силой тока . Сила тока определяется зарядом, проходящим за одну секунду через любое поперечное сечение проводника. Ток, величина и направление которого не изменяется, называется постоянным. Для постоянного тока , где — электрический заряд, проходящий за время через поперечное сечение проводника. Единицей силы тока в СИ служит ампер (А). Ампер входит в число основных единиц этой системы и вводится на основе магнитного взаимодействия токов.

Электрический ток может быть обусловлен движением как положительных, так и отрицательных частиц. За направление тока принимается направление, в котором перемещаются положительные заряженные частицы. Движения в противоположных направлениях частиц, противоположных по знаку, создают во всех отношениях эквивалентные токи. Например, в металлических проводниках действительное направление свободных электронов противоположно направлению тока.

Плотность тока

Электрический ток может быть распределен по поверхности сечения проводника, через которую он протекает, неравномерно. Во многих случаях требуется рассмотрение направления, в котором движутся заряженные частицы. Поэтому для более детальной характеристики тока вводят вектор плотности тока ,

,

где — единичный вектор, задающий направление вектору . Он направлен по вектору скорости упорядоченного движения положительных носителей тока (или, по направлению противоположному направлению вектора скорости, упорядоченного движения отрицательных носителей);

— модуль вектора . Он численно равен отношению силы тока через элементарную площадку, расположенную в данной точке среды перпендикулярно направлению движения носителей тока, к ее площади .

При равномерном распределении плотности тока по сечению проводника

,

т. е. она равна по величине току, текущему через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению упорядоченного движения зарядов, и измеряется в амперах на квадратный метр, .

Плотность тока дифференциальная величина, в том смысле, что она характеризует физическую точку токопроводящей среды. В случае неравномерного потока заряженных частиц берем столь малую площадку и столь малый промежуток времени , чтобы в их пределах поток мог считаться равномерным, т. е. частицы движутся в одном направлении с одинаковыми скоростями (см. рисунок). Ограничимся движением частиц какого-либо одного знака, например, положительных (движение отрицательных частиц можно условно заменить движением положительных частиц в противоположном направлении). Обозначим через малый ток, протекающий через малую площадку , имеем

.

Через площадку , ориентированную перпендикулярно скорости за время проходят те заряженные частицы, которые находятся внутри цилиндра (в пределах физической точки) длинною . Количество этих частиц будет равно

,

где — концентрация положительных заряженных частиц, — объем цилиндра (физической точки). Они перенесут заряд , где — заряд одной частицы. Тогда , а плотность тока , или в векторной форме

.

Если носителями тока являются как положительные, так и отрицательные заряды, то плотность тока определяется формулой

, или

,

где — объемная плотность заряда положительных носителей тока, — объемная плотность заряда отрицательных носителей тока, и — скорости их упорядоченного движения.