Постоянный ток Сила тока
Электрическим током называется направленное движение заряженных частиц. Электрический ток может существовать только в проводниках, где есть свободные носители электрического заряда. Электрический ток может существовать как в твердых телах (металлы, полупроводники) так и в жидкостях (электролиты) и в газах. В диэлектриках электрический ток протекать не может. Поэтому диэлектрики часто используют для изоляции от электрического тока и называют их изоляторами.
Рассмотрим проводник. Свободные заряды в проводнике находятся в тепловом движении, а поэтому в любом проводнике и всегда имеется движение заряженных частиц. Однако в отсутствии электрического поля движение этих зарядов является хаотическим. Если внутри проводника представить некоторую поверхность, то поток заряженных частиц через эту поверхность, например, слева направо будет равен их потоку справа налево и в сумме поток будет равен нулю. В этом случае никакого электрического тока в проводнике нет. Если проводник поместить в электрическое поле, то заряженные частицы получат дополнительную скорость в направлении поля и возникнет некоторый ненулевой поток заряженных частиц через поверхность. В этом случае можно говорить о том, что в проводнике возник электрический ток.
Если через некоторую поверхность внутри проводника (обычно воображаемую) за некоторое время t заряженные частицы перенесли суммарный заряд q, то величина
называется силой тока через эту поверхность. Величина, определяемая в пределе бесконечно малого промежутка времени
называется мгновенной силой тока.
Сила тока – величина скалярная. Единицей измерения силы тока в системе СИ является Ампер [А]. Сила тока – основная единица системы СИ – у нее имеется физический эталон. Единица заряда – кулон определяется через единицу силы тока:
Сила тока – величина скалярная, но у нее есть направление, которое определяется направлением движения свободных носителей тока. Однако в разных проводниках ток может переноситься как положительными частицами, так и отрицательными (а иногда и теми и другими). При этом в одних и тех же условиях частицы разного знака движутся в противоположных направлениях. По международному соглашению за направление силы тока принимается направление, в котором движутся положительно заряженные носители тока. На практике обычно не имеет никакого значения какими именно частицами переносится ток. Например, в самых распространенных проводниках – металлах ток переносится отрицательно заряженными электронами, поэтому в металлах реальные носители тока движутся противоположно направлению силы тока.
Рассмотрим некоторую проводящую среду. Пусть в этой среде имеются как положительные, так и отрицательные свободные носители тока. Пусть концентрация положительно заряженных частиц равна n+, а отрицательно заряженных – n−. Пусть в среде течет электрический ток и пусть средняя скорость упорядоченного движения положительных частиц равна v+, а отрицательных - v− (речь идет не о средней скорости теплового движения частиц, а о средней скорости направленного движения. Ее еще называют средней дрейфовой скоростью). Пусть заряд положительных частиц равен e+, а отрицательных частиц - e−. Выделим с среде некоторую плоскую поверхность площадью S перпендикулярную направлению тока. За время t через эту поверхность в одну сторону пройдет
положительных частиц и в противоположную сторону
отрицательных частиц. С точки зрения электрического тока перенос некоторого отрицательного заряда в одну сторону полностью эквивалентен переносу равного по модулю положительного заряда в противоположном направлении. Поэтому можно написать, что за время t через выбранную поверхность прошел заряд
Значит, сила тока через выбранную поверхность равна:
Если в среде имеются носители тока только одного знака, то
Отношение силы тока через некоторую поверхность к площади этой поверхности называется плотностью тока:
Плотность тока – величина векторная. За направление вектора плотности тока принимается направление упорядоченного движения положительных зарядов. Единицей измерения плотности тока в системе СИ является [А/м2].
Если сила тока не изменяется со временем, то ток называется постоянным. Далее в этом разделе мы будем рассматривать только постоянный ток.