Лекция 6 Электрический ток

1. Электрический ток. Сила и плотность тока.

В электродинамике – разделе учения об электричестве, в котором рассматриваются явления и процессы обусловленные движением электрических зарядов или макроскопических заряженных тел, - важнейшим понятием является понятие электрического тока. Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов.

	Если в проводнике поддерживать внешнее электрическое поле , то в нем свободные электрические заряды начнут перемещаться: положительные – по полю, отрицательные – против поля (рис.1), то есть в проводнике возникает электрический ток, называемый током проводимости.
Рис. 1.

Для возникновения и существования электрического тока необходимо:

1). Наличие свободных носителей тока – заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно,

2). Наличие электрического поля, энергия которого каким-либо образом восполняясь, расходовалась бы на их упорядоченное движение. За направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока - скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени. Ток, сила и направление которого не изменяются со временем, называется постоянным. Для постоянного тока

,

где - электрический заряд, проходящий за времячерез поперечное сечение проводника. Единица силы тока – Ампер (А)

Физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника перпендикулярного направлению тока, называется плотностью тока:

.

Плотность тока – вектор, ориентированный по направлению тока, то есть направление вектора совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов. Единица плотности тока – А/м².

Выразим силу и плотность тока через скорость упорядоченного движения зарядов в проводнике. Если концентрация носителей тока равнаи каждый носитель имеет заряд( что не обязательно для ионов), то за времячерез поперечное сечениепереносится заряд. Сила тока равна

,

а плотность тока

. (1)

Сила тока сквозь произвольную поверхность определянется как поток вектора, то

есть

.

2. Сторонние силы. Электродвижущая сила (эдс) и напряжение.

Если два разноименно заряженных проводника А и В, заряженных до потенциалов и

	соединить проводником С (рис.2), то под действием поля начнется перемещение электронов в направлении АСВ, то есть по проводнику пойдет ток в направлении ВСА. В процессе прохождения тока произойдет выравнивание потенциалов и напряженность поля внутри проводника станет равной нулю,
Рис. 2.

ток прекратится. Таким образом, электрическое поле создает в проводнике кратковременный импульс тока ( сила тока в момент соединения возрастает от нуля до некоторого максимума, а затем постепенно убывает до нуля).

Для поддержания в цепи постоянного тока необходимо иметь специальное устройство, внутри которого происходило бы непрерывное разделение разноименных зарядов и их перенос к соответствующим проводникам (положительные заряды к проводнику В, отрицательные – к А). Подобное устройство, называемое источником тока (или генератором), должно действовать на электроны (или вообще на заряды) силами неэлектростатического происхождения. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними..

Природа сторонних сил может быть различной. Например, в гальванических элементах эти силы возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами. В генераторах постоянного тока – за счет энергии магнитного поля и механической энергии вращения якоря. Роль источника тока в электрической цепи, образно говоря, такая же как роль насоса, который необходим для перекачивания жидкости в гидравлической системе. За счет создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах внешней цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток.

Сторонние силы, перемещая электрические заряды, совершают работу. Физическая величина, определяемая работой сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (эдс), , действующей в цепи:

. (1)

Эта работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину можно также называть электродвижущей силой источника тока, включенного в цепь. Эдс как и потенциал выражается в вольтах (В).

Напряжением на участке 1-2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении положительного заряда на данном участке цепи. Таким образом, согласно формуле (1)

,

где

Понятие напряжения является обобщением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не приложена эдс, то есть сторонние силы отсутствуют.