Постоянный электрический ток

Электрический ток. Сила и плотность тока.

Если в проводнике создать электрическое поле, то носители заряда придут в упорядоченное движение, положительные в направлении поля, отрицательные в противоположную сторону. Упорядоченное движение зарядов называется электрическим током.

Поле в проводнике может создаваться электронами и положительными ионами(поле кулоновских сил). Но кулоновские силы между зарядами всегда приводят к такому перераспределению зарядов, при котором электрическое поле в проводнике исчезает, а потенциалы во всех точках выравниваются. Например, при сообщении заряда проводнику, в нем в течение короткого времени заряды будут перемещаться , т.е. течь ток, но затем когда заряды перераспределяться так, что поле станет равным нулю, ток исчезнет. Или, например, если обкладки конденсатора соединить проводником, то тоже в течение некоторого времени будет протекать ток, пока потенциалы обкладок не выровняются. Таким образом,. поле кулоновских сил не может вызвать стационарный процесс упорядоченного движения зарядов, т.е. не может являться причиной возникновения тока. Очевидно, что для поддержания длительного тока в цепи на свободные заряды должны действовать помимо кулоновских сил еще какие-то иные, не электростатические силы.

Рассмотрим ,например, замкнутую цепь. Потенциал в точке А-, в точке В-.

Пусть , тогда под действием электростатических сил положительные заряды будут двигаться от А к В ,например, по пути C. Для существования тока нужно, чтобы заряды двигались по замкнутому пути, но под действием электростатических сил заряды по участку от В к А не пойдут (циркуляция ), т.к. . На участке D в направлении от В к А должен происходить перенос положительных зарядов в направлении возрастания потенциала, т.е. против сил электростатического поля. Перемещение носителей на этом участке возможно лишь с помощью сил не электростатического происхождения, называемых сторонними силами. Эти сторонние силы создаются в цепи источниками тока ( гальваническими элементами, электрическими генераторами). Природа сторонних сил различна в различных источниках тока( аналогия с циркуляцией воды в замкнутой цепи- насос- аналог сторонних сил, сила тяжести- аналог электростатических сил).

Таким образом для появления и существования электрического тока в проводнике необходимы 2 условия.

1. Наличие в данной среде электрических зарядов, которые могли бы в ней перемещаться ( металлы- электроны, электролиты - и + ионы, газы – и + ионы и электроны).

2. Наличие в данной среде электрического поля, энергия которого затрачивалась бы на перемещение электрических зарядов. Это поле должно создаваться источником тока ( источником электродвижущей силы).

Для характеристики электрического тока вводится понятие силы тока. Силой тока I называется скалярная физическая величина, численно равная электрическому заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Если за время dt переносится заряд dq, то

Если сила тока не меняется с течением времени, то ток называют постоянным

Электрический ток может быть обусловлен движением как положительных, так и отрицательных зарядов. Если в проводнике движутся носители обоих знаков, то

За направление тока принимается направление, в котором перемещаются положительные заряды.

В отсутствии поля носители тока участвуют в хаотическом тепловом движении с некоторой скоростью . При включении поля на хаотическое движение носителей налагается упорядоченное движение со скоростью . Средняя скорость носителей .

Для характеристики распределения электрического тока по сечению проводника вводится вектор плотности тока . Вектор численно равен силе тока, который проходит через единицу площади сечения проводника, проведенного перпендикулярно к направлению тока

За направление принимается направление вектора скорости упорядоченного движения положительных носителей.

Зная вектор плотности тока в каждой точке проводника, можно найти силу тока через любую поверхность S

,где - проекция вектора на направление нормали к площадке dS.

В случае постоянного тока и однородного по сечению проводника

Единица силы тока ампер в СИ является основной, ее определение мы дадим дальше.

Единица заряда – кулон определяется как заряд переносимый за 1сек через поперечное сечение проводника при силе тока в 1А.

1Кл=1А*1сек.