Электрический ток и его характеристики

Постоянный электрический ток

Электрическим током называется всякое упорядоченное движение электрических зарядов.

Различают:

Ø Ток проводимости - электрический ток, возникающий в проводящих средах в результате упорядоченного движения свободных зарядов под действием электрического поля, созданного в этих средах.

Примеры:

ü ток в металлах, полупроводниках, связанный с упорядоченным движением “свободных” электронов

ü ток в электролитах, представляющий упорядоченное перемещение ионов противоположных знаков

Ø Конвекционный ток – механическое движение в пространстве заряженных макроскопических тел.

Пример:

ток, связанный с движением Земли, которая имеет избыточный отрицательный заряд, по её орбите.

Условия появления и существования электрического тока проводимости в среде:

1) Наличие в среде свободных носителей тока

2) Существование в данной среде внешнего электрического поля, энергия которого должна расходоваться на упорядоченное перемещение электрических зарядов.

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

Количественной характеристикой электрического тока является величина называемая силой тока.

Сила тока I-скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Так как носителями являются как положительные, так и отрицательные заряды, то

Электрический ток может быть распределён по поверхности, через которую он протекает неравномерно. Поэтому, для более детальной характеристики тока вводят вектор плотности тока :

Плотность тока - это векторная физическая величина, определяемая отношением силы тока dJ через элементарную площадку, расположенную в данной точке перпендикулярно направлению движения носителей, к её площади dS_^

Направление вектора совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов, т.е. вектор ориентирован по направлению тока.

Зная вектор плотности тока в каждой точке, интересующей нас поверхности S, можно найти и силу тока через эту поверхность как поток вектора :

Для поддержания тока длительное время необходимо, чтобы заряды, переносимые током, отводились от конца проводника с меньшим потенциалом и подводились к концу с большим потенциалом, т.е. необходимо организовать циркуляцию заряда по замкнутому контуру.

Циркуляция вектора напряженности электростатического поля равна нулю. Поэтому в замкнутой цепи помимо участков, где заряды движутся в сторону убывания потенциала (по полю) должны находиться участки, где заряды движутся в сторону возрастания потенциала (против поля).

На таких участках движения носителей тока происходит под действием неэлектростатических сил, называемых сторонними . Эти силы могут быть обусловлены химическими процессами, диффузией носителей тока в неоднородной среде или через границу двух разнородных веществ и т.д.

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

Работа сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда в цепи характеризуется электродвижущей силой ε.

Стороннюю силу, действующую на заряд q, можно представить в виде

-напряжённость поля сторонних сил.

Тогда

Таким образом, эдс, действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряжённости сторонних сил.

Кроме сторонних сил на заряд действуют электростатические силы , тогда результирующая сила, действующая в каждой точке цепи на заряд q

Работа, совершаемая силой

Физическая величина численно равная работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется напряжением U.