В электрическом поле. Электрический ток и его характеристики

Проводники. Нарушение равновесия зарядов

Определение. Проводники – это материальные тела, в которых при наличии электрического поля возникает направленное движение электрических зарядов.

Определение. Электрический ток– направленный перенос электрического заряда в проводнике.

Протекание тока означает нарушение электрического равновесия зарядов в проводнике.

Носителями электрического тока являются свободные электрические заряды, которые могут перемещаться в объеме проводника.

В проводниках первого рода протекание тока не сопровождается химическими реакциями (металлы, уголь), а в проводниках второго рода – сопровождается (растворы солей и кислот - электролиты). Носителями тока в металлах являются свободные электроны, которые движутся между узлами кристаллической решетки материала. Носителями тока в электролитах служат положительно и отрицательно заряженные ионы, которые образуются в результате диссоциации молекул электролита в растворителе. В ионизированных газах носителями тока являются электроны и ионы.

В отсутствие электрического поля заряды проводника участвуют в тепловом движении. Средняя скорость каждого заряда при этом равна нулю из-за хаотического характера теплового движения. После появления электрического поля в проводнике свободные заряды проводника испытывают направленное ускорение под действием сил электрического поля. Появляется направленное движение свободных зарядов в проводнике. За направление тока условно принимается направление движения положительных зарядов в электрическом поле.

Пусть для простоты имеется один сорт свободных зарядов – носителей тока. Обозначим - число этих зарядов в физически малом объеме в окрестности точки наблюдения с радиус-вектором . Направленная скорость заряда определяется как среднее значение мгновенной скорости заряда в объеме :

Объемная плотность свободных зарядов

где - заряд одной частицы – носителя тока.

Электрический ток имеет две основных характеристики. Одна из них – плотность тока – дифференциальная векторная характеристика тока, другая – сила тока – интегральная скалярная характеристика тока.

Определение. Плотностью электрического тока называется векторная величина, численно равная заряду, протекающему в окрестности точки наблюдения через единичную площадку, перпендикулярную направлению тока, в единицу времени и указывающая направление тока.

Единица измерения плотности тока в системе Си - .

Смысл величины, указанной в определении плотности тока, имеет плотность потока свободных зарядов, равная , таким образом

(2.1)

Если имеется сортов носителей тока, то сначала можно найти вклад в плотность тока от каждого сорта частиц: , где и - плотность заряда частиц сорта и скорость направленного движения такой частицы. Полная плотность тока равна векторной сумме парциальных вкладов в плотность тока от всех сортов частиц:

(2.2)

Определение. Силой электрического тока через поверхность называется скалярная величина, равная заряду, протекающему через поверхность в единицу времени.

Единица измерения силы тока в системе Си - .

Смысл величины, указанной в определении силы тока, имеет поток свободных зарядов через заданную поверхность :

(2.3)

Определение. Постоянным называется ток, сила которого не зависит от времени.

В общем случае ток является переменным, то есть .

Определение. Линией электрического тока называется линия, в каждой своей точке касательная к вектору плотности тока.

Густота изображения линий тока пропорциональна силе тока (см. рис. 2.1). Так как функция плотности тока определена однозначно, то линии тока не могут пересекаться в точках, где . В точках, где , направление тока не определено.