Электрический ток, сила и плотность тока

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 6Следующая ⇒

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. В проводнике под действием приложенного электрического поля Ε свободные электрические заряды перемещаются: положительные — по полю, отрицательные — против поля, т.е. в проводнике возникает электрический ток, называемый током проводимости. Если же упорядоченное движение электрических зарядов осуществляется перемещением в пространстве заряженного макроскопического тела, то возникает так называемый конвекционный ток.

Для возникновения и существования электрического тока необходимо, с одной стороны, наличие свободных носителей тока - заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно, а с другой - наличие электрического поля, энергия которого, каким-то образом восполняясь, расходовалась бы на их упорядоченное движение. За направление тока условнопринимают направление движения положительных зарядов.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I — 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 Q — электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение проводника.

Единица силы тока - ампер (А). Более детально ток можно охарактеризовать с помощью вектора плотности тока j.

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

Направление вектора j совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов. Единица плотности тока — ампер на метр в квадрате (А/м²).

Выразим силу и плотность тока через скорость v упорядоченного движения зарядов в проводнике. Если концентрация носителей тока равна n и каждый носитель имеет элементарный заряд е (что не обязательно для ионов), то за время dt через поперечное сечение S проводника переносится заряд

Сила тока

а плотность тока

Сила тока сквозь произвольную поверхность S определяется как поток вектора j, т. е.

где d S = n dS ( n — единичный вектор нормали к площадке dS, составляющей с вектором j угол a).

Сторонние силы. Электродвижущая сила.

Напряжение

Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей, от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Это приведет к выравниванию потенциалов во всех точках цепи и к исчезновению электрического тока. Поэтому для существования постоянного тока необходимо, чтобы в цепи наряду с участками, на которых положительные заряды движутся в сторону убывания потенциала, должны быть участки, на которых перенос положительных зарядов происходит в направлении возрастания потенциала, т.е. против сил электростатического поля. Заставить двигаться положительные заряды от меньшего потенциала к большему, а отрицательные – от большего к меньшему, необходима сила неэлектрической природы. Поэтому необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками тока. Силы неэлектростатического происхождения , действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними.

Природа сторонних сил может быть различной. Например, в гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами; в генераторе — за счет механической энергии вращения ротора генератора и т. п. Роль источника тока в электрической цепи, такая же, как роль насоса, который необходим для перекачивания жидкости вгидравлической системе.

Под действием поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток.

Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов. Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении положительного единичного заряда, называется электродвижущей силой ( э.д.с. ) e, действующей в цепи:

. (1)

Эта работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину e можно также называть электродвижущей силой источника тока, включенного в цепь. Э.д.с., как и потенциал, выражается в вольтах.

Сторонняя сила F_ст действующая на заряд Q₀, может быть выражена как

где Е_ст — напряженность поля сторонних сил. Работа же сторонних сил по перемещению заряда Q₀ на замкнутом участке цепи равна

. (2)

Разделив это выражение на Q₀, получим выражение для э.д.с., действующей в цепи:

т. е. э.д.с., действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил. Э.д.с., действующая на участке 1 — 2, равна

(3)

На заряд Q₀ помимо сторонних сил действуют также силы электростатического поля F_e= Q₀E. Таким образом, результирующая сила, действующая в цепи на заряд Q₀, равна

Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом Q₀ на участке 1—2, равна

Используя выражения (3) и ,

можем записать

. (4)

Для замкнутой цепи (j₁= j₂) работа электростатических сил равна нулю, поэтому

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

Если э.д.с. способствует движению положительных зарядов в выбранном направлении (в направлении а-в), то e₁₂> 0 (рис.1). Если э.д.с. препятствует движению положительных зарядов в данном направлении, то e₁₂< 0 (рис.2).

рис. 1

рис. 2

Участок цепи, на котором не действуют сторонние силы, называется однородным. Для однородного участка цепи

Понятие напряжения является обобщением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует э.д.с., т. е. сторонние силы отсутствуют.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 Следующая ⇒