ФИЗИКА

3.4.1. Движение зарядов в проводнике

Направленное движение зарядов в проводнике приводит к переносу энергии электромагнитного поля в пространстве.

Электрический ток – упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Для существования электрического поля необходимо наличие в данном теле (или в данной среде) свободных зарядов, которые могут перемещаться в пределах всего тела. Такие частицы называются носителями тока. Ими могут быть электроны, ионы, либо макроскопические частицы, несущие на себе избыточный заряд (например, заряженные пылинки или капли дождя).

В проводнике концентрация свободных зарядов наибольшая в сравнении с другими веществами. Поэтому для передачи энергии электромагнитного поля из одной точки пространства в другую используют металлические проводники подобно тому, как для транспортировки воды применяют трубы.

Второе условие существования электрического тока в проводнике – наличие внешнего электрического поля. В отсутствие поля носители заряда принимают участие в хаотическом тепловом движении. Но в этом случае через произвольную площадку, проведённую мысленно в теле, проходит в обе стороны в среднем одинаковое количество носителей любого знака, так что ток равен нулю. При включении поля на хаотическое движение носителей со скоростью накладывается упорядоченное движение со скоростью . Таким образом, скорость носителей будет . А так как среднее значение равно нулю, то средняя скорость носителей равна :

(3.4.1)

Количественной характеристикой электрического тока служит сила тока I. Она определяется величиной заряда, переносимого через рассматриваемую поверхность в единицу времени.

Если за время dt через поверхность переносится заряд dq, то

(3.4.2)

Электрический ток может быть обусловлен движением как положительных, так и отрицательных носителей. Перенос отрицательного заряда в одном направлении эквивалентен переносу такого же по величине положительного заряда в противоположном направлении. Если ток создаётся носителями обоих знаков, причём за время dt через данную поверхность положительные носители переносят заряд dq+ в одном направлении, а отрицательные – заряд dq- в противоположном, то

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

Электрический ток может быть распределён по поверхности, через которую он течёт, неравномерно. В этом случае более детально ток можно охарактеризовать с помощью вектора плотности тока . Этот вектор численно равен силе тока через расположенную в данной точке перпендикулярную к направлению движения носителей площадку , отнесённой к величине этой площадки:

(3.4.3)

За направление принимается направление вектора скорости упорядоченного движения положительных носителей.

Поле вектора плотности тока можно изобразить с помощью линий тока, которые строятся так же, как и линии вектора .

Зная вектор плотности тока в каждой точке пространства, можно найти силу тока I через любую поверхность S:

(3.4.4)

Пусть в единице объёма содержится n+ положительных носителей и n- отрицательных. Алгебраическая величина зарядов носителей равна соответственно e+ и e-. Если под действием поля носители приобретают средние скорости U+ и U-, то за единицу времени через единичную площадку пройдёт n+U+ положительных носителей, которые перенесут заряд e+n+U+. Аналогично отрицательные носители перенесут в противоположную сторону заряд e-n-U-. Отсюда для плотности тока получается следующее выражение:

(3.4.5)

Этому выражению можно придать векторную форму:

(3.4.6)

Ток, не изменяющийся со временем, называется постоянным. Для постоянного тока

(3.4.7)

где q – заряд, переносимый через рассматриваемую поверхность за конечное время t.

В СИ единица силы тока ампер (А).

Можно показать, что для постоянного тока вектор не имеет источников. Это означает, что линии тока нигде не начинаются и нигде не заканчиваются. Следовательно, линии постоянного тока всегда замкнуты.

к к к