Электрический ток

 

Проводящая среда характеризуется, как известно, наличием свободных заряженных частиц. Если в проводящей среде создано электрическое поле напряженностью , то заряды приходят в упорядоченное движение, т.к. электрическое поле действует на каждый заряд с определенной силой:

 

. (1.12)

Формула (1.12) показывает, что при положительном заряде q векторы и являются сонаправленными. В случае отрицательного заряда векторы и направлены в противоположные стороны.

Если на тело действует сила, то оно приобретает ускорение, величина и направление которого определяется вторым законом Ньютона:

, (1.13)

где – ускорение, – действующая сила, m – масса тела.

Таким образом, в проводящей среде свободные заряды под действием напряженности электрического поля приходят в упорядоченное движение, т.е. возникает электрический ток.

Электрический ток – это направленное движение зарядов. Для описания электрического тока вводят характеристики силы и плотности тока.

Сила тока – это заряд, протекающий в единицу времени через поперечное сечение проводника. Обозначается сила тока I и определяется формулой

. (1.14)

 

Сила тока I является скалярной величиной и измеряется в амперах

, (1.15)

т.е.

.

Для характеристики интенсивности движения зарядов и учета направления их движения ввели понятие объемной плотности электрического тока или часто говорят о плотности тока.

Плотность электрического тока – это векторная величина, направленная вдоль напряженности электрического поля и численно равная отношению силы тока к размеру площади поверхности, через которую он протекает. Плотность электрического тока определяется формулой

 

, (1.16)

где – плотность тока, – единичный вектор, DI – сила тока, DS – площадь поверхности. Единицей измерения плотности тока является ампер на квадратный метр:

. (1.17)

В общем случае плотность тока неодинакова в разных точках пространства и является векторной функцией координат, т.е.

. (1.18)

Характеристики электрического поля, т.е. сила и плотность тока, связаны между собой. Такая связь выражается формулой

, (1.19)

где I – сила тока, протекающая через поверхность S, – плотность тока, – направленная элементарная площадка площадью dS.

Заметим, что ориентацию элементарной площадки dS учитывают с помощью единичного нормального вектора, проведенного к площадке (рис. 1.1).

 

 

Рис. 1.1. Нормаль, проведенная к элементарной площадке

 

Поэтому вектор определяется формулой

 

. (1.20)

В формуле (1.19) произведение представляет собой поток вектора плотности тока, проходящего через указанную поверхность

. (1.21)

Иными словами, электрический ток есть поток вектора плотности тока. Добавим, что электрический ток, обусловленный направленным движением реальных заряженных частиц, называется током проводимости.

По способности проводить электрический ток все среды классифицируют на проводники, диэлектрики и полупроводящие среды.

Проводники характеризуются способностью проводить электрический ток. Для характеристики проводящей среды ввели понятие удельной проводимости s, которая зависит от физических свойств материала, температуры. Удельная проводимость измеряется в сименсах на метр ();

.

Диэлектрики не проводят электрический ток. Полупроводящая среда одновременно обладает свойствами и проводника, и диэлектрика.

Проводящей средой могут быть твердые тела, жидкости и газы. К проводникам в виде твердого тела относят металлы, в которых свободными зарядами являются свободные электроны. К жидкостям, проводящим электрический ток, относят кислоты, растворы солей, щелочи. В них свободными заряженными частицами являются ионы: положительные и отрицательные. В газах, при соответствующих условиях, проводят ток и ионы, и электроны.

Для конкретной точки проводящей среды связь между векторами напряженности электрического поля и плотности тока выражается законом Ома в дифференциальной форме:

, (1.22)

где – плотность тока, s – удельная проводимость, – напряженность электрического поля.

Из формулы (1.22) видно, что вектор плотности электрического поля сонаправлен с вектором напряженности электрического поля, т.к. удельная проводимость вещества является положительной величиной.