Электрический ток, сила и плотность тока. Методическое пособие составлено кандидатом физико–математических наук Витюком Николаем Васильевичем - доцентом кафедры "Физика" Одесского

Н.Витюк

П О С Т О Я Н Н Ы Й Т О К

Учебное пособие

Методическое пособие составлено кандидатом физико–математических наук Витюком Николаем Васильевичем - доцентом кафедры "Физика" Одесского национального морского университета.

Рецензент доктор технических наук, академик Академии наук высшей школы Украины, профессор Цымарный Валентин Александрович - заведующий кафедрой "Физика и химия" Одесского национального морского университета.

Методическое пособие одобрено кафедрой "Физика" ОНМУ

(протокол N__).

Электрический ток, сила и плотность тока

Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов. Если в проводнике поддерживать внешнее электрическое поле Е, то в нем свободные электрические заряды начнут перемещаться: положительные по полю, отрицательные – против поля, т.е. в проводнике возникает электрический ток, называемый током проводимости. Если же перенос электрических зарядов осуществляется при перемещении в пространстве заряженного макроскопического тела, то возникает так называемый конвекционный ток. Летящий в воздухе шарик из диэлектрика, наэлектризованный благодаря трению о воздух; движение ткани, наэлектризованной в результате набивки на ней рисунка; перемотка тросов из синтетических материалов, и т.д. -- примеры конвекционных токов. В курсе общей физики конвекционные токи не рассматриваются, но в инженерной практике с ними приходится иметь дело довольно часто.

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. Таким образом для протекания электрического тока необходимо иметь замкнутую проводящую цепь с устройством, обеспечивающим электрическое поле внутри проводника - т.е. источник тока.

За направление тока условно принимают направление упорядоченного движения положительных зарядов (техническое направление тока). В металлах свободные электроны движутся в направлении противоположном принятому в те далекие времена, когда представление об электронах и их свойствах еще не было известно и природа носителей заряда в металлах не была выяснена. В жидкостях и ионизированных газах упорядоченное движение электрических зарядов может происходить как в направлении тока (положительные ионы), как и в противоположном направлении (электроны).

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, определяемая электрических зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

I = dQ / dt (1.1)

Ток, сила и направление которого не изменяются со временем называется постоянным. Для постоянного тока I = Q / t, где Q - электрический заряд (в кулонах), проходящий за время t (в секундах) через поперечное сечение проводника. Единица силы тока - ампер (А). При токе в 1 А через полное сечение проводника проходит заряд 1 кулон за время 1 с. На практике применяют и более мелкие единицы: 1 миллиампер (mA) = 10^-3 А и 1 микроампер (mА) = 10^-6 А.

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

j = I / S. (1.2)

Плотность тока – вектор, ориентированный по направлению тока, т.е. направление вектора j совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов. Единица плотности тока – ампер деленный на квадратный метр (А/м²). Посмотрим, от чего зависит плотность тока.

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, то за время dt через поперечное сечение S переносится заряд dQ = ne < v > Sdt.

Сила тока равна I = dQ /dt = ne < v > S, а плотность тока

j = ne < v >. (1.3)

Так как скорость v характеризует движение заряженных частиц в данной точке, то и вектор плотности тока j определяет электрический ток в данной точке проводника. Если выделить в проводнике бесконечно малую площадку dS, то величина заряда, проходящего через нее за время dt, равна dq = j dS dt. Если площадка dS не перпендикулярна к j, то нужно взять составляющую плотности тока j _n, перпендикулярную к dS. Зная вектор плотности тока j, можно выразить через него и силу тока. Из сказанного выше следует:

, (1.4)

где интегрирование проводится по всей поверхности S любого сечения проводника.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: