Электрический ток и его характеристики

6.1 Условия возникновения электрического тока

Любое упорядоченное движение заряженных частиц называется электрическим током.

Для того чтобы возник электрический ток необходимо выполнить следующие условия.

1) Наличие свободных заряженных частиц (носителями тока в проводниках являются свободные электроны, в жидкостях – положительные и отрицательные ионы; в газах ток возникает только под действием ионизаторов: рентгеновское излучение, нагревание и т.д., носителями тока в газах являются свободные электроны и положительные и отрицательные ионы).

2) Наличие постоянной разности потенциалов, которая может поддерживаться источником напряжения.

Любой источник напряжения характеризуется электродвижущей силой (э.д.с.). Э.д.с. – это работа, совершаемая сторонними силами по перемещению единичного заряда по замкнутой цепи:

, (6.1)

где – сторонние силы, т.е. силы не имеющие электростатического происхождения (магнитные, химические и т.д.). – напряженность стороннего поля, которое не может быть создано покоящимися электрическими зарядами.

Количественными характеристиками электрического тока служат сила тока и плотность тока.

Сила тока – это физическая величина численно равная количеству заряда, протекающего через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Для постоянного тока это можно записать следующим образом

. (6.2)

Для переменного тока выражение для силы тока выглядит так:

. (6.3)

Плотностью тока называют векторную величину, равную количеству заряда, протекающего в единицу времени через единицу поперечного сечения проводника и направленную по нормали поперечного сечения проводника.

Плотность тока и сила тока связаны между собой следующим соотношением:

, (6.4)

где – это угол между нормалью к площадке S, через которую течет ток, и направлением движения заряженных частиц.

6.2 Закон Ома в дифференциальной форме

Для тока в проводниках сохраняются понятия линии и трубки тока (см. раздел 3). Рассмотрим в проводящей среде небольшой отрезок трубки тока (см. рис.6.1) длины dl и два близких ее сечения. Обозначим потенциалы этих сечений

Рисунок 6.1

через и , а величину площади сечения через dS. Применяя для выделенного участка проводника закон Ома , где R сопротивление выделенного участка цепи и оно равно , получим, что сила тока определяется сокращая на dS, и вводя понятие удельной электропроводности среды (напоминаем,что r-удельное сопротивление проводника), получаем:

.

Применяя выражение (5.15), получим, что

.

Учитывая, что плотность тока j и напряженность электрического поля внутри проводника E векторы и притом одинаково направленные, запишем окончательно:

. (6.5)

Соотношение (6.5) носит название дифференциальной формы закона Ома, оно содержит величины, характеризующие электрическое состояние среды в одной и той же точке пространства.