Поняття електричного струму

Проведемо в середовищі, де існують вільні заряди обох знаків, деяку уявну поверхню. Нехай за

проміжок часу dt

зліва-направо крізь поверхню пройшов позитивний заряд

dq +

та негативний

dq −,

а у зворотному напрямку перемістились

dq +

та dq −. Якщо різниця величин зарядів, що

переміщуються зліва-направо й навпаки, тобто

dq = (dq + + dq −)−(dq + + dq −)

відмінна від нуля, то

1 1 2 2

вважається, що крізь поверхню проходить електричний струм. Отже, електричний струм – це спрямований рух електричних зарядів. За домовленістю напрямок струму збігається з напрямком руху позитивних зарядів. Струм, який утворюється переміщенням негативних зарядів, має напрямок, протилежний до напрямку їхнього руху.

Інтегральною характеристикою струму є сила струму. Сила струму крізь деяку поверхню

дорівнює відношенню величини заряду dq, що пройшов крізь неї за малий проміжок часу величини цього проміжку

dt, до

I = dq. (3.1.1)

dt

В металах електричний струм має лише одну компоненту – впорядкований рух електронів проти напрямку поля. В електролітах струм утворюється зустрічним рухом позитивних та негативних іонів під дією електричного поля. В однорідних напівпровідниках струм теж має дві компоненти – впорядковане переміщення рух електронів та переміщення у протилежному напрямку фіктивних позитивних зарядів дірок. Для розуміння електричних процесів у напівпровідниковому p-n- переході необхідно враховувати всі чотири компоненти струму.

Електричний опір

Проходження електричного струму супроводжується характерними для нього явищами. В електроліті, де носіями вільних зарядів є іони, проходження струму супроводжується електрохімічними реакціям – електролізом, тобто виділенням на електродах речовин, які входять до складу електроліту, і/або розчиненням матеріалу електрода. В металах вільними носіями зарядів є електрони, тому проходження струму в них не супроводжується хімічними реакціями. Явище взаємодії провідника зі струмом із магнітним полем використовується для перетворення енергії електричного струму в механічну енергію обертання ротора електродвигуна. Нарешті, універсальним проявом струму є виділення тепла Джоуля у провідниках. В цій главі ми будемо аналізувати лише цю останню дію струму.

Якщо у провіднику створити упорядкований рух електричних зарядів, проте надалі не підтримувати його яким-небудь способом, то струм за досить малий проміжок часу припиниться. Цьому причиною є розсіяння носіїв струму на структурних елементах провідника, тобто зміна напрямків їхнього руху та величини імпульсів внаслідок зіткнень з іонами. Про явище розсіяння носіїв заряду, які створюють електричний струм, говорять як про наявність електричного опору провідника.

Закономірність, за якою струм затухає з часом, можна встановити із загальних міркувань,

навіть не розглядаючи конкретних механізмів розсіяння. Нехай в момент

t = 0

в однорідному

провіднику створено струм силою

I 0. Якщо

I (t) – сила струму в момент t, а

I (t + dt) – в момент

t + dt, то зміна сили струму за проміжок

проміжку, так і силі струму, тобто

dt, тобто

dI = I (t + dt)− I (t) пропорційна як величині цього

Коефіцієнт пропорційності τ

dI = − 1 I (t) dt. (3.1.2)

τ

має розмірність часу й містить у собі можливі залежності сили струму

від температури, матеріалу провідника, його форми тощо. Присутність знаку "–" зумовлена тим, що

dI < 0, а також прийнято, що

τ > 0. Розв’язок цього рівняння

I = I 0 exp(− t τ)

має вигляд,

характерний для релаксаційного процесу. Коефіцієнт τ – характеристичний час затухання струму

визначає проміжок часу, на протязі якого сила струму зменшується в

e = 2, 718

раз. В залежності від

матеріалу та форми провідника τ

частки секунди (~ 10−15 c).

може змінюватися в широких межах. В металах він складає малі

Електричне поле у провіднику зі струмом

Внаслідок розсіяння носіїв заряду отримати незатухаючий струм можна лиш, якщо постійно поновлювати яким-небудь способом їхні імпульси. Якщо створити у провіднику градієнт

концентрації n вільних носіїв

(∇ n ≠ 0), то виникає дифузійний струм, який триватиме доти, поки

існує цей градієнт. Можна уявити спосіб отримання струму, зарядивши електрикою диск, та, обертаючи його. Цей напрямлений рух макроскопічних зарядів називається конвекційним струмом. Однак, найчастіше електричний струм створюється електричним полем. В однорідному провіднику за умови рівноважного розподілу заряду електричне поле відсутнє, тоді як у провіднику з незатухаючим струмом поле всередині провідника повинно бути відмінним від нуля. Воно завжди має компоненту, спрямовану вздовж струму, що необхідно для відновлення імпульсів носіїв заряду. Зовні провідника зі струмом лінії поля не перпендикулярні до його поверхні, як це було у статичній задачі, а нахилені до напрямку струму, рис. 3.1.1.

Якщо провідник однорідний та має незмінний переріз, то процеси розсіяння проходять однаково в усіх місцях, тому електричне поле у провіднику теж повинно бути однорідним. З електростатики відомо, що постійне електричне поле однозначно зв’язано з характером розподілу

електричних зарядів на поверхні провідника. Для однорідного розподілі заряду по поверхні тіла циліндричної форми поле всередині тіла відсутнє. Отже, поле (тут однорідне) у провіднику зі струмом може існувати лише за умови неоднорідного розподілу заряду вздовж провідника. Внаслідок взаємного відштовхування надлишковий заряд локалізується на його поверхні. Лінійна густина цього заряду зменшується в напрямку від позитивного полюса джерела струму до середини провідника; далі знак заряду змінюється на протилежний і густина його зростає в бік негативного полюса джерела. Якщо один із кінців провідника заземлити, то лінійна густина заряду плавно спадатиме до

нуля в напрямку до заземленого кінця.

Рис. 3.1.1. Лінії поля для провідника зі струмом.