Электрический ток

Введение

Явления и процессы, связанные с движением электрических зарядов, являются предметом электродинамики. Энергия движущихся зарядов легко преобразуется в другие виды энергии и передается на большие расстояния. Поэтому электрический ток стал очень важным явлением, определяющим экономику целых государств.

Электропроводность. Законы постоянного тока

Общие положения

Одним из основных понятий электродинамики является электрический ток. Электрическим током называют упорядоченное движение электрических зарядов в пространстве.

Упорядоченное движение свободных зарядов в проводнике под действием электрического поля называют током проводимости. Если упорядоченное движение зарядов не вызвано действием электрического поля, ток называют конвекционным. Примерами конвекционного тока могут служить перемещения в пространстве заряженного проводника или диэлектрика, движение электрона по орбите в атоме, пучок электронов и др.

Основной характеристикой понятия «электрический ток» является плотность тока . Величина вектора численно равна количеству электричества, протекающего в единицу времени через единицу поверхности площади, перпендикулярной направлению движения зарядов

. (1)

Условно принято, что направление вектора совпадает с направлением движения положительных зарядов. Так как движение отрицательных зарядов эквивалентно движению положительных зарядов в противоположном направлении, то направленное движение отрицательных зарядов обусловливает плотность тока, направленную противоположно их движению.

По аналогии с полем вектора поле вектора можно характеризовать линиями, касательные к которым определяют направление вектора , а их густота - . Развивая аналогию, можно определить поток вектора через площадь S произвольной ориентации и конфигурации. Этот поток в физике и электротехнике получил название силы тока

. (2)

где a - угол между направлением единичного вектора нормали к площадке dS и направлением вектора (рисунок 38)

α

dS┴

dS

Рисунок 38

Из сравнения выражений (1) и (2) вытекает, что . (3)

Единицей силы тока в СИ является ампер . Из формулы (3) следует . В соответствии с определением (1) единицей измерения плотности является А/м². Если за любые равные промежутки времени через поперечное сечение проходят одинаковые заряды, то такой ток называется постоянным. В этом случае I = = const.

Теория, объясняющая протекание тока в металлах направленным движением в них электронов, называется электронной теорией. Она позволяет качественно и количественно объяснить закономерности электрического тока, сопротивление проводников, зависимость сопротивления от температуры и другие явления. В отсутствие электрического поля электроны в металле движутся хаотично, сталкиваясь друг с другом и ионами решетки. Если создать электрическое поле, то на хаотичное движение накладывается упорядоченное движение, то есть возникает преимущественное направление движения электронов – электрический ток.

Сопротивление проводников можно объяснить как следствие изменения направления скорости электронов при столкновениях с ионами решетки.

Основные положения классической теории, предложенные Друде и Лоренцем следующие:

1) совокупность электронов образует электронный газ. Движение электронов подчиняется законам Ньютона;

2) взаимодействие электронов друг с другом и с ионами решетки сводится лишь к упругим соударениям;

3) распределение электронов по скоростям соответствует статистике Максвелла;

4) для электронов справедлива теорема о равномерном распределении энергии по степеням свободы.

Для расчетов используются следующие количественные характеристики электронов:

- средняя скорость упорядоченного движения электронов в электрическом поле;

- средняя скорость теплового движения электронов, определяемая соотношением

(значения этих скоростей существенно отличаются при нормальных условиях: );

длина свободного пробега электронов между двумя столкновениями.