6.1. Электрический ток.

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле

Е, то на свободные заряды q в проводнике будет действовать сила

F = q E. (6.1.)

В проводнике может при определенных условиях возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда.

Рис. 27. Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике и ток I. S – площадь поперечного сечения проводника, E– электрическое поле.

Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле. Чтобы электрический ток в проводнике существовал длительное время, необходимо все это время поддерживать в нем электрическое поле. Электрическое поле в проводниках создается и может длительное время поддерживаться источниками электрического тока. В настоящее время человечество использует четыре основные источника тока: статический, химический, механический и полупроводниковый (солнечные батареи), но во всяком из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Раздельные частицы накапливаются на полюсах источника тока, так называют места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют проводники. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой - отрицательно. Если полюсы соединить проводником, то под действием поля свободные заряженные частицы в проводнике будут двигаться, возникнет электрический ток.

6.2. Сила и плотность тока.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени Δt, к этому интервалу времени: I = ∆q/∆t. (6.2.)

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Для постоянного тока I = Q/t, (6.3.)

где Q - электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение проводника. В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А). Единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током. Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Величина, определяемая силой тока, проходящей через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока, называется плотностью тока: j = dI/dS. (6.4.)

Если концентрация носителей тока равна n и каждый носитель имеет элементарный заряд е, то за время t через поперечное сечение S проводника переносится заряд dQ = ne<v>Sdt. (6.5.)

Сила тока I =dQ/dt = ne<v>S, (6.6.)

а плотность тока j = ne<v>. (6.7.)

Плотность тока — вектор, ориентированный по направлению тока, т.е. направление вектора j совпадает с направлением движения положительных зарядов. Единица плотности тока — ампер на метр в квадрате (А/м²). Сила тока через произвольную поверхность S определяется, как поток вектора j, т.е. I = _sò jdS. (6.8.)

При перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил не электростатического происхождения. Силы не электростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.