Постоянный ток. Электрический ток.
Различают токи проводимости и токи
смещения. Токи проводимости связаны с
направленным движением электрических
зарядов. О токах смещения мы поговорим
позднее. Проводимость металлов связана
с направленным движением электронов,
электролитов – с направленным движением
ионов, полупроводников – электронов и
«дырок». Электроны, ионы, «дырки» называют
носителями тока. В отсутствии электрического
поля носители тока совершают хаотическое
движение и потому через любую поверхность
в проводящей среде поток носителей
будет равен нулю. При включении
электрического поля на тепловое движение
носителей накладывается упорядоченное
движение со средней скоростью
и через поверхность
появляется поток носителей (ток).
Сила тока.
Количественной мерой электрического тока является сила тока I. Силой тока называется заряд, переносимый сквозь поверхность в единицу времени:
.
Сила тока измеряется в амперах (А).
Плотность тока.
П
лотность
тока является локальной характеристикой
электрического тока. Характеризуется
вектором
,
направление которого совпадает со
скоростью
упорядоченного движения положительных
носителей. Модуль вектора
равен отношению силы тока
через элементарную площадку,
перпендикулярную скорости направленного
движения носителей, к её площади
:
.
В общем случае плотность тока равна:
,
г
де
и
- объемные плотности зарядов носителей,
и
- скорости их упорядоченного движения.
Для металлов
плотность тока равна:
,
где
,
– концентрация электронов,
– величина элементарного заряда.
Вектор
направлен по касательной к траектории
упорядоченного движения носителей. Эти
траектории называются линиями тока.
Графически электрический ток, можно
представить с помощью линий тока (см.
рисунок), направление которых совпадает
с направлением
,
а густота связана с модулем
.
Зная можно найти силу тока через поверхность :
.
Сила тока
является величиной скалярной и
алгебраической, знак которой определяется
выбором направления нормали к поверхности
в каждой точке.
Найдём силу тока через замкнутую поверхность в проводящей среде:
.
М
ы
уже отмечали, что в замкнутых поверхностях
принято вектор нормали брать наружу.
Поэтому заряд, выходящий наружу из
объема
,
ограниченного поверхностью
,
за единицу времени, должен быть равен
убыли заряда в объеме за единицу времени:
,
как следствие закона сохранения электрического заряда.
Ток называется постоянным, если сила
тока по величине и направлению не
изменяется с течением времени
.
Закон Ома для однородного проводника.
Эксперимент показывает, что по проводнику
течёт ток силой
,
если к его концам приложить напряжение
,
пропорциональный напряжению
.
Коэффициент пропорциональности
называется проводимостью проводника,
который зависит от природы проводника,
его геометрических размеров и температуры.
Величина обратная проводимости
.
называется
электрическим сопротивлением проводника.
Сопротивление измеряется в Омах (Ом), а
единица измерения проводимости называется
сименс
.
Закон Ома гласит:
Сила тока, протекающего по однородному проводнику, пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника:
.
В простейшем случае однородного проводника постоянного сечения сопротивление равно:
,
где – длина проводника, – площадь его поперечного сечения, - удельное сопротивление, зависящее от материала проводника и его температуры.
Удельное
сопротивление равно сопротивлению
проводника длиной 1м и сечением
,
измеряется в
.
Величина обратная удельному сопротивлению
называется удельной проводимостью:
.
У проводников удельное сопротивление является линейной функцией температуры:
,
где
- термический коэффициент сопротивления,
-
удельное сопротивление при 0
.
Для большинства проводников
.
При температурах близких к абсолютному
нулю сопротивление проводников
уменьшается до нуля. Это явление
называется сверхпроводимостью, открыто
в 1911г. В 1986-87 гг. была обнаружена
высокотемпературная сверхпроводимость
материалов на основе керамики.