6

МУ составлены доц.Петренко Л.Г. 21.11.2000

Постоянный электрический ток. Законы постоянного тока

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. Сила электрического тока. Вектор плотности тока. Электрическое сопротивление проводников. Сторонние силы. Электродвижущая сила. Разность электрических потенциалов, электрическое напряжение. Законы Ома и Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах. Электрический ток в сплошной среде. Правила Кирхгофа.

В проводниках (твёрдых, жидких и газообразных), помещённых в электрическое поле, возникает электрический ток.

Электрический ток - это направленное, упорядоченное движение электрически заряженных частиц. Такими частицами могут быть электроны или ионы (электронная или ионная проводимость). За направление электрического тока принято направление движения положительных электрических зарядов. Постоянный электрический ток - это ток, при котором за единицу времени через любое поперечное сечение проводника протекает одинаковый электрический заряд.

О наличии в цепи электрического тока судят по косвенным признакам - по магнитному, тепловому или химическому действию этого тока. Химическое действие не проявляется только в металлах, тепловое действие - только в сверхпроводниках. Магнитное действие тока проявляется всегда. Фарадей говорил: «Нет действия более характерного для тока, чем его магнитное действие». Это явление лежит в основе работы электроизмерительных приборов.

Условия существования электрического тока - наличие электрического поля и свободных носителей заряда.

Для поддержания непрерывного тока должна существовать замкнутая цепь и устройство, разделяющее заряды и поддерживающее напряжение в цепи. Эти устройства называются источниками или генераторами тока.

Электрическое поле перемещает заряды от большего потенциала ₁ к меньшему ₂ (₁>₂). В замкнутой цепи потенциальные силы, осуществляющие это перемещение, не могут поддерживать постоянный электрический ток, так как = 0 (здесь - напряжённость электростатического поля,- элемент длины контура). Для поддержания в цепи постоянного тока на каком-то её участке заряды должны перемещатьсяот меньшего потенциала ₂ к большему ₁. Это может происходить внутри источника тока и только под воздействием сил, имеющих не потенциальную природу, так называемых сторонних сил. Действие сторонних сил характеризуется электродвижущей (электроразделительной) силой - ЭДС. Мерой ЭДС является разность потенциалов на разомкнутых клеммах источника тока. ЭДС обозначается  и измеряется в вольтах [] = 1 В. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль всего контура:

 = , (1)

где - напряжённость поля сторонних сил,- элемент длины контура.

Сторонние силы могут иметь химическую природу - гальванические элементы, аккумуляторы, электромагнитную природу - электрогенераторы, фотоэлектрическую - фотоэлементы и т.д.

Физическая величина, характеризующая работу и электрических, и сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по замкнутому контуру, называется напряжением:

U = (₁ - ₂)  . (2)

Количественными характеристиками электрического тока являются сила тока и плотность тока.

Сила тока - скалярная величина, равная заряду, переносимому через поперечное сечение проводника за единицу времени:

I = . (3)

В СИ сила тока измеряется в амперах: [ I ] = 1A.

Плотность тока - векторная величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения s_ проводника:

J = . (4)

Вектор плотности тока ориентирован по направлению упорядоченного движения положительных зарядов и равен

, (5)

где n - концентрация носителей заряда, e - их заряд (элементарный заряд), - вектор скорости упорядоченного движения зарядов в проводнике. В СИ плотность тока измеряется в амперах, делённых на квадратный метр: [J ] = 1A/м².

Постоянный электрический ток возникает под действием постоянного напряжения и может существовать только в замкнутой цепи. При этом I и не изменяются с течением времени.

В однородной среде - I = J s_, (6)

в неоднородной - I = . (7)