Глава 7. Электродинамика

§ 7.1. Постоянный электрический ток

Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов.

Носителями таких зарядов являются электроны в металлах, полупроводниках и вакуумных лампах или движущиеся ионы обоих знаков в электролитах и газах.

За направление тока принято считать (так сложилось исторически) направление движения положительных зарядов. Поэтому в металлах направление тока противоположно движению зарядов (отрицательных электронов).

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

. (7.1)

Ток, сила и направление которого не изменяются со временем, называется постоянным; в противном случае мы имеем дело с переменным током.

Для постоянного тока . (7.2)

В системе единиц СИ единица силы тока ампер (А) – основная и определяется по электромагнитным свойствам электрического тока (см. табл.1), а из формулы (7.2) устанавливается единица заряда кулон (Кл) в системе СИ. Один кулон − это такое количество заряда, которое проходит через сечение проводника в течение одной секунды при постоянной силе тока один ампер. 1 Кл = 1А·1с.

Плотность тока – это векторная величина, равная отношению силы тока dI, протекающего через площадку dS_┴ , перпендикулярную направлению движения носителей, к площади этой площадки: ее модуль

.

Направление – это направление средней скорости упорядоченного движения положительных носителей зарядов, а размерность равна А^. м^-2.

При замыкании электрических цепей ток устанавливается практически мгновенно во всем проводнике за время t = ℓ/c, где ℓ − длина цепи, с − скорость света, хотя средняя скорость упорядоченного движения электронов ( ≈ 10^–3 м/с) гораздо меньше, чем средняя скорость теплового движения электронов ( ≈ 10⁴ м/с) в нормальных условиях.

Сила тока I в проводнике без разветвления везде постоянна и не зависит от площади поперечного сечения, материала и длины отдельных его частей; плотность постоянного тока зависит от площади сечения проводника S.

Существование электрического тока обнаруживается по его тепловым, химическим и магнитным действиям.

§ 7.2. Электродвижущая сила (эдс) источника

Для поддержания электрического тока нужно, чтобы на носители тока действовали помимо кулоновских сил еще какие-то иные, неэлектростатические, силы (называемые сторонними силами), которые создавали и поддерживали разность потенциалов в цепи. Это осуществляется устройствами, которые называются источниками или генераторами тока, где происходит превращение энергии какого-то вида (механической, химической и т.д.) в электрическую. Характеристикой источников тока является электродвижущая сила (ЭДС) − ε, которая численно равна полной работе (A), которая совершается сторонней электроразделительной силой внутри источника при перемещении между его полюсами единичного заряда:

ε = A/q , где q − количество зарядов.

Учитывая (6.4), для работы, совершаемой всеми силами (кулоновскими и сторонними силами) над зарядом в цепи, получим: А=q (φ₂ –φ₁)+ q ε.

Напряжением (падением напряжения) на участке цепи 1-2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи:

U₁₂=(φ₂ –φ₁)+ ε₁₂ . (7.3)

Понятие напряжения является обобщением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует ЭДС, т. е. сторонние силы отсутствуют. Т.е., при ε₁₂=0 из формулы (7.3) вытекает, что

U₁₂=(φ₂ –φ₁)=Δφ.