Электрический ток. Электродвижущая сила. Напряжение

Под электрическим током понимают направленное движение электрически заряженных частиц (например, ток проводимости, связанный с движением заряженных частиц в какой-либо среде) или заряженных макроскопических тел (конвекционный ток, в частности, падение заряженных капель дождя). Носителями тока в металлах являются электроны (отрицательно заряженные элементарные частицы), в жидкостях ¾ ионы, в газах ¾ ионы и различные заряженные частицы, в полупроводниках электрический ток могут создавать электроны и дырки.

Количественными характеристиками электрического тока являются: скалярная величина, которая называется сила тока Iи векторная величина, называемая плотностью электрического тока

Сила тока I ¾ это величина, численно равная заряду, который проходит через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Если за время Dt через поверхность пройдет заряд Dq, то усредненная сила тока определяется как

(7.1)

Мгновенное значение силы тока запишется в виде

(7.2)

а постоянный ток (сила и направление вектора скорости носителей заряда которого постоянны во времени) характеризуется выражением

(7.3)

Единицей измерения электрического тока в СИ является ампер

Величина вектора плотности тока в интересующей нас точке пространства численно равна силе тока, проходящего через расположенную в данной точке единичную площадку, ориентированную перпендикулярно к направлению движения носителей заряда.

Если силу тока, протекающего через поперечное сечение проводника, обозначим как I, а площадь сечения ¾ S_^, то

(7.4)

Исторически принято, что направление вектора (направление тока) совпадает с направлением упорядоченного движения положительных носителей заряда.

Исходя из определения плотности тока легко получить, что

j = qnávñ, (7.5)

где q ¾ заряд носителя тока, n ¾ соответственно концентрация носителей в проводнике и ávñ их средняя скорость упорядоченного движения.

Для возникновения и существования электрического тока необходимо присутствие свободных носителей заряда и силы, обеспечивающей их упорядоченное движение. Эта сила обычно появляется за счет действия электрического поля, которое определяется электрическим напряжением на концах проводника.

Электрическое напряжение. Электрический ток в проводнике создается разностью потенциалов, например j₁ - j₂ (см. рис. 7.1), вспоминая прошлую лекцию, разностью потенциальных энергий, которыми обладает носитель заряда в разных точках электрического поля внутри проводника. В данном случае можно провести аналогию с наличием перепада высот на различных участках реки, чем больше перепад, тем сильнее поток воды в реке.

Рис. 7.1.

В случае реки перепад высот и круговорот воды создает природа, в случае электрического тока также необходим какой-либо источник (обозначим e), который бы осуществил круговорот зарядов (рис. 7.2).

Рис. 7.2

Данный источник играет роль своеобразного насоса, который от конца проводника с меньшим потенциалом (т. 2) перебрасывает проводимые током заряды к концу с большим потенциалом (т. 1). Перемещение положительных носителей тока (на самом деле в металлическом проводнике, конечно, движутся электроны) на участке 2 ® 1 происходит против сил электростатического поля и возможно только при приложении сил неэлектростатического прохождения, называемых сторонними силами. Эти силы могут быть обусловлены механическими, химическими, световыми и другими процессами. Величина, равная работе сторонних сил над единичным положительным зарядом, называется электродвижущей силой (ЭДС, термин не очень удачен) e, действующей на участке (например, участок 2 ® 1) или в замкнутой цепи (рис. 7.2).

Если работа сторонних сил над зарядом q равна А_ст., то

(7.6)

Из выражения (7.6) видно, что размерность ЭДС совпадает с размерностью потенциала (вольт).

Устройства, которые обеспечивают действие сторонних сил, получили название источников электрического тока и обозначаются в схемах как где длинная вертикальная черта соответствует положительному полюсу источника. Сторонние силы внутри источника тока действуют от отрицательного полюса к положительному, это направление часто называют направлением действия ЭДС.

Рис. 7.3

Если на некотором участке электрической цепи, например 1-2, (рис. 7.3) действуют одновременно электростатические и сторонние силы с электродвижущей силой e₁₂ (неоднородный участок цепи), То величина, численно равная работе, совершаемой электростатическими (кулоновскими) и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда из т. 1 в т. 2, получила название напряжения U на выделенном участке электрической цепи (можно падение напряжения):

U = (j₁ - j₂) + e₁₂ (7.7)

Знак e₁₂ в общем случае зависит от направления действия электродвижущей силы.

Если на рассматриваемом участке цепи 1-2 отсутствуют сторонние силы (e₁₂ = 0, однородный участок), то U = j₁ - j₂, (7.8)

поэтому в формуле электрической емкости мы писали