Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
Электрический ток. Сила и плотность тока
|
|
ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
Электрический ток. Сила и плотность тока.
Электрический ток – всякое упорядоченное движение электрических зарядов.
Электрический ток, который возникает как упорядоченное движение свободных зарядов под действием электрического поля в проводящих средах, под током проводимости.
Кроме тока проводимости существуют другие виды тока. Если какое-то тело зарядить и перемещать в пространстве, то в этом случае электрические заряды будут перемещаться вместе с макроскопическим телом. Такой ток называют конвекционным или переносным.
В случае тока в вакууме микроскопические электрические заряды движутся в пустоте независимо от макроскопических тел (например, потоки электронов в электрической лампе).
Для существования и появления тока необходимы следующие условия:
1) наличие в данной среде свободных носителей заряда, т.е. частиц, которые могли бы упорядоченно перемещаться.
2) существование в данной среде внешнего электрического поля, энергия поля расходуется на упорядоченное перемещение электрических зарядов.
3) необходим источник энергии, пополняющий запас энергии электрического поля.
За положительное направление тока принято направление упорядоченного движения положительных электрических зарядов.
Количественная мера электрического тока служит сила тока
Сила тока – скалярная величина, равная отношению заряда dq, переносимого через рассматриваемую поверхность dS за малый промежуток времени, к величине dt этого промежутка: 
.
Если сила и направление тока не меняется во времени, ток называется постоянным: 
,
где q – заряд, переносимый через рассматриваемую поверхность за конечный интервал времени t.
Сила тока в системе СИ измеряется в Амперах 
.
Характеристикой тока, отражающей его распределение по поверхности, является плотность тока 
.
Плотность тока - векторная величина, направленная противоположно движению электронов, и численно равная отношению силы тока dI через очень малый элемент поверхности, нормальный к направлению движения зарядов, к величине dS площади этого элемента:
, где 
- орт вектора .
· За направление вектора принимают направление вектора скорости и упорядоченного движения положительных носителей.
· Для произвольно ориентированного элемента dS имеем: 
,
где 
- угол между направлением тока и нормалью к dS.
· Для постоянного тока 
по всему поперечному сечению S однородного проводника, I=jS.
· Зная вектор в каждой точке пространства, можно найти силу тока через любую поверхность 
: 
.
Таким образом, сила тока есть поток вектора плотности тока через поверхность S.
Электрический ток может быть обусловлен движением как положительных, так и отрицательных носителей. Перенос отрицательного заряда в одном направлении эквивалентен переносу такого же по величине положительного заряда в противоположном направлении.
Если ток создается носителями обоих знаков, и за время dt через данную поверхность положительные носители переносят заряд 
в одном направлении, а отрицательные - заряд 
в противоположном, то
.
Поле вектора плотности тока можно изобразить с помощью линий тока, которые строятся так же, как линии вектора 
.
Линии тока – это кривые, касательные в каждой точке к которым совпадают по направлению с вектором .
Пусть в единице объема содержится
положительных носителей и 
– отрицательных.
Алгебраическая величина зарядов носителей равна соответственно 
и 
.
Если под действием поля носители приобретают средние скорости 
и 
, то за единицу времени через единичную площадку пройдет
· 
положительных носителей, которые перенесут заряд 
,
· отрицательные носители перенесут в противоположном направлении заряд 
.
Тогда плотность тока равна 
,
или в векторной форме 
,
оба слагаемых имеют одинаковое направление (скорость 
направлена противоположно 
, 
дает знак минус, поэтому 
имеет то же направление, что 
).
Произведение 
- плотность заряда положительных носителей,
– плотность заряда отрицательных носителей,
тогда 
.
Рассмотрим некоторую среду, в которой течет ток.
Выберем воображаемую замкнутую поверхность S.
Заряд, выходящий в единицу вр емени из объема V,ограниченного поверхностью S, равен согласно закону сохранения заряда, равен скорости убывания заряда q, содержащегося в данном объеме
.
Но 
, тогда 
.
Преобразуем это выражение по теореме Остроградского-Гаусса,
имеем 
.
Это равенство выполняется при произвольном выборе объема V, следовательно, в каждой точке пространства должно выполняться условие 
Это равенство получило название уравнения непрерывности.
Оно выражает закон сохранения заряда.
Согласно этому уравнению, в точках, которые являются источниками вектора , происходит убывание заряда.
В случае стационарного тока объемная плотность заряда 
не зависит от времени, тогда уравнение непрерывности имеет вид: 
- в случае постоянного тока вектор не имеет источников.
Это означает, что линии тока нигде не начинаются и нигде не заканчиваются.
Следовательно, линии постоянного тока всегда замкнуты, и 
.
2. Электродвижущая сила.
Циркуляция вектора напряженности электростатического поля равна нулю,
поэтому в замкнутой цепи наряду с участками, на которых положительные носители движутся в сторону убывания потенциала 
, должны иметься участки, на которых перенос положительных зарядов происходит в направлении возрастания 
, т.е. против сил электростатического поля.
Перемещение носителей на этих участках возможно лишь с помощью сил неэлектрического происхождения, называемых сторонними силами.
Таким образом, для поддержания тока необходимы сторонние силы, действующие либо на всем протяжении цепи, либо на отдельных ее участках.
Эти силы могут быть обусловлены:
· химическими процессами,
· диффузией носителей тока в неоднородной среде и т.д.
Сторонние силы действуют на носители тока, вызывая их упорядоченное движение, и поддерживают ток в цепи.
Величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС) 
: 
.
Сторонняя сила 
, действующая на заряд q, 
,
где 
– напряженность поля сторонних сил.
Работа сторонних сил над зарядом q на участке цепи 1-2 равна: 
.
Для ЭДС на участке цепи имеем: 
.
Если цепь замкнута 
-
Date: 2015-07-22; view: 593; Нарушение авторских прав