Постоянный электрический ток. Сила и плотность тока. Разность потенциалов, электродвижущая сила и электрическое напряжение

Упорядоченное движение зарядов называется электрическим током.

Электрический ток характеризуется силой тока. Сила тока ¾ скалярная величина, равная заряду, переносимому через поперечное сечение проводника в единицу времени. Если за время dt переносится заряд dq, то сила тока i равна

i = (12.1)

Если q ¾ неизменный заряд, переносимый за какое-то определенное время t, то

I = (12.1’)

и ток называется постоянным. Различают виды тока: конвенционный и ток проводимости. Большей частью мы будем рассматривать лишь ток проводимости. Током проводимости называют электрический ток, обусловленный упорядоченным движением свободных зарядов в проводниках. В системе СИ ток измеряется в амперах (А).

Одной из основных характеристик электрического тока является плотность тока. Вектором плотности тока называется сила тока di, которое проходит через поперечное единичное сечение, ориентированное перпендикулярно к вектору скорости движения зарядов. j= (12.2)

¾ величина векторная, направлена в сторону движения положительных носителей заряда, измеряется в А/м² (СИ)..

Упорядоченное движение зарядов можно вызвать различными способами. Во-первых, под действием электрических (кулоновских) сил. Однако кулоновские взаимодействия между зарядами всегда приводят к такому перераспределению свободных зарядов, при котором электрическое поле в проводнике исчезает, а потенциалы во всех точках выравниваются. Поэтому поле кулоновских сил не может вызвать стационарный процесс упорядоченного движения зарядов, т. е. не может являться причиной постоянного электрического тока.

Очевидно, что для поддержания постоянного тока в цепи на свободные заряды должны действовать помимо кулоновских сил еще какие-то иные, неэлектрические силы. Эти силы носят название сторонних сил, напряженность поля этих сил ¾ E_ст.

Для поддержания тока необходимо осуществлять круговорот зарядов, при котором они двигались бы по замкнутому пути. Поэтому в замкнутой цепи наряду с участками, на которых положительные заряды двигались бы в сторону убывания потенциала, должны быть участки, где заряды двигались бы в направлении возрастания потенциала, т. е. против сил электрического поля. Такое движение возможно лишь с помощью сторонних сил. Для поддержания электрического тока в замкнутой цепи необходимы устройства, в которых возникли бы сторонние силы ¾ источники тока.

Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по цепи зарядами. Величина, равная работе сторонних сил по перемещению положительного единичного заряда, называется электродвижущей силой (э.д.с.) ε, действующей в цепи или на ее участке

ε = (12.4)

ε = _ст dl (12.5)

Кроме сторонних сил, на заряд действуют силы электростатического поля . Следовательно, результирующая сила в каждой точке цепи, действующая на заряд q:

(12.6)

Работа этой силы на участке цепи 1-2

A_1,2= q _{ст l} dl + q _l dl= qE_1,2 + q(j₁ - j₂) (12.7)

Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю, поэтому:

A=qε

Величину, численно равную работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда называют падением напряжения или просто напряжением U на данном участке цепи. В соответствии с формулой (12.7)

U₁₂=j₁ - j₂ + ε₁₂ (12.8)

При отсутствии сторонних сил напряжение совпадает с разностью потенциалов j₁ - j₂.