Условия существования тока

Чтобы свободные заряды, помимо хаотического теплового движения, находились еще и в упорядоченном движении, внутри проводника необходимо создать электрическое поле. Под действием сил поля положительные заряды будут двигаться из мест с большим потенциалом в места с меньшим потенциалом, а отрицательные – в обратную сторону. В металлах могут перемещаться только электроны. Подвижные заряды будут располагаться так, чтобы их собственные поля компенсировали первоначально созданное электрическое поле. Таким образом, они будут стремиться к выравниванию потенциала в объеме проводника. Для поддержания непрерывного упорядоченного движения свободных зарядов необходимо воспрепятствовать установлению электростатического равновесия. Для чего требуется совершения непрерывной работы против сил электростатического поля, стремящихся уравнять потенциалы всех точек проводника и восстановить равновесие. Такая работа должна производиться за счет других видов энергии не электростатического происхождения, например, механической, химической, тепловой. Следовательно, для обеспечения упорядоченного движения свободных зарядов (то есть для протекания электрического тока) необходимо непрерывное превращение какого-либо вида энергии в электрическую, происходящее если не по всему объему проводника, то, по крайней мере, на некоторых его участках. Такие процессы имеют место в гальванических элементах, аккумуляторах, термоэлементах, динамо-машинах и других источниках электродвижущей силы. Этими источниками создается добавочное электрическое поле (добавляется к полю зарядов проводника), действием которого в проводнике поддерживается ток. Из-за своего не электростатического происхождения это поле называется сторонним. Силой электрического тока называется количество электричества, протекающего через сечение проводника в единицу времени

I = dq / dt.

Еще одна характеристика называется плотностью тока. Ее можно найти, как отношение силы тока к площади поперечного сечения проводника:

j = I / S.

Плотность тока является векторной величиной. Ее модуль можно также выразить через скорость < V > упорядоченного движения зарядов в проводнике, их концентрацию n и заряд е носителя тока:

j = n · e ·< V >.

Направлен вектор плотности тока в сторону движения положительных зарядов. Направление тока в металлах оказывается противоположным направлению движения носителей тока – отрицательно заряженных электронов. Единицей силы тока является ампер (А). Сила тока в 1 А соответствует протеканию через поперечное сечение проводника каждую секунду 1 Кл электричества. Единицей измерения плотности тока является A/м². Электрический ток называется постоянным, если его сила и направление не изменяются со временем. При протекании тока нигде не происходит накопления зарядов. Так как заряды нигде не накапливаются, не могут исчезать и появляться, то электрический ток может течь только по проводникам, образующим замкнутые цепи. В неразветвленной замкнутой цепи сила тока во всех частях одинакова. Для существования тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создать и поддерживать разность потенциалов. Такие устройства часто называют источниками тока. Действующие на заряды со стороны источников силы называются сторонними. Внутри источника эти силы переносят заряды против направления действия электрических сил: электрические силы переносят положительные заряды внутри источника от положительного полюса к отрицательному, сторонние силы – от отрицательного к положительному. Благодаря сторонним силам на зажимах источника поддерживается разность потенциалов, а в цепи течет электрический ток. Физическая величина, определяемая работой, затрачиваемой сторонними силами на перемещение единицы положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС):

e = .

Теперь можно дать более строгое определение тому, что принято называть электрическим напряжением. Величину, численно равную работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении положительного единичного заряда, называют напряжением:

U₁₂ = φ₁ – φ₂ + ε₁₂.

В электростатическом поле, где нет движения зарядов и ЭДС ε₁₂ = 0, электрическое напряжение равно разности потенциалов.