Закони постійного струму

Електричним струмом називають упорядкований (спрямований) рух електричних зарядів. За напрямок струму умовно приймають напрямок руху позитивних зарядів. Струм може існувати і у твердих тілах, і в рідинах, і в газах, і у вакуумі. Розрізняють струм провідності і конвекційний струм. До струму провідності відноситься упорядкований рух у речовині або вакуумі вільних заряджених часток – носіїв струму. Це дрейфовий рух електронів у провідниках, іонів у електролітах, електронів і дірок у напівпровідниках, іонів і електронів у газах, а також пучок електронів у вакуумі. Конвекційний струм – це упорядкований рух електричних зарядів, здійснюваний переміщенням у просторі зарядженого макроскопічного тіла. Для виникнення та існування електричного струму необхідні, з одного боку, наявність вільних носіїв струму, здатних переміщатись упорядковано, а з іншого боку – наявність електричного поля, енергія якого витрачалася б на їхній упорядкований рух. Сталим називається електричний струм, величина і напрямок якого не змінюються зі спливанням часу.

Кількісною характеристикою електричного струму є сила струму I і густина струму j. Сила струму – скалярна фізична величина, обумовлена електричним зарядом, що проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу:

(8.1)

Основна одиниця сили струму – Ампер – сила сталого струму, який протікаючи по двох нескінченних паралельних прямолінійних провідниках мізерно малого поперечного перерізу, розташованих у вакуумі на відстані 1 м один від одного, створює між цими провідниками силу взаємодії, рівну 2×10^-7 Н на кожен метр довжини. Для сталого струму I=q/t.

Густина струму – векторна фізична величина, модуль якої визначається силою струму, що проходить через одиницю площі поперечного перерізу провідника, перпендикулярного напрямку струму:

(8.2)

Одиниця нустини струму – Ампер на квадратний метр (1 А/м²). Густина струму характеризує розподіл електричного струму по перерізу провідника. Якщо концентрація вільних носіїв струму у провіднику дорівнює n, а елементарний заряд носія e, то за час dt через поперечний переріз S провідника переноситься заряд dq= =n×e×V_cеp×S×dt, де V_cеp – середня швидкість дрейфу носіїв струму. При цьому сила струму I=dq/dt = n×e×V_cеp×S, а густина струму j=I/S=n×e×V_cеp. Густина струму j – вектор, спрямований уздовж напрямку струму (збігається із напрямком упорядкованого руху позитивних носіїв струму).

Використовуючи це співвідношення для густини струму, можна оцінювати середню швидкість спрямованого руху електронів у провіднику (швидкість дрейфу). Наприклад, для мідного провідника (n= 8,5×10²⁸ м^-3) при максимально припустимій густини струму j= 10⁷ А/м² швидкість дрейфу буде складати V_cеp= 8×10^-4 м/с. Середня ж швидкість теплового руху електронів при кімнатній температурі Т =300 К складає приблизно 10⁵ м/с. Очевидно, що швидкість дрейфу електронів багато менша за швидкість їхнього теплового руху. Тепловий рух електронів, будучи хаотичним, не може привести до виникнення струму. У свою чергу, варто розрізняти швидкість дрейфу електронів у металі та швидкість поширення електричного струму. Коли мова іде про швидкість поширення струму, мається на увазі швидкість поширення електричного поля як причини, яка спричиняє дрейф електронів. Під дією джерела струму всі електрони у металевих провідниках починають свій спрямований рух практично одночасно, оскільки швидкість поширення електричного поля дорівнює швидкості поширення світла у вакуумі с.

Дата добавления: 2014-11-07