Общие положения. Электропроводность. Законы постоянного тока

Электропроводность. Законы постоянного тока

Введение

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Явления и процессы, связанные с движением электрических зарядов, являются предметом электродинамики. Энергия движущихся зарядов легко преобразуется в другие виды энергии и передается на большие расстояния. Поэтому электрический ток стал очень важным явлением, определяющим экономику целых государств.

Одним из основных понятий электродинамики является электрический ток. Электрическим током называют упорядоченное движение электрических зарядов в пространстве.

Упорядоченное движение свободных зарядов в проводнике под действием электрического поля называют током проводимости. Если упорядоченное движение зарядов не вызвано действием электрического поля, ток называют конвекционным. Примерами конвекционного тока могут служить перемещения в пространстве заряженного проводника или диэлектрика, движение электрона по орбите в атоме, пучок электронов и др.

Основной характеристикой понятия «электрический ток» является плотность тока . Величина вектора численно равна количеству электричества, протекающего в единицу времени через единицу поверхности площади, перпендикулярной направлению движения зарядов

. (1)

Условно принято, что направление вектора совпадает с направлением движения положительных зарядов. Так как движение отрицательных зарядов эквивалентно движению положительных зарядов в противоположном направлении, то направленное движение отрицательных зарядов обусловливает плотность тока, направленную противоположно их движению.

По аналогии с полем вектора поле вектора можно характеризовать линиями, касательные к которым определяют направление вектора , а их густота - . Развивая аналогию, можно определить поток вектора через площадь S произвольной ориентации и конфигурации. Этот поток в физике и электротехнике получил название силы тока

. (2)

где a - угол между направлением единичного вектора нормали к площадке dS и направлением вектора (рисунок 38)

α

dS_┴

dS

Рисунок 38

Из сравнения выражений (1) и (2) вытекает, что . (3)

Единицей силы тока в СИ является ампер . Из формулы (3) следует . В соответствии с определением (1) единицей измерения плотности является А/м². Если за любые равные промежутки времени через поперечное сечение проходят одинаковые заряды, то такой ток называется постоянным. В этом случае I = = const.

Теория, объясняющая протекание тока в металлах направленным движением в них электронов, называется электронной теорией. Она позволяет качественно и количественно объяснить закономерности электрического тока, сопротивление проводников, зависимость сопротивления от температуры и другие явления. В отсутствие электрического поля электроны в металле движутся хаотично, сталкиваясь друг с другом и ионами решетки. Если создать электрическое поле, то на хаотичное движение накладывается упорядоченное движение, то есть возникает преимущественное направление движения электронов – электрический ток.

Сопротивление проводников можно объяснить как следствие изменения направления скорости электронов при столкновениях с ионами решетки.

Основные положения классической теории, предложенные Друде и Лоренцем следующие:

1) совокупность электронов образует электронный газ. Движение электронов подчиняется законам Ньютона;

2) взаимодействие электронов друг с другом и с ионами решетки сводится лишь к упругим соударениям;

3) распределение электронов по скоростям соответствует статистике Максвелла;

4) для электронов справедлива теорема о равномерном распределении энергии по степеням свободы.

Для расчетов используются следующие количественные характеристики электронов:

- средняя скорость упорядоченного движения электронов в электрическом поле;

- средняя скорость теплового движения электронов, определяемая соотношением

(значения этих скоростей существенно отличаются при нормальных условиях: );

длина свободного пробега электронов между двумя столкновениями.

Дата добавления: 2014-11-29