Электрические токи проводимости, переноса и смещения

Электрическое напряжение. Разность электрических потенциалов. Электродвижущая сила.

Электрические токи проводимости, переноса и смещения.

Лекция 2. Понятие электрического тока, напряжения, ЭДС

Литература: 1. Теоретические основы электротехники [Текст]: В 3-х т. Учебник для вузов. Том 1. – 4-е изд. / К. С. Демирчян, Л. Р.

Нейман, Н. В. Коровкин, В. Л. Чечурин. – СПб.: Питер, 2004. – 463, [1] с.: ил. – 4000 экз. – ISBN 5-94723-620-6. – ISBN 5-94723-479-3.

Явление направленного движения свободных носителей зарядов называют электрическим током.

При анализе электрических свойств веществ, в которых отсутствуют свободные носители заряда (например, диэлектриков при определенных условиях), используется понятие электрического смещения. В связи с этим имеет место более точное определение электрического тока:

явление направленного движения свободных зарядов и/или явление изменения вектора электрического смещения во времени, сопровождаемые магнитным полем, называют полным электрическим током.

Полный электрический ток принято разделять на три основных вида: ток проводимости, ток переноса и ток смещения.

Ток проводимости имеет место в проводниках и полупроводниках (металлы, уголь, электролиты, полупроводниковые материалы). Ток проводимости сквозь некоторую поверхность s определяется количеством зарядов q, проходящих за единицу времени сквозь эту поверхность. В любой момент времени ток проводимости можно определить из выражения

, (1)

где N – количество зарядов величиной q_j, прошедших сквозь поверхность s за время t.

С понятием электрического тока тесно связано понятие плотности тока. Плотность тока есть векторная величина, равная пределу отношения тока Di сквозь элемент поверхности Ds, нормальный к направлению движения заряженных частиц (рисунок 1, а), к этому элементу, когда Ds ® 0, то есть

. (2)

а б

Рисунок 1

Вектор плотности тока имеет направление, совпадающее с направлением движения положительно заряженных частиц (противоположное направлению движения отрицательно заряженных частиц). Если вектор составляет с положительной нормалью к поверхности некоторый угол a (рисунок 1, б), то используется соотношение

(3)

откуда ток, проходящий через поверхность s конечных размеров, может быть определен как

. (4)

Единицей тока является ампер (А), а единицей плотности тока – ампер на метр квадратный (А/м²).

Плотность тока проводимости при постоянной температуре проводника (полупроводника) пропорциональна напряженности электрического поля

, (5)

где g - коэффициент пропорциональности, называемый удельной электрической проводимостью вещества.

Величину называют удельным электрическим сопротивлением вещества.

Единицей удельной проводимости является сименс на метр (См/м), а единицей удельного сопротивления – ом-метр (Ом × м).

Под электрическим током переноса понимают явление переноса электрических зарядов движущимися в свободном пространстве заряженными частицами или телами. Ток переноса имеет место в пустоте, в газах.

Ток смещения имеет место при переменном электрическом поле в диэлектриках. Любое изменение электрического поля во времени изменяет поляризованность диэлектрика. При этом в веществе диэлектрика движутся элементарные частицы с электрическими зарядами, входящие в состав атомов и молекул вещества. Такой вид электрического тока в диэлектрике еще называют электрическим током поляризации.

С учетом изложенного выше, количественно полный электрический ток можно представить как скалярную величину, равную сумме тока проводимости и тока смещения сквозь рассматриваемую поверхность, то есть

(6)

где – составляющая вектора электрического смещения;

e₀ = 8, 85 × 10 ^-12 Ф/м – электрическая постоянная;

– напряженность электрического поля.

В выражении (6) в q входят как заряды свободных носителей, так и суммарный связанный заряд, проходящий сквозь поверхность при поляризации вещества. Второй член в выражении для тока представляет собой ток смещения в пустоте, являющийся скалярной величиной и равный производной по времени от потока электрического смещения сквозь рассматриваемую поверхность.

Дата добавления: 2014-01-07