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)
|
|
|
|
|
|
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.