Постоянный ток. 
Законы ома и джоуля — ленца

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• • понятия постоянного тока, силы тока, плотности тока;
• • связь тока со скоростью направленного движения и концентрацией носителей заряда;
• • вывод закона Ома в дифференциальной и интегральной формах;
• • понятия сторонних сил и электродвижущей силы;
• • вывод обобщенного закона Ома и закона Ома для замкнутой цепи;
• • вывод закона Джоуля — Ленца в дифференциальной и интегральной формах;

уметь

• решать типовые прикладные физические задачи на постоянный ток и законы Ома и Джоуля — Ленца;

владеть

• • навыками использования стандартных методов и моделей математического анализа (в первую очередь дифференциального и интегрального исчисления, а также теории поля) применительно к постоянному току;
• • навыками использования методов аналитической геометрии и векторной алгебры применительно к диэлектрикам в электрическом поле;
• • навыками проведения физического эксперимента, а также обработки результатов эксперимента по постоянному току.

Постоянный ток. Виды тока. Сила тока. Плотность тока

Направленное движение электрических зарядов называют электрическим током. Перенос электрического тока чаще всего осуществляется электронами. Однако в жидкостях, газах и плазме носителями тока нередко являются ионы — как положительные, так и отрицательные. В полупроводниках часто удобно рассматривать перенос тока так называемыми дырками. Электрический ток характеризуется силой тока I — количеством заряда, которое проходит через сечение проводника в единицу времени:

Ток является постоянным, если сила тока не зависит от времени. Для постоянного тока уравнение (20.1) можно проинтегрировать и получить.

Локальной характеристикой тока в данной точке проводника является плотность тока

где dS — элемент сечения проводника. Плотность тока особенно важна в случае, когда она в разных точках проводника различна. Если плотность тока постоянна по сечению S проводника, то интегрирование равенства (20.3) дает.

aside class="viderzhka__img" itemscope itemtype="http://schema.org/ImageObject">

Рис. 20.1.

Плотность тока и силу тока можно рассматривать как вектор, направленный, но линии движения зарядов в данной точке проводника. Направление тока совпадает с направлением движения положительных носителей тока и противоположно направлению движения отрицательных носителей тока.

Плотность тока несложно связать со скоростью направленного движения (дрейфовой скоростью) v и концентрацией носителей заряда п.

Из рис. 20.1 очевидно, что в единицу времени единицу площади сечения проводника пересекут nv носителей заряда — все частицы из объема длиной v₉ но не больше. Приняв для определенности, что заряд каждого носителя равен элементарному заряду .

Тогда для тока получаем формулу.

Отметим, что при обычных условиях характерная скорость направленного движения электронов составляет доли мм/с — примерно на десять порядков меньше скорости их хаотического (теплового) движения.

Единица измерения силы тока — ампер (А): 1 А = 1 Кл/с. Иногда силу тока называют просто током. Плотность тока измеряется в амперах на квадратный метр.