Электрический ток. 
Сила и плотность тока

Электрическим током называется направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц.

Электрический ток в проводниках различного рода представляет собой либо направленное движение электронов в металлах (проводники первого рода), имеющих отрицательный заряд, либо направленное движение более крупных частиц вещества — ионов, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд — в электролитах (проводники второго рода), либо направленное движение электронов и ионов обоих знаков в ионизированных газах (проводники третьего рода).

За направление электрического тока условно принято направление движения положительно заряженных частиц.

Для существования электрического тока в веществе необходимо:

наличие заряженных частиц, способных свободно перемещаться по проводнику под действием сил электрического поля;

наличие источника тока, создающего и поддерживающего в проводнике в течение длительного времени электрическое поле.

Количественными характеристиками электрического тока являются сила тока I и плотность тока j.

Сила тока — скалярная физическая величина, определяемая отношением заряда Дq, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени Дt, к этому промежутку времени.

hIi=ДqДt; I=limДt>0ДqДt. hIi=ДqДt; I=limДt>0ДqДt.

Единицей силы тока в СИ является ампер (А).

Если сила тока и его направление со временем не изменяются, то ток называется постоянным.

Единица силы тока — основная единица в СИ 1 А — есть сила такого неизменяющегося тока, который, проходя по двум бесконечно длинным параллельным прямолинейным проводникам очень маленького сечения, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает силу взаимодействия между ними 2· 10^-7 З на каждый метр длины проводников.

Рассмотрим, как зависит сила тока от скорости упорядоченного движения свободных зарядов.

Выделим участок проводника площадью сечения S и длиной Дl (рис. 1). Заряд каждой частицы q₀. В объеме проводника, ограниченном сечениями 1 и 2, содержится nSДl частиц, где n — концентрация частиц. Их общий заряд Дq=q0nSДl Дq=q0nSДl.

Рис. 1.

Если средняя скорость упорядоченного движения свободных зарядов hхi hхi, то за промежуток времени Дt=Дlhхi Дt=Дlhхi все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через сечение 2. Поэтому сила тока:

I=ДqДt=q0nhхiSДlДl=q0nhхiS.(1) I=ДqДt=q0nhхiSДlДl=q0nhхiS.(1).

Таким образом, сила тока в проводнике зависит от заряда, переносимого одной частицей, их концентрации, средней скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника.

Заметим, что в металлах модуль вектора средней скорости упорядоченного движения электронов hхi hхi при максимально допустимых значениях силы тока ~ 10^-4 м/с, в то время как средняя скорость их теплового движения ~ 10⁶ м/с.

Плотность тока j — это векторная физическая величина, модуль которой определяется отношением силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника, т. е.

j=IS. j=IS.

В СИ единицей плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м²).

Как следует из формулы (1), j? =q0nhх? i j>=q0nhх>i. Направление вектора плотности тока j? j> совпадает с направлением вектора скорости упорядоченного движения hх? i hх>iположительно заряженных частиц. Плотность постоянного тока постоянна по всему поперечному сечению проводника.