Електричний струм та його характеристики (сила, густина струму).

Умови існування електричного струму

Електричним струмом називається будь-який упорядкований (направлений) рух електричних зарядів.

За напрям струму умовно приймається напрям руху позитивних зарядів.

Розрізняють такі типи електричного струму:

1) струм провідності – це струм в провіднику, викликаний переміщенням вільних електричних зарядів під дією прикладеного електричного поля : позитивних – по напрямку поля, негативних – проти поля;

2) конвективний струм – це струм, викликаний переміщенням в просторі зарядженого макроскопічного тіла.

Для виникнення електричного струму необхідні дві умови, а саме:

1) наявність вільних носіїв струму – заряджених часток, спроможних переміщуватись;

2) наявність електричного поля, енергія якого відновлюється і яке витрачається на упорядкований рух заряджених часток.

Основна характеристика струму – сила струму.

Сила струму – це скалярна фізична величина, яка визначається електричним зарядом, що проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу:

.

Якщо сила струму і його напрям не змінюються з часом, то такий струм називається постійним: , де – електричний заряд, що проходить за час через поперечний переріз провідника.

Одиниця сили струму – А.

Визначимо поняття густина струму.

Густина струму – це фізична величина, яка визначається силою струму, що проходить через одиницю площі поперечного перерізу провідника, перпендикулярного напрямку струму:

.

Зазначимо, що сила і густина струму виражаються через швидкість упорядкованого руху зарядів в провіднику. Так, за час через поперечний переріз провідника переноситься заряд , де і – концентрація і заряд носіїв струму.

Отже, сила струму.

Густина струму, або в векторній формі: , тобто густина струму – вектор, напрям якого співпадає з упорядкованим рухом позитивних зарядів.

Одиниця густини струму – ампер на м² (А/м²).

Сила струму через довільну поверхню визначається як потік вектора , тобто , де (– одиничний вектор нормалі до площини , яка складає з вектором кут ).

Сторонні сили. Електрорушійна сила і напруга

Якщо в електричній мережі на носії струму діють лише сили електростатичного поля, то тоді відбувається переміщення цих носіїв (приймемо їх позитивними) від точок з більшим потенціалом до точок з меншим потенціалом, що веде до вирівнювання потенціалів у всіх точках мережі і до зникнення електростатичного поля. Тому для існування постійного струму в електричній мережі обов'язково потрібно мати пристрої, які здатні створювати і підтримувати різницю потенціалів за рахунок роботи сил неелектростатичного походження. Такі сили називаються джерелами струму, а сили неелектростатичного походження, які діють на заряди з боку джерел струму, – сторонніми силами.

Природа сторонніх сил різна: в гальванічних елементах сторонні сили виникають за рахунок енергії хімічних реакцій між електродами і електролітами; в електричних генераторах – за рахунок механічної енергії обертання ротора генератора.

Зазначимо, що роль джерела струму в електричній мережі подібна до насоса. який необхідний для перекачування рідини в гідравлічній системі.

Таким чином, сторонні сили здійснюють роботу по переміщуванню зарядів.

Фізична величина, яка визначається роботою, що здійснюється сторонніми силами при переміщуванні одиничного позитивного заряду, називається електрорушійною силою (е. р. с.), що діє в мережі:

ε= .

Робота сторонніх сил по переміщенню заряду на замкненій частині мережі

,

де – напруженість поля сторонніх сил.

Е. р. с., що діє в мережі,

ε =,

тобто визначається як циркуляція вектора напруженості поля сторонніх сил.

Е. р. с. на ділянці 1 – 2 мережі

ε ₁₂ =.

Визначимо тепер поняття напруга. Для цього розглянемо випадок, коли на заряд діють одночасно сторонні сили і сили електростатичного поля. Тоді результуюча сила дорівнюватиме:

.

Робота результуючої сили на ділянці 1 – 2 мережі над зарядом

ε ₁₂ .

Для замкненої мережі

ε.

Напруга на ділянці 1 – 2 мережі – це фізична величина, яка визначається роботою, що здійснюється підсумковим полем електростатичних (кулонівських) і сторонніх сил при переміщенні одиничного позитивного заряду на даній ділянці мережі:

ε ₁₂ .

Поняття напруга – це узагальнене поняття різниці потенціалів: напруга на кінцях ділянки мережі дорівнює різниці потенціалів, якщо на цій ділянці відсутнє джерело струму.