Надо Знать

добавить знаний



Электрический ток



План:


Введение

Электрический ток по направлению протекает от положительного полюса источника питания к отрицательному

Электрический ток - упорядоченный движение заряженных частиц в пространстве. В металлах это электроны, полупроводниках - электроны и дырки, в электролитах - положительно и отрицательно заряженные ионы, в ионизированных газах - ионы и электроны. За направление тока выбирают движение положительно заряженных частиц. Таким образом, направление тока в металлах противоположную направлению движения электронов.


1. Количественные характеристики

Количественно электрический ток характеризуется дифференциальной векторной величиной плотностью тока, или в случае тока в проводах интегральной величиной силой тока.

Плотность тока называют векторную величину, определяемую, как величина заряда, которая протекает через единичную площадь за единицу времени. Она обозначается обычно латинской буквой \ Mathbf {j} . Направление плотности тока определяется направлением потока заряда.

Силой тока через проводник называется величина

I \, = \, \ frac {\ Delta q} {\ Delta t} ,

что соответствует количеству заряда \ Delta q , Перемещенных через сечение проводника за промежуток времени \ Delta t . В системе СИ сила тока измеряется в амперах. Соответственно, плотность тока измеряется в A / м 2.

Если за каждый промежуток времени \ Delta t заряд \ Delta q одинаков и направление тока неизменный, то такой ток называют постоянным.

В случае, когда эти величины переменные, силу тока описывают так:

I \, = \, \ lim_ {\ Delta t \ to 0} \ frac {\ Delta q} {\ Delta t} \, = \, \ frac {dq} {dt} \, = \, q ^ {\ prime} .

Такой ток называют переменным.


2. Чем обусловлен ток

Электрический ток в веществе возникает под действием электрического поля. Электрическое поле заставляет двигаться свободные носители заряда : электроны, дыры или ионы. Согласованное движение носителей заряда во внешнем электрическом поле называется дрейфовый ток.

Электрический ток возникает также под действием отличных от электрического поля причин. В таких случаях говорят, что электрический ток обусловлен сторонними силами. Количественной характеристикой способности посторонних сил создавать электрический ток является так называемая электродвижущая сила, или сокращенно ЭДС.

Рассмотрим несколько различных примеров создания тока сторонними силами.

Диффузионный ток возникает тогда, когда носители заряда розпродилени в веществе неоднородно. Диффузионный ток важен для работы полупроводниковых приборов, в частности транзисторов.

В гальванических элементах, батарейках, аккумуляторах электрический ток возникает вследствие химических превращений, которые происходят на границе электродов с электролитом.

В термоэлектрических источниках тока электрический ток возникает вследствие градиента температуры.

Электрический ток вызывается также переменным магнитным полем. Изменение магнитного потока создает вихревое электрическое поле, которое и приводит к движению носителей заряда.


3. Действие тока

Электрический ток создает магнитное поле, напряженность которого определяется законом Био-Савара. Магнитное поле, созданное током, используется для измерения силы тока.

Прохождения электрического тока через вещество приводит к тепловыделение. В случае проводника с конечным сопротивлением это тепловыделение описуетсья законом Джоуля-Ленца. При прохождении тока через контакт двух проводников тепло может как выделяться, так и поглощаться ( эффект Пельтье). Аналогичные эффекта Пельтье явления винакають при прохождении электрического тока через проводник с неравномерным распределением температуры.

Электрический ток в газах вызывает свечение, что является частным случаем электролюминесценции. Аналогичные явления возникают в светодиодах. При прохождении через электролит электрический ток сопровождается химическими реакциями на электродах, которые могут покрываться слоем металла, выделяющегося из электролита.


4. Измерения

Сила тока измеряется приборами, которые называют амперметрами и гальванометр. В этих приборах обычно измеряется не сам ток, а механическое воздействие созданного им магнитного поля.

5. Классическая кинетическая теория

Исходя из положений кинетической теории, электрический ток переносится заряженными частицами, которые называют носителями заряда. Носителями заряда, в зависимости от физической системы могут быть электроны, ионы или в твердом теле, квазичастицы : электроны проводимости, дыры, полярона т.д..

Для классической системы носителей заряда с зарядом e бесконечно малый заряд dQ, переносимой за время dt через элементарную площадку dS, перпендикулярную направлению средней скорости v частиц определяется так:

dQ \, = \, e n v dS dt ,

где e - Заряд частиц, v - скорость движения частиц, а n - Их количество в единице объема.

Сила тока dI через площадку dS определяется соотношением

dI \, = \, e n v dS

согласно которому

\ Overline {\ mathbf {j}} \, = \, en \ overline {\ mathbf {v}} - Плотность электрического тока, где риска над символами означает усреднение.

6. Ток в квантовой механике

В квантовой механике электрический ток описывается делокализованимы волновыми функциями. Существенно то, что эти функции комплексные. Действительными волновыми функциями описать протекание тока невозможно.

Этот вывод очень важен для понимания квантовой механики. Стационарные состояния связанных электронов, например, электронов атомных оболочек, описываются локализованными волновыми функциями, которые существенно действительны. Такие электроны не дают никакого вклада в электрический ток. Согласно представлениям классической механики, электрон на атомной орбите вращается вокруг ядра, и это вращение должно было бы приводить к возникновению замкнутых токов в каждом атоме. В квантовой физике таких токов нет. Однако ситуация меняется в магнитном поле.

Для квантовомеханической частицы, описывается волновой функцией ψ, плотность тока задается формулой

\ Mathbf {j} = \ frac {iq \ hbar} {2m} (\ psi \ nabla \ psi ^ * - \ psi ^ * \ nabla \ psi) ,

где q - заряд частицы, m - ее масса, i - мнимая единица, \ Hbar - возведена постоянная Планка.

Если волновую функцию записать в виде \ Psi = \ rho e ^ {i \ alpha} , Где ρ - модуль, а α - фаза, то формула для вычисления тока запишется в виде

\ Mathbf {j} = \ frac {q \ hbar} {m} | \ psi | ^ 2 \ nabla \ alpha .

Например, для свободной частицы с импульсом \ Hbar \ mathbf {k} , Где \ Mathbf {k} - волновой вектор, волновая функция имеет вид \ Psi = e ^ {i \ mathbf {k} \ cdot \ mathbf {r}} , И ток равен \ Mathbf {j} = \ frac {q \ hbar \ mathbf {k}} {m} ,

что совпадает с формулой классической физики.


6.1. Общая формула для тока в магнитном поле

В магнитном поле и для частицы со спином квантовомеханическая формула для вычисления тока изменяется

\ Mathbf {j} = \ frac {iq \ hbar} {2m} (\ psi \ nabla \ psi ^ * - \ psi ^ * \ nabla \ psi) - \ frac {q ^ 2} {m} \ mathbf {A } \ psi ^ * \ psi - \ frac {\ mu} {s} \ text {rot} \ (\ psi ^ * \ hat {\ mathbf {s}} \ psi) ,

где \ Mathbf {A} - векторный потенциал, s - значение спина, \ Hat {\ mathbf {s}} - Оператор спина, а μ - характерная для каждого доли стала.

Важным следствием из этой формулы является то, что во внешнем магнитном поле в атомах, электроны которых описываются действительными локализованными волновыми функциями, возникают замкнутые токи, приводящие к диамагнетизма.


7. Теория относительности

В теории относительности электрический ток описывается 4-вектором (C \ rho, \ mathbf {j}) , Где c - скорость света, \ Rho - плотность заряда, \ Mathbf {j} - Трехмерная плотность тока. Этот 4-вектор удовлетворяет уравнению непрерывности

\ Frac {\ partial j ^ i} {\ partial x ^ i} = 0 .

См.. также


Источники

  • Белый М. В., Охрименко Б. А. Атомная физика. - К. : Знание, 2009. - 559 с.
  • Кучерук И. М., Горбачук И. Т., Луцик П. П. Электричество и магнетизм / / Общий курс физики. - К. : Техника, 2006. - Т. 2. - 456 с.
  • Юхновский И. Г. Основы квантовой механики. - К. : Лыбидь, 2002. - 392 с.
  • Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Квантовая механика. Нерелятивистская теория / / Теоретическая физика. - М. : Физматлит, 2008. - Т. 3. - 800 с.
  • Сивухин Д. В. Электричество / / Общий курс физики. - М. : Физматлит, 2009. - Т. 3. - 656 с.
  • Тамм И. Е. Основы теории электричества. - М. : Наука, 1989. - 500 с.

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам