Электрический ток

Электрический ток по направлению протекает от положительного полюса источника питания к отрицательному Электрический ток – упорядоченное 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.
Количественно электрический ток характеризуется дифференциальной векторной величиной плотности тока или в случае тока в проводах интегральной величиной силой тока.
Плотность тока определяется как величина заряда, которая протекает через единичную площадь за единицу времени. Плотность тока – векторная величина, ее направление определяется направлением потока заряда. Она обозначается латинской буквой .
Величина называется силой тока, и соответствует количеству заряда (? q), перемещен через сечение проводника за время ? t.
В системе СИ сила тока измеряется в амперах. Соответственно, плотность тока измеряется в A / м 2.
Если за каждый промежуток времени ? t заряд ? q одинаков и направление тока неизменен, то такой ток называют постоянным.
В случае, когда эти величина переменные, силу тока описывают следующим образом:

,


такой ток называют переменным.
Для классической системы заряженных частиц с зарядом e бесконечно малый заряд dQ, переносимая за время dt через элементарную площадку dS перпендикулярную направлению средней скорости v частиц определяется следующим образом:

,


где e – заряд частиц, v – скорость движения частиц, а n – их количество в единице объема.
Сила тока dI через площадку d S определяется соотношением




согласно которому

– Плотность электрического тока, где черта над символами означает усреднение.

Электрический ток в веществе возникает под действием электрического поля. Электрическое поле заставляет двигаться свободные носители заряда: электроны, дырки или ионы. Согласованное движение носителей заряда во внешнем электрическом поле называется дрейфовый током.
Электрический ток возникает также под действием отличных от электрического поля причинам. В таких случаях говорят, что электрический ток обусловлен посторонними силами. Количественной характеристикой способности сторонних 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 в результате химических преобразований, происходящих 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.
Электрический ток создает магнитное поле, напряженность которого определяется законом Био-Савара. Магнитное поле, созданное током, используется для измерения силы тока.
Прохождение 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, является частным случаем електролюменесценции. Аналогичные явления возникают в светодиодах. При прохождении через электролит электрический ток сопровождается химическими реакциями на электродах, которые могут покрываться слоем металла, выделяющийся из электролита.
Сила тока измеряется приборами, которые называют амперметрами и гальванометра. В этих приборах обычно измеряется не сам ток, а механическое воздействие созданного им магнитного поля.
В квантовой механике электрический ток описывается делокализованы 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, который описывается волновой функцией ?, плотность тока задается формулой

,

где q – заряд частицы, m – ее масса, i – мнимая единица, – Сводная постоянная Планка.
Если волновую функцию записать в виде ? = ? e i ?, где ? – модуль, а ? – фаза, то формула для вычисления тока запишется в виде

.

Например, для свободной часкы с импульсом , Где – Волновой вектор, волновая функция имеет вид , И ток равна ,
что совпадает с формулой классической физики.
Общая формула для тока в магнитном поле
В магнитном поле и для частицы со спином квантовомеханическая формула для вычисления тока изменяется

,

где – Векторный потенциал, s – значение спина, – Оператор спина, а ? – характерная для каждой частицы 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.
В теории относительности электрический ток описывается 4-вектором , Где c – скорость света, ? – плотность заряда, – Трехмерная плотность тока. Этот 4-вектор удовлетворяет уравнению непрерывности

.