-->
|
|
|
Ãëàâà 2. Ïîñòîÿííûé ýëåêòðè÷åñêèé òîê § 2.2. Ïëîòíîñòü òîêà. Ñèëà òîêà
Ïëîòíîñòü òîêà
Ââåäåì ïîíÿòèå ïëîòíîñòè ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà äëÿ íàèáîëåå ïðîñòîãî ñëó÷àÿ óïîðÿäî÷åííîãî äâèæåíèÿ îäèíàêîâûõ çàðÿæåííûõ ÷àñòèö. Âûäåëèì â ñðåäå, â êîòîðîé ñóùåñòâóåò òîê, î÷åíü ìàëûé îáúåì â ôîðìå ïðÿìîãî öèëèíäðà ñ ïëîùàäüþ îñíîâàíèÿ ΔS (ðèñ. 2.5). Öèëèíäð îðèåíòèðîâàí òàê, ÷òî åãî îñíîâàíèÿ ïåðïåíäèêóëÿðíû ñêîðîñòè óïîðÿäî÷åííîãî äâèæåíèÿ ÷àñòèö
Ñðåäíÿÿ ñêîðîñòü õàîòè÷åñêè äâèæóùèõñÿ ÷àñòèö ðàâíà íóëþ. Âûñîòà öèëèíäðà ïóñòü ðàâíà ïóòè υΔt, ïðîõîäèìîìó ÷àñòèöàìè çà âðåìÿ Δt. Çäåñü υ — ìîäóëü ñêîðîñòè óïîðÿäî÷åííîãî äâèæåíèÿ ÷àñòèö. Òîãäà âñå çàðÿæåííûå ÷àñòèöû, íàõîäÿùèåñÿ âíóòðè öèëèíäðà, çà âðåìÿ Δt ïåðåñåêóò ïðàâîå îñíîâàíèå öèëèíäðà ñ ïëîùàäüþ ΔS. Åñëè êîíöåíòðàöèÿ çàðÿæåííûõ ÷àñòèö â ñðåäå n, òî çà âðåìÿ Δt ÷åðåç ñå÷åíèå ñ ïëîùàäüþ ΔS áóäåò ïåðåíåñåí çàðÿä Δq = q0nυΔtΔS, ãäå q0 — çàðÿä îòäåëüíîé ÷àñòèöû. Âåêòîðîì ïëîòíîñòè òîêà
ãäå ð = q0n — ïðîñòðàíñòâåííàÿ ïëîòíîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà.  ñëó÷àå äâèæåíèÿ îòðèöàòåëüíî çàðÿæåííûõ ÷àñòèö (q0 < 0) âåêòîðû Ñèëà òîêàÂåêòîð ïëîòíîñòè òîêà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ëîêàëüíóþ (èëè äèôôåðåíöèàëüíóþ) õàðàêòåðèñòèêó òîêà: îí îïðåäåëÿåò ïåðåíîñèìûé çàðÿä ÷åðåç ìàëóþ ïëîùàäêó â ïðîâîäÿùåé ñðåäå è íàïðàâëåíèå äâèæåíèÿ çàðÿæåííûõ ÷àñòèö. Ââåäåì òåïåðü ïîëíóþ äëÿ âñåãî ñå÷åíèÿ õàðàêòåðèñòèêó òîêà — ñèëó òîêà*. * Òåðìèí ñèëà òîêà íåëüçÿ ñ÷èòàòü óäà÷íûì, òàê êàê ñëîâî «ñèëà», ïðèìåíÿåìîå ê òîêó, íå èìååò íèêàêîãî îòíîøåíèÿ ê ïîíÿòèþ «ñèëà» â ìåõàíèêå. Íî òåðìèí «ñèëà òîêà» áûë ââåäåí äàâíî è óòâåðäèëñÿ â íàóêå. Ñèëîé òîêà íàçûâàþò îòíîøåíèå çàðÿäà Δq, ïåðåíîñèìîãî ÷åðåç ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå ïðîâîäíèêà ïëîùàäüþ S çà ïðîìåæóòîê âðåìåíè Δt, ê ýòîìó ïðîìåæóòêó:
Ôîðìóëà (2.2.3) âûðàæàåò ñðåäíåå çà âðåìÿ Δt çíà÷åíèå ñèëû òîêà. Ñèëà òîêà â äàííûé ìîìåíò — ìãíîâåííàÿ ñèëà òîêà — ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïðåäåë îòíîøåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà Δq, ïðîøåäøåãî ÷åðåç ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå ïðîâîäíèêà çà ìàëûé ïðîìåæóòîê âðåìåíè Δt, ê ýòîìó ïðîìåæóòêó ïðè Δt, ñòðåìÿùåìóñÿ ê íóëþ:
Åñëè çà ëþáûå ðàâíûå ìåæäó ñîáîé ïðîìåæóòêè âðåìåíè ÷åðåç ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå ïðîâîäíèêà ïðîõîäÿò îäèíàêîâûå çàðÿäû, ò. å. åñëè ñèëà òîêà íå èçìåíÿåòñÿ ñ òå÷åíèåì âðåìåíè, òî ýëåêòðè÷åñêèé òîê íàçûâàþò ïîñòîÿííûì. Ñèëà ïîñòîÿííîãî òîêà ÷èñëåííî ðàâíà çàðÿäó, ïðîõîäÿùåìó ÷åðåç ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå ïðîâîäíèêà çà 1 ñ:
Ñèëà òîêà, ïîäîáíî çàðÿäó, ìîæåò áûòü êàê ïîëîæèòåëüíîé, òàê è îòðèöàòåëüíîé. Çíàê ñèëû òîêà çàâèñèò îò òîãî, êàêîå èç íàïðàâëåíèé âäîëü ïðîâîäíèêà ïðèíÿòî çà ïîëîæèòåëüíîå. Ñèëà òîêà I > 0, åñëè íàïðàâëåíèå òîêà ñîâïàäàåò ñ óñëîâíî âûáðàííûì ïîëîæèòåëüíûì íàïðàâëåíèåì âäîëü ïðîâîäíèêà.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå I < 0. Ñèëà òîêà îäíîçíà÷íî âûðàæàåòñÿ ÷åðåç ïëîòíîñòü òîêà.  ÷àñòíîì ñëó÷àå ïðè ðàâíîìåðíîì ðàñïðåäåëåíèè ïëîòíîñòè òîêà ïî ñå÷åíèþ ïðîâîäíèêà ñèëà òîêà I = jnS, (2.2.6)
ãäå jn = jcos α — ïðîåêöèÿ âåêòîðà ïëîòíîñòè òîêà íà íîðìàëü I = jS = |q0|nυS (2.2.7) âûðàæàåòñÿ ïîëîæèòåëüíûì ÷èñëîì. Òàêèì îáðàçîì, ñèëà òîêà â ïðîâîäíèêå ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíà çàðÿäó, ïåðåíîñèìîìó êàæäîé ÷àñòèöåé, êîíöåíòðàöèè ÷àñòèö, ñêîðîñòè èõ íàïðàâëåííîãî äâèæåíèÿ è ïëîùàäè ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ ïðîâîäíèêà.
|
|
|