Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
3°. При упорядоченном движении электрических зарядов в проводнике равновесное распределение зарядов нарушается и поверхность проводника не является эквипотенциальной поверхностью (111.3.2.6°). На поверхности проводника существует тангенциальная составляющая напряженности электрического поля (ЕТ 5й 0) и внутри проводника должно существовать электрическое поле (ср. III.5.1.3°). Электрический ток продолжается до тех пор, пока все точки проводника не станут эквипотенциальными .
4°. Условия, необходимые для появления и существования электрического тока проводимости в среде:
а) наличие в данной среде свободных носителей тока —* заряженных частиц, которые могли бы в ней упорядоченно перемещаться. Такими частицами в металлах и полупроводниках являются электроны проводимости и дырки; в жидких проводниках (электролитах) — положительные и отрицательные ионы; в газах — противоположно заряженные ионы и электроны;
б) существование в данной среде внешнего электрического поля, энергия которого должна расходоваться на упорядоченное перемещение электрических зарядов. Для поддержания электрического тока энергия электрического поля должна непрерывно восполняться, т. е. необходим источник электрической энергии — устройство, в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля.
5°. Направлением электрического тока считается направление упорядоченного движения положительных электрических зарядов. Однако, в действительности, в металлических проводниках ток осуществляется упорядоченным движением электронов, которые движутся в направлении, противоположном направлению тока.
§ III.7.2. СИЛА И ПЛОТНОСТЬ ТОКА
259
§ III.7.2. Сила и плотность тока
1°. Силой тока1 называется скалярная физическая величина, равная отношению заряда dq, переносимого сквозь рассматриваемую поверхность2 за малый промежуток времени, к величине dt этого промежутка:
Электрический ток называется постоянным (постоянный электрический ток), если сила тока и его направление не изменяются с течением времени. Для постоянного тока
где q — электрический заряд, переносимый через рассматриваемую поверхность за конечный промежуток времени от 0 до f.
2°. Если электрический ток постоянный, то ни в одной части проводника заряды не должны ни накапливаться, ни убывать. Цепь постоянного тока должна быть замкнутой и должно выполняться условие QSi = Qg2 г где Qgi — суммарный электрический заряд, поступающий за единицу времени сквозь поверхность S1 в объем проводника, заключенный между поперечными сечениями S1 и S2, Qg2 — суммарный электрический заряд, выходящий из этого объема за единицу времени сквозь поверхность S2.
3°. Направление электрического тока в различных точках рассматриваемой поверхности и распределение силы тока по этой поверхности определяются плотностью тока. Вектор плотности тока j направлен противоположно направлению движения электронов — носителей тока в металлах3 и численно равен отношению силы тока dl сквозь малый элемент поверх-
1 Величину I часто называют просто током.
2 В случае тока проводимости — через поперечное сечение проводника.
3 В других проводящих средах вектор j совпадает по направлению с Движением положительно заряженных носителей тока.
260
ГЛ. III. 7. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
ности, нормальный к направлению движения заряженных частиц, к величине dSx площади этого элемента:
•= AL
J dSL'
Более общая связь между плотностью тока j и элементом силы тока dl:
dl = j dS,
где dS = п. dS — вектор элементарной площадки, п — единичный вектор нормали к площадке dS, составляющий с вектором j угол а.
4°. Сила тока через произвольную поверхность S
I = JjdS = JyndS,
(S) (S)
где jn = j cos а — проекция вектора j на направление нормали п (п. 3°), а интегрирование проводится по всей площади поверхности S. Если для отыскания силы тока проводимости рассматриваются поперечные сечения проводника, для которых jn= j, тої = j j dS.
(S)
5°. Плотность постоянного тока одинакова по всему поперечному сечению S однородного проводника. Для такого тока
I = jS.
В цепи постоянного тока плотности тока в двух поперечных сечениях S1 и S2 обратно пропорциональны площадям этих сечений:
Ji _
І 2
§ III.7.3. Основы классической электронной теории электропроводности металлов
1°. Высокая электропроводность металлов связана с тем, что в металлах имеется громадное количество носителей тока — электронов проводимости, образовавшихся из валент-
§ III.7.3. ОСНОВЫ КЛАССИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИ
261
ных электронов атомов металла (VL2.3.90), которые не принадлежат определенному атому, а являются коллективизированными (обобществленными) электронами. В классической электронной теории Друде—Лоренца эти электроны рассматриваются как электронный газ (ІП.5.1.1°), обладающий свойствами одноатомного идеального газа (11.1.4.1°).
Концентрация электронов проводимости в одновалентном металле порядка концентрации его атомов: п0 ~ Njfi/А, где Na — постоянная Авогадро (IX), А — атомная масса металла, р — его плотность. По порядку величины Tl0 ~ (1028 -Ь IO29) M-3.
