Вещественный электрический ток. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

В природе существует два основных типа электрических токов:

Простым примером вещественного тока является ток в электрических проводах. Примером полевого, беззарядового тока является ток в электромагнитной волне, в которой нет никаких электрически заряженных частиц, но имеются как вихревое электрическое, так и магнитное поля, не существующие без электрических токов. Ниже рассмотрим свойства вещественных электрических токов.

Вещественный электрический ток - направленное движение вещественных носителей электрических зарядов (электронов, ионов, дырок и т. п.). Количественно вещественный электрический ток характеризуется вектором плотности электрического тока j = qn<u> [A/m²], где q [C] и n [1/m³] - заряд и концентрация носителей, <u> [m/s] - средняя скорость упорядоченного движения носителей (с учётом функции распределения по скоростям или импульсам).
В большинстве практических случаев ни плотность носителей зарядов, ни их скорость неизвестны. Поэтому величина электрического тока определяется как дебит электрического заряда q [C] через сечение проводника s [m²] за единицу времени t [s]: I = dq/dt [C/s, A], а плотность как j = dI/ds [A/m²].

Вещественный электрический ток не представляет собой одного и того же явления, а существуют его виды, имеющие существенно различные свойства.

Постоянный электрический ток - наиболее простой из всех видов тока, представляет собой неизменный по величине во времени поток электрически заряженных частиц dq/dt = const, [C/s]: электронов, либо встречное движение электронов, ионов, «электронных дырок» по проводящей электрической цепи, замкнутой на источник э.д.с. (напряжения, -R_ист. << R_нагр.), мощности (-R_ист. ~ R_нагр.) или тока (-R_ист. >> R_нагр.).

В случае постоянного тока вектор напряженности магнитного поля H [A/m] повторяет вектор магнитной индукции B [T] с кратностью в относительную магнитную проницаемость среды μ. Никаких электромагнитных волн такой ток не создает; электрическое сопротивление индуктивных элементов такой электрической цепи равно их омическому сопротивлению; электрические емкости для таких токов представляют собой изоляторы - диэлектрические промежутки практически бесконечного сопротивления (сопротивления утечки).

Переменный электрический ток движущихся зарядов - представляет собой изменяющееся по величине, часто периодическое, возвратно-поступательное движение зарядов по электрической цепи, например, по синусоидальному закону, периодический интеграл которого Q = ∫Idt = 0 [C].

Такой ток генерирует переменное магнитное поле с индукцией B, запаздывающей относительно напряженности H. Для электрических цепей, не имеющих реактивных элементов (индуктивностей и емкостей), поведение и расчет такого тока ничем не отличаются от постоянного, однако для цепей с реактивными элементами такой ток порождает особую разновидность переменных токов — реактивных, особенность которых заключается в накоплении и расходе энергии электрического заряда в емкостях и энергии магнитного поля — в индуктивностях. С этой разновидностью электрической энергии в электрических сетях, называемой реактивной, борятся электрики, так как реактивная мощность не выделяется на полезной нагрузке, а циркулирует в цепи между емкостными и индуктивными элементами, приводя лишь к непроизводительному выделению энергии в электрических проводниках. Побочным явлением переменного тока в электрических цепях является излучение электромагнитного поля, доля которого увеличивается с частотой тока и геометрическими размерами цепи, ведущими к превращению ее в излучающую антенну.

Ток смещения электрических зарядов в веществе - представляет собой переменный ток, возникающий не от свободно движущихся, а связанных в молекулах вещества зарядов, смещающихся в пределах молекулы, и зависящий от вектора поляризации P вещества.

Такой ток характерен в разной степени для всех диэлектриков, но в особенности для диэлектрических материалов электрических конденсаторов, что обеспечивает их емкость намного выше воздушных конденсаторов, где отсутствует поляризация вещества P. Свойство этих токов двигать части молекул используется для равномерного нагрева вещества по всему его объему в СВЧ-печах.

Если ввести объёмную плотность заряда ρ = qn, то j = ρ<u>. В системах с разнозарядовыми носителями производится векторное суммирование плотностей вещественного электрического тока, обусловленных этими носителями. Интегральной характеристикой вещественного электрического тока является сила тока I, определяемая как поток вектора j через заданную площадку DS:

функции j( r, t)и r(r, t) связаны уравнением непрерывности:

В интегральной форме это уравнение восходит к закону сохранения электрического заряда:

(S - поверхность, охватывающая объём V, Q - заряд объёма V), который является одним из фундаментальных законов природы - отклонение от него не обнаружено ни в одном эксперименте или наблюдении.

К сожалению, истроически сложившийся термин "сила тока" вводит в заблуждение, ибо ток - поток электрического заряда силовой характеристикой не является. Любой поток (поток магнитного поля, расходы массы, энергии и пр.) - это характеристики движения, но не силы. Силовыми характеристиками являются напряженности электрического и магнитного полей, напряжения и э.д.с. в электрической цепи, давление среды и сила воздействия одного тела на другое. Поэтому с методологической точки зрения правильно использовать термин "величина тока", а не "сила тока".

Помимо разделения вещественного электрического тока на переменные токи и постоянные токи, различают токи проводимости, конвекционные токи и токи смещения в веществе. К первым относят вещественные электрические токи в проводящих средах, где носители заряда (электроны, ионы, дырки в проводниках и полупроводниках, анионы и катионы в электролитах) перемещаются сами или эстафетно передают один другому импульсы внутри неподвижных макросред, испытывая индивидуальные или коллективные соударения с формирующими эти среды частицами (нейтралами, ионными решётками и т. п.). Для компенсации потерь и обеспечения протекания вещественного электрического тока (за исключением вещественного электрического тока в сверхпроводниках) необходимо прикладывать сторонние силы - обычно электрическое поле Е. При достаточно малых Е почти всегда справедлива линейная связь между j к Е (закон Ома); для линейных однородных изотропных сред j = sE, s=const. В общем случае электропроводность s может зависеть от координат (неоднородные среды), направлений (анизотропные среды), внешнего магнитного поля, изменяться со временем (параметрической среды) и т. п. С увеличением напряжённости Е электропроводность любой среды становится нелинейной: s = s(E). Напр., под действием поля Е даже в исходно нейтральных (непроводящих) газах может возникать ла-винно возрастающая ионизация - пробой (см. Лавина электронная) с прохождением иногда весьма значительных вещественных электрических токов. В естественных земных условиях разряды в грозовых облаках характеризуются вещественными электрическими токами до 10⁵ А. Обычно это достигается в главной стадии молнии, называемой обратным ударом, когда основной лидер заканчивает "прокладку" проводящего тракта до самой Земли.

В технике важное значение имеют токовые цепи, состоящие из последовательных и параллельных соединений тонких проводников (называемых линейными по их геом. признакам) со включёнными сосредоточенными элементами: ёмкостями, сопротивлениями, транзисторами, переключателями и т. п. Иногда говорят о сильноточных (сильнотоковых) и слаботочных (слаботоковых) системах в зависимости от назначения соответствующих устройств-передачи (преобразования) больших энергий или переработки информации. Распределение вещественных электрических токов в линейных цепях подчинены Кирхгофа правилам. При отсутствии нелинейных элементов справедливы взаимности принцип и различные его разновидности.

К собственно конвекционным вещественным электрическим токам относятся в основном токи в электронных и ионных пучках, транспортируемые или дрейфующие в вакуумных полостях. Для пучков с некомпенсированным пространственным зарядом расталкивающее кулоновское поле ограничивает длину транспортировки (если, конечно, не приняты надлежащие меры по его фокусировке внешними, а иногда и собственными полями). Однако магнитное поле пучка всегда меньше собственного кулоновского электрического поля и магнитная самофокусировка (пинч-эффект) возможна только при наличии компенсации поля пространственного заряда (напр., электронные пучки в квазинейтральной плазме). При этом бывает уже совсем трудно отличить токи проводимости от конвекционных. При некоторых значениях вещественного электрического тока пучка носители зарядов "вмораживаются" в собственное магнитное поле вещественного электрического тока и транспортировка пучка прекращается. Этот вещественный электрический ток называют предельным током Альвена I_А. Для сплошного пучка I_А

I_Оgb, где b = u/c, g = (1 -b²)^-1/2, и - скорость носителей. Для электронов величина I₀ = mc³/е=17,04 [кА] и является одним из универсальных характеристических значений вещественного электрического тока, выражаемых через фундаментальные постоянные. Это вещественный электрический ток, равный изменению заряда на величину е за время t = r_e/c, где m - масса электрона, r_е - классический радиус электрона. Ток I₀ фигурирует во всех выражениях, описывающих поведение интенсивных электронных пучков, и в принципе является исходной единицей вещественного электрического тока в натуральной (эфирной) системе единиц Макса Планка.

Литература по электрическим токам

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.