Електричний струм

Відео: Електроніка крок за кроком - Електричний струм (Випуск 1)

Електричний струм у напрямку протікає від позитивного полюса джерела живлення до негативного Електричний струм - впорядкований рух заряджених частинок в просторі. В металах це електрони, напівпровідниках - електрони і дірки, в електролітах - позитивно і негативно заряджені іони, в іонізованих газах - іони і електрони. За напрямок струму вибирають рух позитивно заряджених частинок. Таким чином, напрямок струму в металах протилежний напрямку руху електронів.
Кількісно електричний струм характеризується диференціальної векторною величиною щільності струму або в разі струму в проводах інтегральною величиною силою струму.
Щільність струму визначається як величина заряду, яка протікає через одиничну площу за одиницю часу. Щільність струму - векторна величина, її напрямок визначається напрямом потоку заряду. Вона позначається латинською буквою .
величина називається силою струму, і відповідає кількості заряду (? q), переміщений через перетин провідника за час? t.
В системі СІ сила струму вимірюється в амперах. Відповідно, щільність струму вимірюється в A / м 2.
Якщо за кожен проміжок часу? t заряд? q однаковий і напрямок струму залишається незмінною, то такий струм називають постійним.
У разі, коли ці величина змінні, силу струму описують наступним чином:

,


такий струм називають змінним.
Для класичної системи заряджених частинок із зарядом e нескінченно малий заряд dQ, що переноситься за час dt через елементарну площадку dS перпендикулярну напрямку середньої швидкості v часток визначається наступним чином:

,


де e - заряд частинок, v - швидкість руху частинок, а n - їх кількість в одиниці об`єму.
Сила струму dI через майданчик d S визначається співвідношенням






згідно якому

- Щільність електричного струму, де межа над символами означає усереднення.

Електричний струм в речовині виникає під дією електричного поля. Електричне поле змушує рухатися вільні носії заряду: електрони, дірки або іони. Узгоджений рух носіїв заряду в зовнішньому електричному полі називається дрейфовий струмом.
Електричний струм виникає також під дією відмінних від електричного поля причин. У таких випадках кажуть, що електричний струм зумовлений сторонніми силами. Кількісною характеристикою здатності сторонніх сил створювати електричний струм є так звана електрорушійна сила, або скорочено ЕРС.
Розглянемо кілька різних прикладів створення струму сторонніми силами.
Дифузний струм виникає тоді, коли носії заряду розпроділені в речовині неоднорідне. Дифузний струм важливий для роботи напівпровідникових приладів, зокрема транзисторів.
У гальванічних елементах, батарейках, акумуляторах електричний струм виникає в результаті хімічних перетворень, що відбуваються на кордоні електродів з електролітом.
У термоелектричних джерелах струму електричний струм виникає внаслідок градієнта температури.
Електричний струм викликається також змінним магнітним полем. Зміна магнітного потоку створює вихровий електричне поле, яке і призводить до руху носіїв заряду.
Електричний струм створює магнітне поле, напруженість якого визначається законом Біо-Савара. Магнітне поле, створене струмом, використовується для вимірювання сили струму.
Проходження електричного струму через речовину призводить до виділення тепла. У разі провідника з кінцевим опором це тепловиділення опісуетсья законом Джоуля-Ленца. При проходженні струму через контакт двох провідників тепло може як виділятися, так і поглинатися (ефект Пельтьє). Аналогічні ефекту Пельтьє явища вінакають при проходженні електричного струму через провідник з нерівномірним розподілом температури.
Електричний струм в газах викликає світіння, є окремим випадком електролюменесценціі. Аналогічні явища виникають в світлодіодах. При проходженні через електроліт електричний струм супроводжується хімічними реакціями на електродах, які можуть покриватися шаром металу, що виділяється з електроліту.
Сила струму вимірюється приладами, які називають амперметрами і гальванометра. У цих приладах зазвичай вимірюється не сам струм, а механічна дія створеного ним магнітного поля.
У квантовій механіці електричний струм описується делокалізованних хвильовими функціями. Важливо не тільки те, що ці функції комплексні. Дійсними хвильовими функціями описати перебіг струму неможливо.
Цей висновок дуже важливий для розуміння квантової механіки. Стаціонарні стану пов`язаних електронів, наприклад, електронів атомних оболонок, описуються локалізованими хвильовими функціями, які істотно дійсні. Такі електрони не дають ніякого вкладу в електричний струм. Згідно з уявленнями класичної механіки, електрон на атомній орбіті обертається навколо ядра, і це обертання повинно було б приводити до виникнення замкнутих струмів в кожному атомі. У квантовій фізиці таких струмів немає. Однак ситуація змінюється в магнітному полі.
Для квантовомеханічною частки, який описується хвильової функцією?, Щільність струму задається формулою



,

де q - заряд частинки, m - її маса, i - уявна одиниця, - Зведена постійна Планка.
Якщо хвильову функцію записати у вигляді? =? e i ?, де? - модуль, а? - фаза, то формула для обчислення струму запишеться у вигляді

.

Наприклад, для вільної часкі з імпульсом , де - Хвильовий вектор, хвильова функція має вигляд , І струм дорівнює ,
що збігається з формулою класичної фізики.
Загальна формула для струму в магнітному полі
У магнітному полі і для частки зі спіном квантовомеханічна формула для обчислення струму змінюється

,

де - Векторний потенціал, s - значення спина, - Оператор спина, а? - характерна для кожної частинки стала.
Важливим наслідком із цієї формули є те, що в зовнішньому магнітному полі в атомах, електрони яких описуються дійсними локалізованими хвильовими функціями, виникають замкнуті струми, що призводять до діамагнетизму.
У теорії відносності електричний струм описується 4-вектором , Де c - швидкість світла,? - щільність заряду, - Тривимірна щільність струму. Цей 4-вектор задовольняє рівняння безперервності

.


Увага, тільки СЬОГОДНІ!