Електричен ток – големина, плътност и посока

Електричен ток – големина, плътност и посока. Условия за протичане на постоянен
електричен ток. Странични сили. Електродвижещо напрежение. Напрежение
Електричен ток – големина, плътност и посока. Условия за протичане на постоянен електричен
ток
Електричен ток наричаме всяко насочено движение на електрични заряди. В проводниците се
осъществява насочено движение на свободни електрични заряди, което се нарича ток на проводимост –
напр. в металните проводници това са свободните електрони, в електролитите са положителни и
отрицателни йони, в газовете насочено се движат йони и електрони. Следователно, за да протича
електричен ток трябва да има наличие на свободни заряди и причина, поради която тези заряди да се
движат насочено (заредените частици, както и всички други частици, изграждащи веществото, се
намират в непрекъснато движение, но то е хаотично – топлинно движение).
Основните характеристики на електричния ток са посока, големина и плътност. За посока на
електричния ток се приема посоката, в която се движат положителните електрични заряди. В металните
проводници се движат електрони, които имат отрицателен заряд и следователно се движат в посока,
обратна на посоката на тока. Големината на тока I е скаларна физична величина, която се определя от
количеството електричен заряд dq, преминаващо през сечението на даден проводник за единица време:
(1) dq
I
dt
 .
Мерната единица за големина на тока ампер [А] е една от основните единици в система SI. От (1)
можем да изразим и мерната единица за електричен заряд кулон [C] чрез основните единици в SI –
1C=1A.1s.
Понякога е удобно да използваме векторна величина за описание на електричния ток. Затова за
характеризиране на електричния ток се въвежда още величината плътност на тока j – векторна
физична величина, която се определя от големината на тока, преминаващ през единица площ от
напречното сечение S на даден проводник. Големината на j се определя от:
(2) dI
j
dS
 ,
а посоката на вектора j съвпада с посоката на тока. Мерната
единица за плътност на тока е ампер на квадратен метър
[А/m
2
].
В този раздел ще разглеждаме само постоянен електричен
ток. Ако големината и посоката на тока с течение на времето
се запазват постоянни, токът се нарича постоянен. Тогава (1) и
(2) могат да се запишат: const,
q
I q It
t


и ,
I
j I jS
S

.
Нека сега да определим какви условия трябва да са
изпълнени за да протича постоянен електричен ток в един
проводник. Ако имаме две заредени с противополжни заряди
тела (фиг. 1) и ги свържем с метален проводник, през него ще
протече ток. Електроните в проводника ще се придвижат в
посока на положително зареденото тяло, но токът няма да е
постоянен – големината му ще намалява до изравняване на потенциалите на двете заредени тела и
тогава токът ще се прекрати. Следователно, трябва да осигурим постоянна потенциална разлика между
краищата на проводника, т.е. да осигурим постоянен интензитет на полето вътре в проводника. За да се
запази тази потенциална разлика при постоянен интензитет трябва да преместваме обратно зарядите
(ще примем за опростяване на разглеждането, че те са положителни, за да съвпадат посоката на
движението им и посоката на тока) в началното им положение, в противен случай те ще се натрупват
върху едното тяло. Следователно веригата трябва да бъде затворена (фиг. 2). Това обаче не е достатъчно
за да преместим зарядите – те не могат да се движат в посока обратна на полето само под действие на
фиг. 1
1
I
2
фиг. 2
1
I
2 E

1 2
Източник на
електрична енергия стр
E

Comment [I1]: Електричен ток –
определение
Comment [I2]: Електричен ток –
посока
Comment [I3]: Електричен ток –
големина
Comment [I4]: Формула за
големината на ел. ток
Comment [I5]: Плътност на
електричен ток – определение
Comment [I6]: Плътност на
електричен ток – формула

електростатичните сили т.е. в част от веригата трябва да действат и други, неелектростатични сили. Те
трябва да извършват работа против електростатичните сили – да движат положителните заряди към
положителния полюс, а следователно да внасят допълнителна енергия. Т.е. между точките 1 и 2 трябва
да има включен източник на електрична енергия. Така получаваме трите условия за протичане на
постоянен ток:
 интензитетът E на полето в проводника трябва да бъде различен от нула и постоянен с течение
на времето;
 веригата на постоянния електричен ток трябва да бъде затворена;
 в някой участък от затворената верига на свободните електрични заряди, освен кулоновите
(електростатичните) сили, е необходимо да действат и други, неелектростатични сили, които се
наричат странични.
Странични сили. Електродвижещо напрежение. Напрежение
Ще разгледаме по-подробно страничните сили и начинът, по който те осъществяват протичането на
постоянен ток. Както казахме по-горе страничните сили могат да се създават чрез източници на
електрична енергия (галванични елементи, акумулатори, генератори и др.). Тъй като те действат на
електричните заряди можем да предположим, че те също създават някакво електрично поле
(неелектростатично) и можем да въведем характеристика на това поле – интензитет на полето на
страничните сили стр
E . Следователно, страничните сили са сили с неелектростатичен произход, които
създават електрично поле и пренасят заряд в източника на електрична енергия в посока, обратна на
посоката на електростатичното поле. Тогава големината на страничните сили ще се дава със зависимост,
подобна на тази, която получихме за Кулоновите (електростатични) сили (F qE ): стр стр
F qE
.
Работата на електростатичните сили за пренасяне на единица положителен заряд между две точки от
полето е равна на взетата със знак минус разлика между потенциалите на двете точки:  
2
2 1 12
1
.
A
E dr
q
      
.
Нека да пресметнем работата на страничните сили вътре в източника (фиг. 2) за пренасяне на
положителния електричен заряд q: стр стр стр
11
стр стр стр
22
..
.
dA F dr qE dr
A dA q E dr


1
стр
стр 12
2
.
A
E dr
q
  
.
Величината 12 се нарича електродвижещо напрежение (ЕДН) на източника и представлява работата,
извършена от страничните сили, за пренасяне на единица положителен заряд вътре в източника на
електрична енергия. Затова тези източници се наричат също и източници на ЕДН. Вижда се, че мерната
единица за ЕДН е същата както за потенциална разлика и потенциал – волт [V].
Ако в някакъв участък 1–2 от електрична верига действат и Кулонови и странични сили, общата
работа A12 за пренасяне на единица положителен заряд от т. 1 до т. 2 ще бъде сума от работите,
извършени от двата вида сили: 22
12
стр 12 12 1
1
2
1
..
A
E dr E dr
q
U    

Величината U12, която се определя от общата работа на Кулоновите и страничните сили за пренасяне
на единица положителен заряд от т. 1 до т. 2 се нарича напрежение (или пад на напрежението) между
точките 1 и 2. Понятието напрежение е обобщение на понятието потенциална разлика. Ако в дадения
участък 1−2 от електричната верига няма включено електродвижещо напрежение (12=0), напрежението
U12 в краищата му е равно на взетата със знак минус разлика от потенциалите в точките 1 и 2:  
12 12 2 1 1 2
U        
.
Мерната единица за напрежение също е волт [V].
Comment [I7]: Условия за протичане
на постоянен електричен ток
Comment [I8]: Странични сили -
определение
Comment [I9]: ЕДН – формула
Comment [I10]: ЕДН – определение
Comment [I11]: Напрежение –
формула
Comment [I12]: Напрежение –
определение