а) Электрический ток. Из сказанного в § 1.2 следует, что для возникновения и прохождения электрического тока в проводнике необходимо: 1) наличие в проводнике носителей зарядов, которые могут перемещаться — свободных электронов в металлах, ионов и свободных электронов в электролитах; 2) наличие в проводнике электрического поля.

Поле неподвижных зарядов (электростатическое поле) не может существовать в проводнике, так как под действием поля свободные заряды проводника могут перемещаться. В заряженном проводящем теле все заряды расположатся на поверхности так, чтобы их суммарное поле внутри проводника равнялось нулю Для поддержания направленного движения зарядов в проводнике необходимо поддерживать электрическое поле в проводнике, подключив к нему два вывода (электрода) источника электрической энергии, например аккумулятора. Таким образом, электрический ток проходит в проводнике, если проводник вместе с источником электрической энергии образует хотя бы простейшую электрическую цепь. Поле в проводнике создается зарядами, накапливающимися на электродах источника под действием химических (в аккумуляторах и гальванических батареях), механических (в электромашинных генераторах) или других сил, действующих в источнике. В электротехнике говорят, что между электродами, к которым подключен источник энергии, приложено напряжение этого источника.

Рис. 1.3. Электрический ток в электролите.

Положительно заряженный электрод (анод) обозначают знаком плюс, а отрицательно заряженный (катод) – знаком минус.
Электрическое поле в проводнике при не изменяющемся с течением времени токе называется стационарным электрическим полем. Стационарное электрическое поле в проводнике, как и электрическое поле неподвижных зарядов, характеризуется напряженностью  электрического поля ℇ, которая не изменяется во времени.

Приложим электрическое напряжение к двум металлическим электродам, погруженным в электролит (рис. 1.3). Под действием электрического поля положительные ионы будут перемещаться к отрицательному электроду – катоду, а отрицательные ионы – к положительному электроду – аноду. Таким образом, два встречных потока ионов противоположного знака, обусловленных наличием электрического поля, представляют собой электрический ток. Достигнув электродов, ноны или оседают на них, или вступают с ними в химическую реакцию. Отрицательные ионы электролита отдают аноду свои электроны, которые и будут двигаться дальше к источнику. Положительные ионы электролита соединяются со свободными электронами ка­тода, поступающими от источника. Таким образом, в прово­дах, идущих от источника питания, возникает движение свободных электронов в направлении к катоду.

В металлическом проводе свободные электроны движут­ся также в “направлении, противоположном направлению вектора напряженности электрического поля ℇ и принятому направлению тока. Направление тока I указывают стрелкой (рис. 1.3 и 1.4).

Постоянный ток (сила тока) I определяется количест­вом электричества (зарядом), проходящим через выде­ленную поверхность проводника, в частности для про­водов (рис 1.4) – через поперечное сечение, в единицу времени.

Обозначив буквой Q заряд, проходящий через попереч­ное сечение за время r, получим

   

                                                          (1.6)

                                                                             

Изменяющийся с течением времени (переменный) ток в отличие от постоянного обозначается строчной (малой) буквой i . Если за бесконечно малый промежуток времени dt через поперечное сечение проходит бесконечно малый заряд dq, то ток определяется по аналогичной формуле:

      

                                                     (1.7)

 

Единицей тока является ампер (А). Постоянный ток в проводнике равен 1 А, если через поперечное сечение за 1 с проходит электрический заряд, равный 1 Кл, т. е. 1 А=1 Кл/1с.  Наряду с ампером часто применяются дольные и кратные единицы: микроампер (1мкА=10^_6 А), милли­ампер (1 мА = 10^_3 А) и килоампер (1 кА = 10³ А).

Нельзя непосредственно наблюдать электрический ток, и количественное представление о токе получают только по показаниям электроизмерительных приборов (ампермет­ров), работа которых основана на явлениях, сопровождаю­щих прохождение тока: тепловом, магнитном и химичес­ком действиях тока.

б) Плотность тока. При равномерном распределении то­ка по выделенной поверхности проводника отношение тока I к площади S этой поверхности определяет плотность тока:

J = I/S.                                                        (1.8)

Плотность тока в проводах обычно измеряется в А/мм². Вектор плотности тока в проводе постоянного сечения на­правлен нормально к плоскости его поперечного сечения (рис. 1.4).

Рис. 1 .5 Электрический ток в различных поперечных сечениях провода.

 

Численное значение постоянного тока в проводе, попе­речное сечение которого на различных участках неодинако­во, остается неизменным и равным I. Предположив, что ток в двух произвольно выбранных сечениях провода S₁н S₂ (рис. 1.5) различен, придем к выводу, что за каждую еди­ницу времени через сечения S₁ и S₂ проходят разные по зна­чению электрические заряды. Следовательно, в объеме про­вода, расположенного между указанными сечениями, долж­но было бы происходить непрерывное накапливание заря­дов того или другого знака и напряженность электрического поля изменялась бы, чего не может быть, так как при из­меняющемся поле и ток непостоянный. В проводах разного сечения при одном и том же токе или вдоль провода изме­няющегося сечения плотность тока обратно пропорциональ­на площади поперечного сечения. Действительно, так как

I = J₁S₁ = J₂S₂                                      (1.9)

то

 

J₁ /J₂= S ₁S₂                                          (1.10)

Рассмотрим участок прямолинейного провода, имеюще­го по всей длине одинаковое поперечное сечение S, по ко­торому проходит постоянный ток (рис. 1.6). Так как ток постоянный, то, следовательно, напряженность поля ℇ не изменяется, а ее значение и направление при одинаковом поперечном сечении провода одинаковы во всех точках провода.

Рис. 1 6. Проводник с неизмен­ным поперечным сечением.

 Поэтому в проводе существует однородное электриче­ское поле, которое направлено по оси провода. Так как век­тор напряженности поля направлен вдоль провода, то по­тенциал изменяется только вдоль провода и напряжение (разность потенциалов) между двумя любыми точками за­данного поперечного сечения равно нулю. Следовательно, поверхность поперечного сечения — эквипотенциальная по­верхность в проводе.

Выделим в проводе две эквипотенциальные поверхности, потенциалы которых φ_а и φ_b и расстояние между которыми l (рис. 1.6).

 Напряжение между эквипотенциальными поверхностя­ми, по определению,  равно разности потенциалов, т. е.

а напряженность поля в проводе

 

                                       (1.12)

По закону Ома для плотности тока

                                       (1.13)

где  γ — удельная проводимость металла, из кото­рого изготовлен провод.