§20 Плотность тока

1. Под электрическим током понимается любое упорядоченное движение электрических зарядов, происходящее под действием электрического поля. Обычно движение зарядов происходит в некоторой среде, которая при этом называется проводником, а сами заряды называются носителями тока. В случае металлов носителями тока являются свободные электроны, а в электролитах и ионизованных газах —положительные и отрицательные ионы, а также электроны.

2. Электрический ток характеризуется объемной плотностью тока j. Для ее определения рассмотрим количество зарядов, переносимых носителями через элементарную площадку dS за единицу времени. Для простоты вначале предположим, что носителями тока являются заряженные частицы одного сорта. Пусть в окрестности точки r концентрация носителей N1см3, а распределение по скоростям характеризуется функцией распределения f(v). При этом частицы, обладающие скоростью v и разбросом скорости dv, за время dt через площадку dS переносят заряд

qNf(v)(v n)dSdvdt

(см. рис. 43), где q —заряд носителя тока, n —единичная нормаль к площадке, а суммарный заряд, переносимый всеми частицами за единицу времени, т. е. ток через площадку dS, будет равен

dI = qN vf(v)dv ndS.

Эту величину можно представить в виде

dI = (j n)dS = jndS,

(20.1)
где вектор j, связанный с вектором средней скорости зарядов u = vf(v) = N1 i=1Nv i

соотношением

j = q i=1Nv i = qNu,

(20.2)
и есть рассматриваемая объемная плотность тока. Из (1) видно, что объемная плотность тока по величине равна току, протекающему через единичную площадку, перпендикулярную вектору j, а размерность j связана с размерностью q соотношением [j] = [q]см2с1(в абсолютной системе).

Если в создании тока участвуют несколько типов заряженных частиц, то учитывается вклад каждого сорта и тогда

j = iqiNiui.

Если рассматривается некоторый конечный объем V , ограниченный замкнутой поверхностью S, то суммарный заряд, выносимый из объема V через границу за единицу времени, равен

I = SjndS(полный ток через поверхность S);

(20.3)
здесь n - внешняя нормаль к поверхности S.

3. Наряду с объемно распределенными токами, характеризующимися объемной плотностью j, часто встречаются ситуации, когда ток можно считать поверхностным и характеризовать поверхностной плотностью i . Ток, бегущий по слою малой (по сравнению с другими размерами) толщины δ можно считать поверхностным, если интересоваться только внешними проявлениями этого тока в пространстве вне слоя на расстояниях, существенно превышающих толщину слоя (например, магнитным полем от этого тока). При этом истинным распределением плотности тока j по толщине слоя можно не интересоваться, толщину слоя не принимать во внимание и рассматривать слой в виде математической поверхности, по которой бежит ток с поверхностной плотностью i . Вектор i в каждой точке поверхности лежит в касательной плоскости и равен произведению усредненной по толщине слоя объемной плотности тока j и толщины слоя δ, т. е.

i = jδ.

(20.4)
Если теперь на поверхности взять произвольный отрезок Δ и провести к нему нормаль n, лежащий в касательной плоскости, то ток, протекающий через этот отрезок,
ΔI = (i n)Δ = inΔ

(20.5)
фактически будет совпадать с током, протекающим через элементарное сечение ΔS = Δδ реального токового слоя под отрезком Δ, т. к. на основании (3.4) inΔ = jnδΔ = jnΔS.

Задача 3.1. Равномерно заряженный с объемной плотностью ρ диэлектрический цилиндр радиуса R и высотой h вращается с угловой скоростью ω относительно оси симметрии. Найти распределение объемной плотности тока j в пределах цилиндра.

В цилиндрической системе координат (r,α,z), привязанной к рассматриваемому цилиндру, искомая плотность тока

j = jαeα

по условию задачи не имеет составляющих jr и jz. Для определения jα рассмотрим элементарную площадку drdz, перпендикулярную орту eα (рис. 44) и заметим, что ток через эту площадку равен dI = ρωrdrdz. На основании (3.1) отсюда имеем jα = ρωr и, следовательно,

j = ρωreαв областиr R,z h2.

Следует обратить внимание, что хотя цилиндр заряжен вплоть до внешней поверхности, поверхностные токи здесь не возникают.

Задача 3.2. Предположим, что цилиндр дополнительно заряжен по поверхности. Пусть h = const, R = const — поверхностные плотности зарядов на торцах и на цилиндрической поверхности. Найти поверхностные токи.

Для определения поверхностной плотности на торцах цилиндра рассмотрим радиальный отрезок dr, лежащий на торце и заметим, что через этот отрезок за 1 с переносится заряд, равный заряду кольцевой полости длины v = ωr (на рис. 44 заштрихована). Следовательно, ток через отрезок dI = hωrdr и в соответствии с (3.5) iα = hωr (на торцах z = h2). Аналогично из рассмотрения отрезка dz, расположенного вдоль образующей цилиндра, находим iα = RωR на поверхности цилиндра.