| |
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 N1∕см3,
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→)dSdv→dt
(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 ∫
v→f(v→)dv→ ⋅n→dS.
Эту величину можно представить в виде
dI = (j→ ⋅n→)dS = jndS,
| (20.1) |
где вектор j→,
связанный с вектором средней скорости зарядов
u→ = ∫
v→f(v→) = N−1 ∑
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]см−2с−1(в абсолютной системе).
Если в создании тока участвуют несколько типов заряженных частиц, то
учитывается вклад каждого сорта и тогда
j→ = ∑
iqiNiu→i.
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.
Если теперь на поверхности взять произвольный отрезок
Δℓ и провести к
нему нормаль n→,
лежащий в касательной плоскости, то ток, протекающий через этот отрезок,
ΔI = (i→ ⋅n→)Δℓ = inΔℓ
| (20.5) |
фактически будет совпадать с током, протекающим через элементарное сечение
ΔS = Δℓδ реального токового
слоя под отрезком Δℓ,
т. к. на основании (3.4)
inΔℓ = 〈jn〉δΔℓ = 〈jn〉ΔS.
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→ = jαe→α
по условию задачи не имеет составляющих
jr и
jz. Для определения
jα рассмотрим
элементарную площадку drdz,
перпендикулярную орту e→α
(рис. 44) и заметим, что ток через эту площадку равен
dI = ρωrdrdz. На основании
(3.1) отсюда имеем jα = ρωr
и, следовательно,
j→ = ρωre→αв областиr ≤ R,∣z∣≤ h∕2.
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∣ = h∕2). Аналогично из
рассмотрения отрезка dz,
расположенного вдоль образующей цилиндра, находим
iα = ∑
RωR на
поверхности цилиндра.
|