Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК -направленное движение носителей электрич. зарядов (электронов, ионов, дырок и т. п.). Количественно Э. т. характеризуется вектором плотности электрического тока j = qn<u>, где q и п - заряд и концентрация носителей, <u> - ср. скорость упорядоченного движения носителей (с учётом ф-ции распределения по скоростям или импульсам). Если ввести объёмную плотность заряда r=qn, то j=r<u>. В системах с разнозарядовыми носителями производится векторное суммирование плотностей Э. т., обусловленных этими носителями. Интегральной характеристикой Э. т. является сила тока I, определяемая как поток вектора j через заданную площадку DS:

Ф-ции j(r, t )и r(r, t) связаны ур-нием непрерывности:

В интегральной форме это ур-ние восходит к закону сохранения электрич. заряда:

(S- поверхность, охватывающая объём V, Q- заряд объёма V), к-рый является одним из фундам. законов природы- отклонение от него не обнаружено ни в одном эксперименте или наблюдении. В пространственно-временной записи ур-ние непрерывности сводится к равенству нулю 4-дивергенции 4-тока, т. е. к утверждению, что 4-вектор плотности Э. т. всегда является чисто вихревым.

Помимо разделения Э. т. на переменные токи и постоянные токи, до нек-рой степени условно различают т о к и п р о в о д и м о с т и и конвекционные токи. К первым относят Э. т. в проводящих средах, где носители заряда (электроны, ионы, дырки в проводниках и полупроводниках, анионы и катионы в электролитах) перемещаются сами или эстафетно передают один другому импульсы внутри неподвижных макросред, испытывая индивидуальные или коллективные соударения с формирующими эти среды частицами (нейтралами, ионными решётками и т. п.). Для компенсации потерь и обеспечения протекания Э. т. (за исключением Э. т. в сверхпроводниках) необходимо прикладывать сторонние силы - обычно электрич. поле Е. При достаточно малых Е почти всегда справедлива линейная связь между j к Е (Ома закон); для линейных однородных изотропных сред j=sE, s=const. В общем случае электропроводностьs может зависеть от координат (неоднородные среды), направлений (анизотропные среды), внеш. магн. поля, изменяться со временем (парамет-рич. среды) и т. п. С увеличением напряжённости Е электропроводность любой среды становится нелинейной: s = s(E). Напр., под действием поля Е даже в исходно нейтральных (непроводящих) газах может возникать ла-винно возрастающая ионизация - пробой (см. Лавина электронная )с прохождением иногда весьма значительных Э. т. В естественных земных условиях разряды в грозовых облаках характеризуются Э. <т. до 10⁵ А. Обычно это достигается в гл. стадии молнии, называемой обратным ударом, когда основной лидер заканчивает "прокладку" проводящего тракта до самой Земли.

В технике важное значение имеют токовые цепи, состоящие из последовательных и параллельных соединений тонких проводников (называемых линейными по их геом. признакам) со включёнными сосредоточенными элементами: ёмкостями, сопротивлениями, транзисторами, переключателями и т. п. Иногда говорят о сильноточных и слаботочных системах в зависимости от назначения соответствующих устройств-передачи (преобразования) больших энергий или переработки информации. Распределение Э. т. в линейных цепях подчинены Кирхгофа правилам. При отсутствии нелинейных элементов справедливы взаимности принцип и различные его разновидности.

К собственно конвекционным Э. т. относятся в осн. токи в электронных и ионных пучках, транспортируемые или дрейфующие в вакуумных полостях. Для пучков с некомпенсированным пространственным зарядом расталкивающее кулоновское поле ограничивает длину транспортировки (если, конечно, не приняты надлежащие меры по его фокусировке внешними, а иногда и собственными полями). Однако магн. поле пучка всегда меньше собственного кулоновского электрич. поля и магн. самофокусировка (пинч-эффект )возможна только при наличии компенсации поля пространственного заряда (напр., электронные пучки в квазинейтральной плазме). При этом бывает уже совсем трудно отличить токи проводимости от конвекционных. При нек-рых значениях Э. т. пучка носители зарядов "вмораживаются" в собственное магн. поле Э. т. и транспортировка пучка прекращается. Этот Э. т. наз. предельным током Альвена I _А. Для сплошного пучка I _АI _Оgb, где b = u/c, g = (1 -b²)^-1/2, и - скорость носителей. Для электронов величина 1₀ = тс³/е=17,04 кА и является одним из универсальных характеристических значений Э. <т., выражаемых через фундаментальные постоянные. Это Э. т., равный изменению заряда на величину е за время t = r_e/c, где r _е - классический радиус электрона. Ток I₀ фигурирует во всех выражениях, описывающих поведение интенсивных электронных пучков, и в принципе является исходной единицей Э. т. в соответствующей безразмерной системе единиц. Н. Ф. Ковалёв, М. А. Миллер.