Електродинаміка - основний розділ вчення про електрику, в якому розглядається явище і процеси, пов'язані з рухом електричних зарядів або макроскопічних заряджених тел.
Найважливішим поняттям електродинаміки є поняття електричного струму.
Електричним струмом називається впорядкований рух електричних зарядів.
Струм може текти в газах, рідинах і твердих тілах.
Струм, обумовлений впорядкованим рухом вільних зарядів, називається струмом провідності (струм в металах, напівпровідниках, електролітах, газах).
Струм, що виникає при впорядкованому русі макроскопічних заряджених тіл (порошинок, крапельок) називається конвекційним.
Надалі будуть розглядатися тільки струми провідності.
Для виникнення і існування струму необхідно виконання 2-х умов:
1) наявність в даному середовищі вільних носіїв струму, здатних переміщатися в межах всієї середовища:
в металах і напівпровідниках - електрони;
в електролітах - іони обох знаків;
в газах - іони обох знаків і електрони;
2) існування в даному середовищі електричного поля, енергія якого витрачається на впорядковане переміщення електричних зарядів.
За напрямок струму умовно приймають напрямок руху позитивних зарядів.
У відсутності електричного поля всі носії струму здійснюють хаотичний тепловий рух, швидкість якого залежить від маси частинок і температури, при
Електричне поле повідомляє носіям струму додаткову швидкість упорядкованого руху При включенні поля на хаотичний рух накладається впорядкований рух зі швидкістю. Так, в металах, електрони провідності, не припиняючи свого хаотичного руху, повільно «зносяться» полем вздовж провідника зі швидкістю. тобто досить повільно. Однак, ця швидкість не має ніякого відношення до швидкості поширення струму уздовж провідника. При замиканні електричного кола виникає спрямований зрушення електронів, який викликає електромагнітну хвилю, що поширюється уздовж всього ланцюга. Швидкість цієї хвилі і є швидкістю поширення струму уздовж провідника.
Кількісною характеристикою струму є сила струму - скалярна фізична величина, що дорівнює відношенню заряду. що проходить через поперечний переріз провідника за малий проміжок часу. до величини цього проміжку
Весь заряд, що пройшов за час t через поперечний переріз провідника, можна визначити, взявши інтеграл:
Струм, сила і напрямок якого не змінюються з часом, називається постійним. Для постійного струму:
тобто сила постійного струму чисельно дорівнює заряду, що проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу. В цьому випадку:
1A - сила постійного струму, поточного по двом нескінченно довгим паралельним провідникам, розташованим у вакуумі на відстані 1 м один від одного і взаємодіє з силою 2 × 10 -7 H на кожен метр їх довжини. Взаємодія провідників обумовлено магнітними полями, породжуються цими струмами.
Електричний струм може бути розподілений по поперечному перерізі провідника нерівномірно. Розподіл струму визначається щільністю струму:
Щільність струму чисельно дорівнює відношенню сили струму крізь малий елемент поверхні, нормальний (тобто перпендикулярний) до напрямку руху зарядів, до величини площі цього елемента.
Вектор сонаправлени з вектором середньої швидкості упорядкованого руху позитивних носіїв.
Знаючи в кожній точці провідника, можна знайти I через будь-який поперечний переріз провідника:
Для постійного струму:
тобто щільність постійного струму чисельно дорівнює силі струму, що проходить через одиницю площі поперечного перерізу провідника, перпендикулярного напрямку струму.
Висловимо силу і щільність постійного струму через середню швидкість упорядкованого руху зарядів.
заряд, що проходить за час t через поперечний переріз провідника, дорівнює
де е = 1,6 × 10 -19 Кл - електричний заряд,
N - число вільних електронів, які пройшли за час t через поперечний переріз провідника.
Для визначення N розглянемо провідник циліндричної форми з площею поперечного перерізу S і виділимо на ньому ділянку довжиною. тобто - це шлях, який проходять електрони за час t, рухаючись під дією електричного поля с. Як видно з малюнка, ті електрони, які в даний момент знаходяться на лівому підставі циліндра, через t дійдуть до правої підстави. Отже, за час t через праве підставу пройдуть всі вільні електрони, що містяться всередині розглянутого циліндра, тобто
де - концентрація електронів,
Підставами (3) ® в (2) ® в (1)
Якщо два різнойменно заряджених до потенціалів j1 і j2 провідника А і В з'єднати провідником С, то під дією електричного поля електрони будуть переміщатися в напрямку АСВ (тобто в напрямку ВСА піде струм) до тих пір, поки потенціали точок А і В не стануть однаковими, після чого струм припиниться.
Очевидно, що для підтримки в ланцюзі постійного струму необхідно, щоб потенціали j1 і j2 не змінювалися з часом, не дивлячись на те, що кожну секунду певне число електронів йде з точки А і приходить в точку В. Для цього необхідно мати спеціальний пристрій - джерело струму , всередині якого відбувалося б безперервне поділ різнойменних зарядів і перенесення негативних зарядів до провідника А, позитивних - до провідника В. Провідники А і В при цьому називаються полюсами джерела струму.
Джерело струму - пристрій, всередині якого відбувається безперервне поділ різнойменних зарядів і перенесення їх до відповідних полюсів джерела.
Очевидно, що роз'єднання різнойменних зарядів відбувається під дією сил неелектростатіческого походження (тому що електростатичні сили призводять до з'єднання різнойменних зарядів). Ці сили називають сторонніми силами.
Сторонні сили - це сили, неелектростатіческого походження, що діють на заряди всередині джерел струму і підтримують різниця потенціалів між полюсами.
Природа сторонніх сил в різних джерелах струму різна: в гальванічних елементах ці сили виникають за рахунок енергії хімічної реакції між електродами і електролітом; в електричних генераторах робота сторонніх сил відбувається за рахунок механічної енергії, що витрачається на обертання ротора генератора і т.д.
Сторонні сили, переміщаючи електричні заряди, здійснюють роботу.
Фізична величина, що дорівнює роботі сторонніх сил по переміщенню одиничного позитивного заряду, називається е.р.с. діючу пенсійну систему ланцюга або на її ділянці:
Ця робота проводиться за рахунок енергії, що витрачається в джерелі струму, тому величину e називають е.р.с. джерела струму.
Е.р.с. - скалярна величина. Якщо в деякій ланцюга діють кілька е.р.с. то вони можуть бути позитивними і негативними, тобто е.р.с. - алгебраїчна величина.
Розглянемо деяку ділянку ланцюга, що містить е.р.с. e12; R - опір цієї ділянки, j1 і j2 - різниця потенціалів між його кінцями.
Робота по переміщенню заряду q на цій ділянці відбувається як кулоновскими, так і сторонніми силами:
Як відомо з електростатики, робота кулонівських сил при переміщенні заряду з точки з потенціалом j1 в точку з потенціалом j2 визначається виразом:
Фізична величина, що дорівнює роботі, яку здійснюють електростатичними і сторонніми силами при переміщенні одиничного позитивного заряду по деякому ділянці ланцюга, називається напругою на даній ділянці ланцюга:
U12 = j1 - j2 + e12 - напруга на неоднорідному ділянці ланцюга.
Ділянка ланцюга, на якому діють сторонні сили, тобто що містить е.р.с. називається неоднорідним.
Ділянка ланцюга, на якому не діють сторонні сили, тобто який не містить е.р.с. називається однорідним.
U12 = j1 - j2 - напруга на однорідному ділянці ланцюга дорівнює різниці потенціалів між його кінцями.