Главная страница Случайная страница Разделы сайта АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Физическое определение плотности тока.
Выделим элементарный объем трубки тока, ограниченный двумя близкорасположенными поверхностями, ортогональными к линиям тока.
Рис. 1 Пусть точка наблюдения принадлежит одной из этих поверхностей (см. рис.1). Будем считать, что трубка тока и поверхности выбраны так, что - физически бесконечно малый объем, так что внутри этого объема характеристики заряженной среды от точки к точке не меняются. Тогда ясно, что указанные поверхности – участки параллельных плоскостей, перпендикулярных к линиям тока. Ясно также, что выделенный объем есть цилиндр (не обязательно круглый!) с площадью основания (значок «» показывает, что площадка перпендикулярна линиям тока; полагаем, что - физически бесконечно малая площадь) и высотой . Здесь - расстояние между указанными плоскостями, - векторный элемент линии тока. Объем можно записать через скалярное произведение , где = , направление орта совпадает с направлением скорости переноса заряда. Внутри объема находится заряд , который покинет выделенный объем за время : = . Очевидно, что , (7) откуда в силу (5) (8) Обозначим через силу тока через элемент поверхности . Ясно, что , где элементарный заряд определяется формулой (7). Тогда , (9) где - сила тока (в момент времени ) через элемент поверхности , содержащий точку . Соотношение (9) проясняет смысл термина «плотность тока». Как известно, направление вектора определяется ортом . Поэтому из соотношения (9) следует: . (10) Соотношение (9) можно рассматривать в качестве физического21 определения вектора . Объемная плотность тока есть вектор, направление которого совпадает с направлением тока в точке в момент времени , а величина определяется из соотношения (10). Другими словами: пусть есть физически бесконечно малая площадь, содержащая точку и перпендикулярная линии тока в этой точке; величина объемной плотности тока вводится так, чтобы произведение равнялось силе тока через элемент в момент времени . Единица измерения плотности тока: [А/м2]. (СИ).
Рассмотрим теперь ток через элемент площади (физически бесконечно малый), содержащий точку и произвольно ориентированный по отношению к линии тока в этой точке. Не ограничивая общности, будем считать элемент плоским и будем считать, что граница элемента принадлежит трубке тока, о которой говорилось выше. См. рис. 2. Пусть - орт положительной нормали к элементу .
Рис. 2 Как указывалось ранее, силе протекающего через площадку тока нужно приписывать как положительные, так и отрицательные значения в зависимости от того, протекает ли ток через в направлении положительной нормали к этой площадке или же в обратном ей направлении. (Тамм, стр.137-138). Сила тока через ориентированную площадку такая же, как сила тока через площадку , если , и противоположна по знаку, если , т.е. . (12) Ясно, что . Следовательно, . Окончательно, . (13) Очевидно, что интеграл (14) по любой кусочно-гладкой поверхности равен силе тока через эту поверхность в момент времени . Интеграл (14) есть поток векторного поля через поверхность . Соотношение (14) также можно принять за определение (математическое) силы тока. Итак, сила тока - интегральная характеристика электрического тока, определяемая математически как поток вектора через любую поверхность . Заметим, что в силу (13) , (19) где - проекция вектора на положительную нормаль к . Задача. Движение зарядов происходит в цилиндрической области. Радиус цилиндра , ось цилиндра совмещена с осью . Распространение заряда происходит в направлении . Будем считать, что цилиндр имеет бесконечную протяженность вдоль оси . Сила тока в любом сечении цилиндра плоскостью постоянна и равна . В каждый момент времени объемная плотность заряда в любой точке внутри цилиндра равна , где - полярный радиус, - коэффициент пропорциональности. На единицу длины цилиндра приходится заряд . Найдите объемные плотности заряда и тока.
Решение. . (Ф1) Пусть область - отрезок цилиндра единичной длины. . Следовательно, , (Ф2) где - поперечное сечение цилиндра. . (Ф3) Поэтому в силу (Ф2) и (Ф3) . (Ф4) Возвращаясь к (Ф1), получаем: . (Ф5) Пусть - скорость переноса заряда. В нашем случае . Объемная плотность тока . (Ф5) Остается найти величину скорости переноса заряда. Частицы проходят отрезок единичной длины за время . , откуда (Ф6) Окончательно получаем: . (Ф7)
Поверхностный и линейный токи.Если вдоль заряженной поверхности имеет место направленное движение носителей заряда, говорят о поверхностном токе, распределение которого описывается плотностью поверхностного тока , где - локальная средняя скорость частиц, направленная по касательной к линии тока. Плотность реального объемного и модельного поверхностного токов можно связать предельным переходом , где h -толщина слоя движущихся зарядов [Кураев, с.13, Батыгин с. 134]. Аналогично движение зарядов вдоль заряженной нити называют линейным током32. Его характеристика - плотность линейного тока (линейная плотность тока) . Очевидно, что плотность линейного тока равна заряду, переносимому в единицу времени через точку на линии тока, т.е. току, текущему вдоль нити , (см. размерности), - единичный вектор вдоль линии тока (см. выше). Действительно, пусть элемент нити содержит точку . , где - заряд элемента нити; . Следовательно, , .
|