Ідеальний провідник електрики
Давайте уявимо ідеальний провідник електрики, де є одні тільки вільні заряди – електрони. В реальності такого провідника не існує, є лише наближення до нього, але уявити такий провайдер електрики цілком можливо.
Що ж ми маємо в якості ідеального провідника? Найпростіше його представити як показано на малюнку у вигляді прямокутного бруска, в якому існують вільні електрони. Цей брусок має обсяг V (м3), довжину, висоту і довжину в глибину. Усередині бруска є рівномірно розподілені заряди – електрони. На обсяг бруска V, є деяка величина щільності заряду σ (сигма), яка показує скільки вільних зарядів на одиницю об’єму. Інакше кажучи це величина кратна елементарному заряду і показує скільки кулонів електрики в одиниці об’єму рівного 1 м3.
Так як в природі все рухається, вільні заряди в такому ідеальному провіднику будуть перебувати в хаотичному русі. Кожен буде рухатися здавалося б випадковим чином по шляху найменшого опору. Якщо крізь брусок провести січну площину S, то в будь-який момент часу кількість зарядів проскочити крізь площину в одному і іншому напрямку, праворуч і ліворуч від неї, буде приблизно однакове. У такому випадку говорять, що потік електрики крізь площину відсутня, так як увійшло стільки ж зарядів, скільки і вийшло.
Площа перетину S схожа на решето, крізь якого проходять заряди. Кількість зарядів dq пройшли за час dt крізь таке решето і буде тим самим потоком електрики, яке називається електричним струмом. Фактично це статистична швидкість електрики крізь перетин провідника.
Що ж станеться якщо з’явиться зовнішнє електричне поле? Що буде відбуватися з зарядами в обсязі бруска V, коли з торців з’являться джерела електричного поля?
Під дією електричного поля джерела вільні носії зарядів – електрони, почнуть рухатися, тому як на них буде діяти кулоновская сила. Дія сили F призведе до зростання швидкості руху зарядів, вони почнуть рухатися з прискоренням, і з кожним моментом часу їх швидкість буде зростати. Якби наш брусок був дуже великим, а електричне поле незмінним, то за довгий час елементарні частинки розігналися б до швидкості близької до швидкості світла. Таке можливо в ідеальному провіднику, так як ніщо не перешкоджає набору швидкості електронами. Але в реальному провіднику з речовини, наприклад, міді, таке не можливо так як електрони зустрінуть на своєму шляху перешкоду у вигляді кристалічної решітки.
Як тільки електрони проскочать перетин S, можна сміливо говорити про потік електрики крізь це перетин. У цьому випадку за проміжок часу dt, через перетин S пройде певна кількість електрики dq, а значить струм I буде мати величину відрізняється від нуля. Це і буде той самий струм провідності про який говорилося на початку. Для ідеального випадку струм буде зростати, так як швидкість руху вільних зарядів зростає. Величина струму в такому випадку буде також зростати як і швидкість зарядів, але в реальному провіднику такого не відбувається, так як електрони відчувають гальмування при зіткненні з електричним полем кристалічної решітки.
Від чого ж залежить величина сили струму? Від багатьох чинників. Один з них – це площа перетину S, а на практиці – це перетин дроту. Інший фактор – це щільність вільних зарядів на одиницю об’єму, або інакше, концентрація зарядів в провіднику. Третій фактор – це величина напруженості джерела електричного поля, яка пропорційна напрузі джерела і його якості. Четвертий фактор – це різні перешкоди на шляху руху вільних зарядів, наприклад структура кристалічної решітки матеріалу провідника.
(2 votes, average: 3.50 out of 5)