Электрический ток. Электрическое напряжение. Электрический потенциал.

Электрическое поле существующее в проводящей среде действует на свободные заряды этой среды, заставляя их перемещаться. Такое направленное движение зарядов в проводящей среде называют электрическим током проводимости и обозначается как i. Математически электрический ток проводимости определяется как скорость изменения суммарного заряда проходящего через некоторую ориентированную в пространстве площадку S.

.

Отметим, что в твердых проводящих средах (металлах) свободные заряды представляют собой электроны (электронный газ), в жидких проводящих средах (электролитах) – это ионы.

В диэлектрических средах нет свободных зарядов, но есть заряды называемые связанными. В электрическом поле диэлектрик поляризуется, электронейтральные атомы становятся диполями. В переменном электрическом поле процесс переполяризации приводит к появлению перемещающихся через некоторое сечение дипольных (связанных) зарядов. Этот процесс интерпретируют как электрический ток, называемый ток электрического смещения. Несмотря на различие в физической интерпретации тока проводимости и тока электрического смещения оба эти тока являются интегральной характеристикой электрического поля и в модели электрической цепи обозначаются как i(t)независимо от своей физической сущности.

Другой интегральной характеристикой электрического поля является электрическое напряжениеu(t). Электрическое напряжение оценивает энергетическое проявление электрического поля. Это работа сил электрического поля по перемещению единичного положительного заряда из одной точки поля в другую. Математическая форма записи этого определения напряжения имеет вид:

.

Действительно, напряженность электрического поля – это сила, действующая на единичный положительный заряд, а вектор - элемент пути. Суммирование элементарных работ на всем отрезке пути от точки до точки дает напряжение . В проводящих средах напряжение это реальная работа, которую совершает электрическое поле перемещая заряд. В диэлектрических средах это потенциально возможная работа поля по перемещению свободного заряда, при возможном его появлении в диэлектрике.

Электрическое поле существующее в проводящей среде и не изменяющееся во времени обладает свойством потенциальности. Суть этого свойства поля в том, что оно может переместить заряд из одной точки среды в другую, но не способно вернуть этот заряд в начальную точку, из которой он начал перемещаться. Математически условие потенциальности записывается в виде:

Потенциальность электрического поля позволяет ввести для описания этого поля некоторую скалярную функцию называемую электрический потенциал

Это работа сил электрического поля по перемещению единичного полжительного заряда из некоторой точки М среды в точку М₀ , называемую точкой нулевого потенциала.

Потенциальность электрического поля позволяет сделать вывод о независимости электрического потенциала и напряжения от пути интегрирования. В связи с этим между напряжением и потенциалом устанавливается связь