Что такое конвекционный электрический ток

На практике мы всегда имеем дело с двумя физическими механизмами тока: конвекцией и проводимостью. Различие между этими видами важно знать, потому что, например, закон Ома, определяющий взаимосвязь между основными характеристиками электрического поля, справедлив только для тока проводимости.

Закон Ома

Базовые определения

Конвекционный ток в материальной среде — это совокупность заряженных частиц, которые движутся под действием механических сил, а не под действием какого–то поля. Примером конвекционного течения является облако со свободными зарядами, которое движется в атмосфере под влиянием ветра. Показательный в данном случае — факторы, проявляющиеся в гальваническом элементе, составляющие которого работают в коррозионно–активной среде.

Гальванический элемент в коррозионной среде

Различие между конвекционным электротоком и проводимостью заключается в следующем. Конвекционный ток, как говорилось ранее, зависит от воздействия механических сил на заряженные частицы, а вот проводимость определяется движением заряженных частицам под воздействием электрического поля. В некоторых материалах может присутствовать поле, способное выбивать слабо связанные электроны из атомов. При этом последние, прежде чем воссоединиться с другими атомами, перемещаются на некоторое расстояние.

Роль конвекционного электрического тока

В наши дни любой школьник, а точнее ученик старших классов знает, что магнитное поле связано с электрическим током, однако в позапрошлом веке ученые не были в этом точно уверены. Чтобы доказать эту связь, физик Генри Роуланд в 1878 году сделал интересную установку, в которую поместил эбонитовый диск между двумя стеклянными пластинами и сверху подвесил намагниченные иголки. Как известно, эбонит — это диэлектрик и он не проводит электрический ток, однако может хорошо накапливать электрический заряд (вспоминаем эбонитовый стержень на уроках физики в школе, с помощью которого демонстрировали статическое электричество).

Таким образом, Роуланд вращая заряженный эбонитовый диск, получил отклонение намагниченных иголок. Чем быстрее диск вращался, тем значительнее было отклонение. Естественно (для нас сегодня), что когда диск не был заряжен, то и иголки не отклонялись. Опыт доказал, что магнитное поле связано с движением электрического заряда.

В данном опыте Роуланда электрический заряд двигался за счёт движения объекта, в котором он находился без движения, а не сам по себе, как это бывает в проводниках. То есть возникший в результате этого движения электрический ток был не чем иным, как конвекционным электрическим током.

Условия протекания

Конвекционный электрический ток представляет собой пучок заряженных частиц, двигающихся в изолирующей среде, например, в вакууме. При таких условиях, когда напряжённость поля преобладает над плотностью электрического заряда, электроны должны ускоряться только за счет воздействия внешнего источника. Это может быть, в частности, электронная пушка. Поэтому их перемещение и не будет удовлетворять положениям известного нам закона Ома, справедливого для электрических явлений в проводниках.

Конвекционные токи в электропроводящих жидкостях, возникают вследствие различий между плотностями жидкостей или их температурами.

Кинематика движения электронов в вакууме

Основные физические зависимости

Что такое конвекционный электрический ток определённой силы, протекающий в вакууме? Это скалярная величина равная заряду dq, который протекает через некоторую площадь поверхности вакуумной трубки за единицу времени dt. При этом формула для определения силы тока выглядит так:

Формула для определения силы тока

Поскольку при таких условиях протекания, электроны получают разное ускорение по всей длине вакуумной трубки, то и значение силы конвекционного электротока во всех местах данной трубки будет разным.

К расчёту плотности потока заряженных частиц

Плотность конвекционного потока J — это объем заряженных частиц, протекающих через поверхность какого–то вещества за единицу времени:

J=ΔI/ΔS

или

в интегральном виде:

I=∫J⋅dS

Поскольку процесс происходит в вакууме или диэлектрике, то

ΔI = ΔQ/Δt = ρ·ΔS·Δl·Δt = ρ·ΔS·u

где:

  • S — площадь поверхности;
  • Δl — длина этой поверхности вдоль направления вектора скорости;
  • u — скорость;
  • ρ — проводимость среды.

Таким образом можно сделать заключение, что при конвекции образуется поток электронов, проходящий через изолированную среду, а при проводимости — через электропроводящую.

Видео по теме

Adblock
detector