Если в проводнике создать электрическое поле, то носители зарядов начнут двигаться упорядоченно: носители положительных зарядов в направлении поля, отрицательных - в противоположную сторону. Упорядоченное движение зарядов называют электрическим током. Его характеризуют силой тока - скалярной величиной, численно равна электрическому заряду, который проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени:

где dq - электрический заряд, проходящий через сечение проводника за бесконечно малый промежуток времени dt.

В общем случае электрический ток может вызываться движением как положительных, так и отрицательных зарядов. При этом перенос положительного заряда в одном направлении эквивалентно переносу такого же по значению отрицательного заряда в противоположном направлении. Если за время dt через некоторое сечение проводника положительные носители переносят заряд dq₊, а отрицательные в противоположном направлении dq_ , то

За направление тока принимают направление движения положительных зарядов. Электрический ток называют постоянным, если со временем остаются постоянными сила тока и его направление.

Единица силы тока в СИ - ампер (А) - определяется на основе электромагнитного взаимодействия двух параллельных прямолинейных проводников, по которым проходит постоянный ток.

Различают ток проводимости и конвекционный ток. Ток проводимости обусловлено перемещением напрямленим заряженных частиц (электронов, ионов) внутри неподвижного проводника (твердого, жидкого или газообразного) при наличии в нем электрического поля. Однако упорядоченное движение электрических зарядов можно осуществить и другим способом - перемещением в пространстве заряженного макроскопического тела (проводника или диэлектрика). Такой ток называют конвекционным. Примером конвекционного тока может быть орбитальный движение Земли, которая имеет избыток отрицательных зарядов.

Ограничимся изучением тока проводимости, поскольку он самый простой и имеет большое практическое значение. Для появления и существования тока проводимости нужны такие условия:

1) наличие в определенной среде электрических зарядов, которые бы имели возможность в нем двигаться. Такими зарядами в случае металлических проводников являются свободные электроны, в полупроводниках - электроны и «дырки», в электролитах - положительные и отрицательные ионы, в газах - преимущественно положительные ионы и электроны;

2) наличие в определенной среде электрического поля, энергия которого расходуется на перемещение зарядов. Следовательно, имеет быть разность потенциалов между двумя точками проводника. Для того чтобы ток был длительным, энергию электрического поля нужно пополнять, т.е. поддерживать разность потенциалов на концах проводника. Для этого к концам проводника подсоединяют специальное устройство - источник тока. Следовательно, для образования непрерывного электрического тока нужно создать электрическую цепь.

Электрической цепью называют совокупность источников тока, потребителя электрической энергии, измерительных и регулировочных приборов, выключателей и других элементов, соединенных проводниками. Простейшая электрическая цепь состоит из проводника, концы которого подключен к источника тока. В таком электрической цепи ток будет проходить по внешней его части - проводнике и внутренний - источнику тока. Источник тока имеет два полюса: положительный и отрицательный. При розімкненому внешнем круге на отрицательном полюсе источника тока будет избыток электронов, а на положительном их не хватать. Понятно, что такое разделение зарядов в пределах источника тока происходит под действием сил, имеющих некулонівську природу, поскольку под воздействием силы кулоновского разноименные заряды притягиваются. Эти дополнительные силы неэлектрического происхождения, которые действуют в пределах источника тока, называются посторонними. Природа сторонних сил может быть химической (гальванические элементы, аккумуляторы), тепловой (термоэлементы) и т.п.

Разделения и переноса зарядов в внутри источника тока тормозится его внутренним электрическим полем и сопротивлением с стороны среды источника тока. Поэтому в случае замкнутого электрического круга сторонние силы источника тока будут выполнять работу А, которая состоит из работы Ау, что выполняется против сил электрического поля источника тока, и работы А', которая осуществляется против механических сил сопротивления среды этого источника:

Работу, которую выполняют сторонние силы при перемещении единичного положительного электрического заряда, называют електрорушійною силой (ЭДС) и определяют так:

Электродвижущая сила в единицах СИ выражается в вольтах. Термин «электродвижущая сила» является неудачным, поскольку ЭДС характеризует источник тока с энергетического стороны.

Если полюса источника тока разомкнутые, то А' = 0, так как при этом сторонняя сила не перемещает зарядов, а только поддерживает распределение их. Тогда

Однако, по определению, работа против сил электрического поля будет

Следовательно, электродвижущая сила равна разности потенциалов на полюсах разомкнутой источника тока.

В случае замкнутого электрического круга на любом участке его внешней части есть некоторая разность потенциалов φ' - φ'' = U, ее называют напряжением, или спадом напряжения на этом участке цепи.

В 1826 г. немецкий физик Г. Ом опытно установил, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника и обратно пропорциональна сопротивлению этого проводника

Соотношение (8.50) называют законом Ома для участка цепи.

Пользуясь им, можно достать единицу сопротивления. В СИ сопротивление проводника выражается в омах. Ом - сопротивление такого проводника, в котором возникает сила тока в один ампер, когда разность потенциалов на его концах составляет один вольт.

Если замкнутый круг состоит из источника тока с ЭДС и внутренним сопротивлением г и внешней части с сопротивлением R, то силу тока в цепи определяют по соотношению

Соотношение (8.51) называют законом Ома для полной цепи.

Опыт показывает, что сопротивление проводника зависит от его геометрических размеров, материала, внешних условий (особенно температуры). Согласно экспериментальным исследованиям Г. Ома сопротивление однородного проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения:

Коэффициент пропорциональности ρ, характеризующий материал, из которого изготовлен проводник, называют удельным сопротивлением вещества проводника.

Удельное сопротивление, а следовательно, и сопротивление проводника зависят от температуры. В общем случае такая зависимость довольно сложная. Однако для металлических проводников при небольших интервалов температур можно пользоваться приближенными формулами

где ρ₀ и R₀ - соответственно удельное сопротивление при температуре 0 °С; а - температурный коэффициент сопротивления; t - температура, °С. При точных расчетах надо учитывать зависимость а от температуры.

При очень низких температурах, близких до абсолютного нуля (0,5...8 К), сопротивление некоторых металлов (алюминий, цинк, свинец и др.) скачкообразно уменьшается почти до нуля. Такое явление называют надпровідністю. Его открыл в 1911 г. Г. Камерлинг-Оннес. Природа явления сверхпроводимости раскрывается в квантовой теории.

В 1986 и 1987 гг. были открыты высокотемпературные сверхпроводники - металлооксидные соединения с температурой сверхпроводящего перехода около 100 К, что значительно выше температуры кипения жидкого азота (77 К) - дешевого и доступного холодоагенте, что выпускается промышленностью в больших количествах.

В 1987 г. вышла в свет статья ученых из г. Цюриха И. Беднорца и К. Мюллера под названием «Возможность высокотемпературной сверхпроводимости в системе Ba - La - Cu - О», в которой сообщалось об обнаружении резкого уменьшения сопротивления керамики этого типа при температурах 30...35 К. Исследована керамика была смесью нескольких фаз. Было установлено, что уменьшение сопротивления сопровождается діамагнітною аномалией и отвечает сверхпроводящем переходе.

В январе 1987 г. были опубликованы сообщение из Хьюстонского университета и лаборатории Белла, в которых уже называлась фаза, ответственное за сверхпроводимость. Эта фаза описывается химическими формулами La_2-xBa_xCuO₄ для бариевой керамики и La_2-xSrCuO₄ для стронцієвої. Важно, что для керамики La_2-xSr_0,2CuO₄ наблюдается очень узкий сверхпроводящий переход при Т_с = 36 К, что на 13 градусов выше предыдущего рекорда за Т_с (23,2 K для Nb₃G).

После этого успеха все ведущие лаборатории мира, которые изучали сверхпроводимость, начали поиск и исследования новых металооксидних сверхпроводников. В марте 1987 г. сделано новое открытие в Алабамському и Хьюстонському университетах на керамике Y - Ва - Cu - О, где была достигнута температура сверхпроводящего перехода Т_с = 92 К. Так было преодолено азотный барьер за Т_с на пути широкого практического использования сверхпроводников, и это еще больше привлекло внимание исследователей к новым высокотемпературных сверхпроводников.

Итак, физика высокотемпературной сверхпроводимости находится на начальной стадии. Сейчас в ней интенсивно накапливаются экспериментальные данные, характеризующие свойства металооксидних соединений в нормальной и надпровідній фазах.

Прохождение тока через проводник, если он не находится в состоянии сверхпроводимости, сопровождается его нагревом. Это объясняется тем, что электрические заряды, двигаясь направленно, испытывают сопротивления в среде проводника. Изучая тепловое действие тока, английский физик Дж. Джоуль (1818-1889) и российский физик Э. X. Ленц (1804-1865) независимо друг от друга пришли к такому выводу: количество теплоты Q, выделяемое на определенном участке проводника, прямо пропорциональна силе тока, проходящего через проводник, напряжении на его концах U и времени t прохождения тока:

Этот вывод называется законом Джоуля - Ленца. Если силу тока взято в амперах, напряжение в вольтах, а время в секундах, то количество теплоты, которое выделяется, выражается в джоулях.

Кроме нагрев проводников энергия электрического тока может подвергаться самых разнообразных преобразований. Так, за наличии во внешнем круге электродвигателя часть электрической энергии источника тока превращается в механическую энергию. Прохождение электрического тока через проводник второго рода - электролит - сопровождается преобразованием части источники энергии в химическую. Если внешняя часть электрической цепи состоит только из металлических проводников, то при больших температур энергия электрического тока частично тратиться на излучение.