Основные понятия электродинамики: Электрический ток, сила и плотность тока

1 2 3 4 5

Егорьевский технологический институт (филиал)

Изучение законов Кирхгофа

Методические указания

К выполнению лабораторной работы.

ЕТИ.Ф. 02

Егорьевск 2008

Составитель: ст.преп. Никифоров В.Ю.

Рецензент к.ф-м.н. Бурмистров А.В.

В методических указаниях даны основные определения электродинамики: электрический ток, сила тока, плотность тока, электродвижущая сила, напряжение, сопротивление проводников, электрическая проводимость, удельное электрическое сопротивление, удельная электрическая проводимость, рассмотрены: понятие сторонних сил, температурная зависимость сопротивления, закон Ома для однородного и неоднородного участков цепи в интегральной и дифференциальной форме, основные методы расчета электрических цепей с помощью правил Кирхгофа.

Методические указания предназначены для студентов 1 курса, обучающихся по специальностям: 151001 «Технология машиностроения», 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств (машиностроение)», 280202 «Инженерная защита окружающей среды» по дисциплине "Физика" при изучении раздела «Электричество и магнетизм».

Методические указания обсуждены на заседании кафедры естественно-научных дисциплин.

Протокол № от

Заведующий кафедрой А.П. Нилов

Методические указания рассмотрены и одобрены методическим советом института

Протокол № от

Председатель совета А.Д.Семенов

Изучение законов Кирхгофа

1 Цель работы:

Приобретение навыков практической работы с электроизмерительными приборами, освоение методов расчета электрических цепей.

2 Оборудование и материалы:

- два источника постоянного напряжения,

- набор сопротивлений,

- амперметр,

- вольтметр,

- соединительные провода.

Содержание работы

3.1 Изучить теоретический материал.

3.2 Произвести теоретический расчет тока и напряжения предложенной схемы.

3.3 Собрать схему.

3.4 Произвести измерения тока и напряжения при различных параметрах цепи.

3.5 Сравнить результаты измерений с результатами теоретических расчетов.

3.6 Вычислить погрешности.

3.7 Оформить отчет.

Теоретические сведения к работе

Основные понятия электродинамики: Электрический ток, сила и плотность тока

В электродинамике – разделе учения об электричестве, в котором рассматриваются явления и процессы, обусловленные движением электрических зарядов или макроскопических заряженных тел, важнейшим понятием является понятие электрического тока.

Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов. Если в проводнике поддерживать внешнее электрическое поле , то в нём свободные электрические заряды начнут перемещаться: положительные — по полю, отрицательные — против поля (рисунок 1, а), т. е. в проводнике возникает электрический ток, называемый током проводимости. Если же перенос электрических зарядов осуществляется при перемещении в пространстве заряженного макроскопического тела (рисунок 1,6), то возникает так называемый конвекционный ток.

Рисунок 1 Иллюстрация понятия «электрический ток»

Для возникновения и существования электрического тока необходимо, с одной стороны, наличие свободных носителей тока — заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно, а с другой — наличие электрического поля, энергия которого, каким-то образом восполняясь, расходовалась бы на их упорядоченное движение. За направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I — скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

(1)

Ток, сила и направление которого не изменяются со временем, называется постоянным. Для постоянного тока

I=Q/t (2)

где Q — электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение проводника. Единица силы тока — ампер (А). Для установления этой единицы используют магнитное действие тока. Оказывается, что проводники, по которым текут параллельные одинаково направленные токи, притягиваются друг к другу. Это притяжение тем сильнее, чем больше длина этих проводников и меньше расстояние между ними. За 1 ампер принимают силу такого тока, который вызывает между двумя тонкими бесконечно длинными параллельными проводниками, расположенными в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, притяжение силой 0,0000002 Н на каждый метр их длины.

Физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока, называется плотностью тока:

j = I/S. (3)

Плотность тока — вектор, ориентированный по направлению тока, т. е. направление вектора совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов. Единица плотности тока - ампер на метр в квадрате (А/м²). Выразим силу и плотность тока через скорость < > упорядоченного движения зарядов в проводнике. Если концентрация носителей тока равна n и каждый носитель имеет элементарный заряд е (что не обязательно для ионов), то за время dt через поперечное сечение S переносится заряд dQ = ne< >Sdt. Сила тока