Законы электрического тока. Законы Кирхгофа

Ответ:

Возбуждение и поддержание электрического тока в проводниках возможно при наличии в них электрического поля. Основной закон электродинамики был открыт в 1826 г. немецким физиком Омом.

Ом установил, что сила тока в проводнике пропорциональна разности потенциалов j 1 -j 2 = U у начала и конца этого проводника, считая по направлению тока, I=U/R

Величина R называется электрическим сопротивлением или просто сопротивлением определенного участка этого проводника.

Считается, что ток идет от участка с большим потенциалом к меньшему (j1 >j2), т.е. по направлению движения положительных зарядов.

Электрическое сопротивление характеризует противодействие проводника или электрической цепи электрическому току. Наличие сопротивления в цепи приводит к рассеянию электрической энергии и переходу ее в тепловую - закон Джоуля- – Ленца.

При столкновении электрона проводимости с атомом в кристаллической решетке электрон теряет энергию, приобретаемую от электрического поля. Эта энергия переходит в хаотическое движение атомов – тепло.

Если сила тока в проводнике равна I, то за промежуток времени dt через любое сечение проводника проходит заряд dq = Idt, в частности из точки с потенциалом j1 в точку с потенциалом j2; совершаемая при этом работа равна

d A = dq (j1 -j2) = I (j1 -j2) dt.

Работа, совершаемая в единицу времени, - тепловая мощность тока - равна

W =   = I( j1-j2 ) = IU.

Полное количество тепла, выделяемого за время t при постоянных I и R, равно

Q = I 2 Rt.

Сопротивление измеряется в омах, разность потенциалов - в вольтах, сила тока - в амперах.

Технические применения теплового действия тока многообразны: лампа накаливания, нагревательные приборы, электросварка и т.п.

В дифференциальной (локальной) форме закон Ома связывает плотность электрического тока j с напряженностью электрического поля Е: j = s E, s- удельная проводимость

Соотношение Q = I 2 Rt имеет интегральный характер и относится ко всему проводнику с сопротивлением R, по которому течет ток I. Оно, как и закон Ома, может быть переписано в локальной - форме, характеризуя тепловыделение в произвольной точке проводника в единицу времени. Рассмотрим для этого бесконечно малый элемент проводника с током I, длиной D l, площадью поперечного сечения D S, объемом D V = D S D l Тепловая мощность тока равнаD W = I 2 R = I jD = j D S 0 E D l = jE D V.

Тепловая мощность, выделяемая в единице объема, – удельная мощность тока

w = = (j,E).

Закон Джоуля – Ленца в дифференциальной форме: в произвольной точке проводника удельная мощность тока w равна s Е 2 (Вт/м3)

Согласно закону Ома в дифференциальной форме,

j = s E.

Поэтому можно переписать соотношение дляw в виде

w = s Е 2.(Вт/м3)

В данной форме закон Джоуля - Ленца применим к любым проводникам, вне зависимости от их формы и однородности, при постоянных и переменных токах.

Первый закон Кирхгофа:в любом узле цепи

 

 

- алгебраическая сумма токов равна нулю, при этом втекающие и вытекающие токи имеют противоположные знаки. Первый закон Кирхгофа является следствием закона сохранения заряда.

Второй закон Кирхгофа: в любом замкнутом контуре токов алгебраическая сумма произведений тока на сопротивление равна сумме сторонних ЭДС, приложенных к этому контуру.