double arrow
Постоянный электрический ток

4.1. Характеристики электрического тока. Условие существования тока проводимости.

Электрический ток- упорядоченное движение заряженных частиц. Электрический ток, возникающий в проводящих средах в результате упорядоченного движения свободных зарядов под действием электрического поля, созданного в этих средах, называется током проводимости. В металлах носители тока свободные электроны, в электролитах — отрицательные и положительные ионы, в полупроводниках — электроны и дырки, в газах — ионы и электроны.

Направлением электрического тока считается направление упорядоченного движения положительных электрических зарядов. Но в действительности в металлических проводниках ток осуществляется упорядоченным движением электронов, которые движутся в направлении, противоположном направлениютока.

Силой токаназывается скалярная физическая величина, равная отношению заряда dq, переносимого через рассматриваемую поверхность за малый промежуток времени, к величине этого промежутка: .

Электрический ток называется постоянным, если сила тока и его направление не меняются во времени. Для постоянного тока .

В соответствии с классической электронной теорией сила тока , где е — заряд электрона, — концентрация свободных электронов в проводнике, — скорость направленного движения электронов, S — площадь поперечного сечения проводника. Единица силы тока в СИ — ампер: 1 А = 1 Кл/с — сила тока, при которой в 1с через сечение проводника проходит заряд 1Кл.




Направление электрического тока в различных точках рассматриваемой поверхности и распределение силы тока по этой поверхности определяются плотностью тока.

Вектор плотности тока направлен противоположно направлению движения электронов — носителей тока в металлах и численно равен отношению силы тока через малый элемент поверхности, нормальный к направлению движения заряженных частиц, к величине dS площади этого элемента: .

Сила тока через произвольную поверхность S: ,где — проекция вектора j на направление нормали.

Для однородного проводника .

Электрический ток возникает под действием электрического поля. При этом равновесное (электростатическое) распределение зарядов в проводнике нарушается, а его поверхность и объем перестают быть эквипотенциальными. Внутри проводника появляется электрическое поле, а касательная составляющая напряженности электрического поля у поверхности проводника . Электрический ток в проводнике продолжается до тех пор, пока все точки проводника не станут эквипотенциальными. Для того чтобы ток был постоянным во времени, необходимо, чтобы за одинаковые промежутки времени через единицу поверхности протекал одинаковый заряд, т.е. напряженность электрического поля во всех точках проводника, по которому идет этот ток, сохранялась неизменной. Поэтому заряды не должны накапливаться или убывать где-либо в про­воднике, по которому идет постоянный ток. В противном случае изменялось бы электрическое поле этих зарядов. Указанное условие означает, что цепь постоянного тока должна быть замкнутой, а сила тока — одинаковой во всех поперечных сечениях цепи.



Для поддержания тока необходим источник электрической энергии — устройство, в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического тока.

Если в проводнике создать электрическое поле и не принять мер для его поддержания, то очень быстро поле внутри проводника исчезнет и ток прекратится. Для поддержания тока необходимо осуществить круговорот зарядов, при котором они двигались бы по замкнутому пути. Циркуляция вектора электростатического поля равна нулю, поэтому наряду с участками, в которых положительные заряды движутся вдоль силовых линий электрического поля, должны иметься участки, на которых перенос зарядов происходит против сил электрического поля. Перемещение зарядов на этих участках возможно с помощью сил неэлектрического происхождения, т.е. сторонних сил.

4.2. Электродвижущая сила. Напряжение. Разность потенциалов.

Сто­ронние силы для поддержания тока можно охарактеризовать работой, которую они совершают над зарядами. Величина, равная работе сторонних сил, отнесенной к единице положительного заряда, называется электродвижущей силой(ЭДС) . ЭДС, действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция век­тора напряженности поля сторонних сил .

ЭДС выражается в вольтах.

Напряжением (или падением напряжения) на участке цепи 1—2 называется физическая величина, численно равная работе, совершаемой результирующим полем электростатических и сторонних сил при перемещении вдоль цепи из точки 1 в точку 2 единичного положительного заряда: .

При отсутствии сторонних сил напряжение U совпадает с разностью потенциалов.

4.2. Законы постоянного тока.

В 1826 г. немецкий ученый Г.Ом экспериментально установил закон, согласно которому сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику, пропорциональна падению напряжения на проводнике: (закон Омав интегральной форме).Однородным называется проводник, в котором не действуют сторонние силы.

Величина R называется электрическим сопротивлением проводника, оно зависит от свойств проводника и его геометрических размеров: , где - удельное сопротивление, т.е. сопротивление проводника длиной 1м2 с площадью поперечного сечения 1м2, — длина проводника, S — площадь поперечного сечения проводника. Сопротивление проводника представляет собой как бы меру противодействия проводника установлению в нем электрического тока. Единица сопротивления 1Ом. Проводник имеет сопротивление 1Ом, если при разности потенциалов 1В сила тока в нем 1 А.

Обобщенный закон Ома для участка цепи с ЭДС: произведение электрического сопротивления участка цепи на силу тока в нем равно сумме падения электрического потенциала на этом участке и ЭДС всех источников электрической энергии, вклю­ченных на рассматриваемом участке: .

Обобщенный закон Ома для участка цепи выражает закон сохранения и превращения энергии применительно к участку цепи электрического тока.

Закон Омав дифференциальной форме:плотность тока проводимости пропорциональна напряженности Е электрического поля в проводнике и совпадает с ней по направлению, т.е. . Коэффициент пропорциональности называется удельной электрической проводимостью среды, а величина — удельным электрическим сопротивлением среды.

Зависимость удельного сопротивления от температурывыражается формулой , где — удельное сопротивление при , — термический коэффициент сопротивления, зависящий от свойств проводника, — температура в градусах Цельсия.

Многие металлы и сплавы при температурах ниже 25К полностью теряют сопротивление — становятся сверхпроводниками. Сверхпроводимость — это квантовое явление. При протекании тока в сверхпроводнике потери энергии не происходит. Очень сильное магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние.

Температурная зависимость:

Последовательным называется такое соединение проводников, когда конец одного проводника соединяется с началом другого. Сила тока, текущая через последовательно соединенные проводники, одинакова. Общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений всех отдельных проводников, включенных в цепь: .

Параллельным называется такое соединение проводников, когда одни концы всех проводников соединяются в один узел, другие концы — в другой. При параллельном соединении напряжение во всех проводниках одно и то же, равно разности потенциалов в узлах соединения: . Проводимость (т.е. величина, обратная сопротивлению) всех параллельно единенных проводников равна сумме проводимостей всехотдельных проводников: .

Закон Ома для полной цепи: полная замкнутая цепь состоит из внешнего сопротивления R и источника тока с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением . Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи: .






Сейчас читают про: