Электрический ток. Напряжение.

Подключим проводник АВ к аккумуляторной батарее.

В проводнике возникает электрическое поле , которое движет электроны е от полюса А к полюсу В.

Электрический ток – направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля.

Условия возникновения электрического тока: 1) наличие свободных носителей заряда; 2) наличие электрического поля.

· Электрический ток могут создавать как носители одного знака (“+” или “-“), так и носители обоих знаков.

· За направление электрического тока принято направление движения положительно заряженных частиц.

Электрическое напряжение между двумя точками электрической цепи (напряжение) (U) – работа по перемещению единичного положительного зарада из одной данной точки в другую.

(*) =1В

Если в проводнике создано только электростатическое (различать с электрическим!) поле и только оно совершает работу по перемещению заряда +q вдоль силовых линий, то из (п.5.1.1.13) и из (*) . В случае, когда заряд по электрической цепи перемещается не одним только электростатическим полем, это равенство теряет силу.

Сила тока. Плотность тока

Пусть по проводнику протекает электрический ток. Значит, от клеммы «+» к клемме «–» в течение времени D t переместится заряд DQ. Он может быть разной величины, т. е. ток может быть разной силы.

Сила тока (I) – скорость прохождения заряда Q через поперечное сечение проводника.

– ампер

· Силу тока измеряют амперметром.

Плотность тока (j) – отношение силы тока I к площади поперечного сечения S проводника (площадь сечения перпендикулярна к направлению тока).

Заряд DQ, проходящий через поперечное сечение проводника S за время D t, состоит из элементарных зарядов q, расположенных равномерно по всему объёму проводника V.

Тогда DQ = q×N = q×n×V = q×n×S ×l,

где N – количество зарядов q в заряде DQ;

n – объёмная концентрация зарядов q в проводнике;

,

l – длина области V.

где – скорость направленного движения зарядов q в проводнике;

– вектор, сонаправленный с .

При прохождении по проводнику носители зарядов сталкиваются с ионами его кристаллической решётки и часть энергии электрического поля теряется (переходит во внутреннюю энергию проводника).

Электродвижущая сила

Наэлектризуем проводники А и В так, что потенциал j _A > j _B. Соединим их проводником АСВ (нить накала электролампы). Положительный заряд под действием сил электрического поля будет двигаться от т.А к т.В (при этом нить накала будет нагреваться). Как только j _A и j _B сравняются, движение зарядов прекратится. Для поддержания тока необходимо, чтобы положительные заряды каким-то образом возвращались в т.А. Самопроизвольно это не происходит (j _A > j _B), поэтому необходимо наличие сторонних сил , направленных против сил электрического поля. Тогда на участке АСВ носители заряда будут двигаться под действием силы от т.А к т.В, на участке BDA – под действием сторонних сил от т.В к т.А и по замкнутой цепи непрерывно будет протекать ток. Сторонние силы совершают работу по перемещению заряда из т.В в т.А, преодолевая противодействие сил электрического поля и частиц вещества. За счёт работы сторонних сил заряды приобретают энергию и отдают её на участке АСВ, т.е. на участке BDA электрическая энергия появляется из других видов энергии, а на участке АСВ она превращается в другие виды энергии.

Источник электрической энергии – участок цепи, на котором заряды движутся под действием сторонних сил.

Потребитель электрической энергии – участок цепи, на котором заряды движутся под действием сил электрического поля.

При перемещении заряда по замкнутой цепи (от т.А до т.А): работа сил электрического поля . Работу совершают только сторонние силы, причем эта работа идет на преодаление сопротивления движению заряда как в потребителе, так и в источнике электрической энергии.

Электродвижущая сила (ЭДС) источника (e) – отношение работы сторонних сил А _ст по перемещению положительного заряда q по замкнутой цепи к величине этого заряда.

= 1 B – вольт

Если убрать проводник АСВ, то под действием сторонних сил заряды будут перемещаться от т.В к т.А до тех пор, пока j _A не достигнет своего максимально возможного значения, т. е. пока электрические и сторонние силы не сравняются. Значит, ЭДС источника надо измерять при разомкнутой цепи нагрузки.

Закон Ома для участка цепи

Проводя опыты с металлическими проводниками, Георг Ом (1787–1854, Германия) обнаружил, что отношение напряжения, приложенного к проводнику, к силе тока в нём есть величина постоянная (для каждого проводника имеет своё значение): = 1 Ом – ом.

Электрическое сопротивление проводника (R) – величина, характеризующая способность проводника препятствовать прохождению по нему электрического тока.

· 1 Ом – сопротивление проводника, по которому при напряжении 1 В течёт ток в 1 А.

· Сопротивление проводника измеряют омметром.

Экспериментально установлена зависимость, известная как закон Ома для участка цепи: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Электрическая проводимость проводника (g) – величина, характеризующая способность проводника пропускать электрический ток.

= 1 Ом^–1 = См – сименс.

Падение напряжения на участке цепи – произведение I×R.

· Напряжение U на концах участка цепи равно падению напряжения I×R на нём, если:

1) на участке цепи нет источников ЭДС;

2) единственный результат прохождения тока – нагревание участка цепи.

 

Закон Ома для всей цепи

Соберём цепь из источника e с внутренним сопротивлением r и потребителя R электрической энергии. При перемещении заряда q по замкнутой цепи (п.5.1.2.3), работа сторонних сил А _ст = А _потр+ А _ист , где - работа по перемещению заряда q по сопротивлению R, IR – падение напряжения на концах сопротивления R, – работа по перемещению заряда q по сопротивлению r, Ir – падение напряжения на источнике e. А _ст = e × q Þ e × q = q×I×R + q×I×r или e = I×R + I×r.

Тогда закон Ома для всей цепи: сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна сумме сопротивлений источника и потребителя.

5.1.2.6. Сопротивление как электрическая
характеристика резистора

Резистор – проводник, предназначенный для преобразования электрической энергии во внутреннюю.

Из опытов известна зависимость сопротивления R проводника постоянного сечения от материала, длины l и площади поперечного сечения S:

,

где r – коэффициент, зависящий от материала проводника.

Удельное сопротивление проводника (r) – сопротивление проводника длиной 1 м при поперечном сечении 1 м²; [ r ] = 1 Ом×м.

· R проводника зависит от его геометрии (l, S) и вещества (r) (сравни с п.5.1.1.19).