Постоянный электрический ток.

Электрический ток. Сила тока. Плотность тока

Если в двух точках проводника искусственно поддерживать разные потенциалы, то внутри проводника будет существовать электрическое поле и непрерывное движение зарядов.

Направленное движение свободных зарядов в проводнике под действием сил электрического поля называется электрическим током.

Носителями зарядов в любых проводниках являются свободные электроны и ионы. Протекание тока в веществе всегда сопровождается увеличением внутренней энергии вещества (нагреванием).

Средняя скорость направленного движения носителей зарядов (при постоянной напряженности поля в проводнике) прямо пропорциональна напряженности :

Коэффициент пропорциональности " " называется подвижностью носителей заряда и выражает зависимость ско­рости направленного движения носителей зарядов от рода вещества проводника и внеш­них условий (в частности, от температуры). Средняя скорость направленного движения электронов в меди составляет порядка 1 мм/с.

За направление тока условно принимают направленное движение положительных зарядов.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока – скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом , прошедшим через поперечное соединение проводника за единицу времени.

Размерность силы тока = 1А (Ампер)

 

 

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

Плотность тока — физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока. Модуль плотности тока:

Размерность плотности тока: [ ] =

	Рисунок 19. К расчету силы тока

 

 

Если (Рисунок 19) — средняя скорость направленного движения зарядов в проводнике, - концентрация зарядов и каждый носитель имеет заряд , то за время через поперечное сечение проводника переносится заряд

Сила тока ( скалярная величина ): .

Учитывая, что скорость , а , где напряжение, приложенное к концам проводника длиной , получим:

Плотность тока - векторная величина:

 

 

Вектор плотности тока совпадает с направлением скорости направленного движения положительных зарядов.

Сила тока сквозь произвольную поверхность определяется как поток вектора через эту поверхность, то есть:

где , а единичный вектор нормали к площадке , составляющей с вектором угол .

Сторонние силы.

Электродвижущая сила и напряжение

Для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектрического происхождения. Такие устройства называются источниками тока. Силы неэлектрического

происхождения, действующие на заряды со стороны источника тока, называются сторонними .

Рисунок 20. Движение электрических зарядов в цепях

Сторонние силы действуют в проводнике Д, направлены против сил электрического поля и превышает их по величине (рисунок 20). В проводнике Д, находящемся в источнике тока, заряды получают энергию за счет неэлектрических видов энергии. Сторонние силы в гальванических элементах возникают за счет энергии

 

химической реакций, а в генераторе – за счет механической энергии вращения ротора генератора.

Участок цепи (С), в котором заряды движутся в сторону действия электрических сил, является потребителем электрической энергии и называется внешней цепью.

Участок цепи (Д), в котором заряды двигаются в сторону действия сторонних сил, является источником электрической энергии и называется внутренней цепью.

Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении положительного единичного заряда q₀, называется электродвижущей силой (ЭДС) , действующей в цепи.

ЭДС — величина скалярная.

Размерность ЭДС - [ ] = 1В (Вольт).

Сторонняя сила , действующая на заряд :

, где напряженность поля сторонних сил.

 

Работа сторонних сил по перемещению заряда q₀ на замкнутом участке цепи:

 

Из последней формулы следует, что ЭДС, действующая в замкнутой цепи, не что иное, как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил.

ЭДС, действующая на участке 1 - 2: .

На заряд кроме сторонних сил действуют силы электростатического поля

Результирующая сила, действующая в цепи на заряд :

Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом , на участке 1 - 2:

Напряжением на участке 1 - 2, содержащем ЭДС, называется скалярная физическая величина:

Если = 0, то =

 

Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна 0, так как . Поэтому для замкнутой цепи: .

Контрольные вопросы

1. Что такое электрический ток и какое направление тока принято в технике?
2. Дайте определение силы тока, плотности тока и напишите формулы, по которым рассчитываются эти величины.
3. В каких единицах измеряются сила и плотность электрического тока?
4. Расскажите о внешней и внутренней цепи электрического тока.
5. Расскажите о сторонних силах и дайте определение электродвижущей силы.
6. Что называется напряжением на участке цепи 1 - 2?

Закон Ома для участка цепи.

Сопротивление цепи

Немецкий физик Ом экспериментально установил, что сила тока в однородном металлическом проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника.

 

- закон Ома для участка цепи (не содержащего ЭДС).

Здесь — электрическое сопротивление

Проводника.

Размерность сопротивления: = 1 Ом (ом).

Закон Ома для участка цепи: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка цепи.

- проводимость проводника. [ ] = 1 См (сименс). . Поскольку , то проводимость

, а сопротивление .

Для однородного линейного проводника длиной и площадью

поперечного сечения можно написать:

 

где: - удельное сопротивление проводника, которое зависит только от материала проводника и внешних условий.

Значение для конкретного материала можно найти в справочнике. Размерность удельного сопротивления [ ] = 1 Ом×м.

С учетом изложенного закон Ома для участка цепи можно переписать: , откуда плотность тока определится как: .

Если обозначить , где - удельная проводимость с размерностью 1 См/м и поскольку напряженность электрического поля , то получим: - закон Ома для участка цепи в дифференциальной форме:

плотность тока прямо пропорциональна удельной проводимости и напряженности электростатического поля.