Плотность тока пропорциональна напряженности электрического поля и имеет одинаковое с ней направление.

Вещество, у которых удельное сопротивление ρ < 10⁻⁷ Ом^.м, хорошо проводят электрический ток, поэтому они называются проводниками. У диэлектриков ρ > 10⁸ Ом^.м, поэтому они обычно непреодолимы для электрических зарядов. Удельное сопротивление большинства веществ лежит между указанными пределами. Характерной особенностью этих веществ, называемые полупроводниками, является возрастание электрической проводимости ρ (уменьшение электрической сопротивления R) с увеличением температуры.

Как и у металлов, проводимость твердых полупроводников обусловлена перемещением электронов. Однако условия перемещения электронов в металлах и полупроводниках различны. В металлах эти электроны полностью оторваны от своих атомов и свободно перемещаются внутри металла, совершая хаотичное движение, средняя скорость которого зависит от температуры проводника. Когда появляется внешнее электрическое поле или разность потенциалов на концах проводника, на электроны действует дополнительная кулоновская сила, под воздействием которой они приобретают еще и направленное движение (против направления напряженности эл. поля). С повышением температуры увеличивается и средняя скорость хаотичного движения ионов, взаимодействием с которыми обусловлено сопротивление проводника. Поэтому с повышением температуры у проводников увеличивается активное сопротивление.

Опыт показывает, что в первом приближении у проводников изменение активного сопротивления с температурой описывается линейным законом:

R(t)=R₀(1+αt), где R(t) и R₀ сопротивления проводника при температурах t и 0⁰C соответственно, α – температурный коэффициент сопротивления (для большинства чистых металлов при не очень низких температурах α≈ 1/273 К⁻¹ ≈ 0,0037 К^{− 1}, хотя может колебаться (2÷7) 10⁻³ или иметь другие значение, например для ртути α ≈ 0,0009 К⁻¹).

У полупроводников при низких и нормальных температурах имеется небольшое число свободных электронов: подавляющее большинство электронов связано (хотя весьма слабо) с атомами. Этим объясняется плохая проводимость полупроводников при таких температурах. Для того чтобы связанный электрон стал свободным и участвовал в создании электрического тока, нужна дополнительная энергия или, иными словами, необходимо увеличить его кинетическую энергию. Это происходит при повышении температуры полупроводника. Увеличение концентрации свободных электронов повышает проводимость и соответственно снижает сопротивление полупроводника. Правда, с ростом температуры усиливается хаотическое движение атомов полупроводника, тем самым затрудняется упорядоченное движение электронов, что вызывает увеличение сопротивление полупроводника. Однако влияние роста концентрации свободных электронов на сопротивление полупроводника преобладает над влиянием хаотического движения атомов. Причем влияние изменения температуры сказывается на изменении сопротивления больше у полупроводников, чем у металла (при изменении температуры на 1 К сопротивление металла возрастает в среднем на 0,004, а сопротивление полупроводника уменьшается в среднем на 0,06 сопротивления при нормальных температурах)

Существенным преимуществом полупроводника является то, что даже небольшое количество примеси могут очень сильно изменить сопротивление полупроводника (сотые доли процента примеси могут изменить сопротивление полупроводника в десятки раз).

У некоторых металлов (алюминия, цинк, свинец и др.) при Т < 10К (Т_max≈ 22,3 K) сопротивление R скачкообразно уменьшается до нуля: металл становится абсолютным проводником (так называемое явление сверхпроводимости). Ток в таких цепях циркулирует сутками(!) (незатухающий ток) и может достигать 10⁷ А^.м^-2, без выделения тепла. Сверхпроводниками могут быть и диэлектрики, например, водород, ксенон - газы, переведенные в твердое состояние (при очень низких температурахи высоких давлениях).

Сверхпроводимость уже применяется в практике, например, для создания очень сильных магнитных полей, но для ее широкого применения препятствуют низкие температуры, необходимые для осуществления сверхпроводимости. Сейчас ведется интенсивный поиск таких сверхпроводников, для которых сверхпроводимость протекла бы при более высоких (например, при комнатных) температурах.

Явление сверхпроводимости объясняется в рамках квантовой теории.

Физические свойства электрического элемента наглядно демонстрирует зависимость силы тока I, протекающий через этот элемент, от напряжения U, приложенного к нему (так называемая вольт-амперная характеристика - ВАХ).

Вид ВАХ нам подсказывает, с каким электрическим элементом мы имеем дело: линейным или нелинейным. У линейных элементов сопротивление в данном диапазоне изменении значении напряжении U, остается постоянной R=U/I=const, а это означает, что зависимость I от U линейна (левая часть на рис. а)). Нелинейными называются такие элементы, для которых отношение напряжения U к силе тока I не остается постоянным при изменении U и I, т.е. R=U/I≠const; тогда ВАХ собой представляет кривую линию (правая часть на рис. б)).

 

Закон Джоуля-Ленца

 

Используя формулы для работы электрического тока и закон Ома, получаем A = q^.Δφ = q^.U = I^.U^.t =I^2.R^.t = t

Тогда мощность W = =I^.U = I^2.R =

При единицах силы тока – ампер, напряжения – вольт, сопротивления – ом, времени – секунда, для работы имеем джоуль, а для мощности – ватт.

В электротехнике иногда как единицу работы используют киловатт^.час.

1 ватт^.час – соответствует работе тока мощностью в 1 Вт в течении 1 ч.

1 Вт^.ч =3600 Вт^.с =3600 = 3,6^.10³ дж

Нагревание током происходит из-за того, что кинетическая энергия электронов (т.е. энергия тока) переходит в теплоту при каждом столкновении электрона с ионами решетки проводника (сопротивление проводника). Если падение напряжения U в проводнике вызвано одним только сопротивлением проводника, то вся работа тока A идет на нагревание проводника. Тогда количество теплоты Q, выделяющееся в проводнике, по закону сохранения энергии, определяется равенством:

Q=A=I^.U^.t =I^2.R^.t = t

Количество теплоты (Q), которое выделяется током в проводнике, прямо пропорционально силе тока (I), времени (t) его прохождения по проводнику и падению напряженности (U) на нем (закон Джоуля-Ленца).

Из закона Джоуля-Ленца вытекает, что при последовательном соединении электронагревательных приборах наибольшее количество теплоты выделяется в электроприборе с наибольшим сопротивлением т.к. сила тока во всех нагревателях одинакова. При параллельном соединении электронагревательных приборов наибольшее количество теплоты выделится в приборе с наименьшим сопротивлением (в этом случае одинаковым будет напряжение на всех приборах).

Иногда полезно эл. ток сравнивать с потоком жидкости.

 

РАЗЛИЧНЫЕ ФОРМЫ ЗАКОНА ОМА

, в интегральной форме;

, в дифференциальной форме;

, обобщенной форме для неоднородного участка цепи

, для замкнутой цепи, содержащий источник ЭДС;

, для переменного тока, где Z - полное сопротивление или импеданс (зависит от способа соединений активного сопротивления, электроемкости и индуктивности).

Правила Кирхгофа (1847г.)

 

С помощью закона Ома выполняется расчет для неразветвленной цепи. Для разветвленной цепи применяются правила Кирхгофа.

Узел разветвления – такая точка цепи, в которой сходятся не менее трех проводников.

I правило