Проводники электричества

Многие материалы способны проводить электрический ток, некоторые лучше, чем другие. Наилучшими проводниками являются металлы (медь, серебро, золото, алюминий и углерод) и электролиты (растворы солей и кислот и кровь).

 

Металлы являются хорошими проводниками электричества, так как атомы, из которых они состоят, легко отдают электроны. Их валентные электроны слабо связаны с ядром атома и способны перемещаться при приложении очень небольших сил. Следовательно, электроны легко заставить перетекать. Широко известным и часто используемым материалом для изготовления проводов, подводящих ток или отводящих сигналы от приборов и устройств, является медь. Слабо связанные валентные электроны проходят через поперечное сечение медного проводника. Медь и другие хорошие проводники электричества оказывают слабое сопротивление току. Электролиты — это растворы, которые способны проводить электричество (например, растворы солей и кислот). Человеческое тело по существу состоит из растворов солей (около 60% воды с примесью солей). Его можно рассматривать как некоторый Объем электролита, помещенный в кожаный сосуд. Таким образом, человеческое тело представляет собой объемный проводник электричества. Земля (почва) также является хорошим проводником электричества. Она воспринимает все электрические заряды, в том числе и те, которые образуют молнию. Точно так же, как большой водоем принимает в себя водопад и при этом практически не изменяет уровень воды, земля воспринимает электрические заряды, не изменяя своего электрического состояния. Так как электрические заряды, попадая в землю, не могут аккумулироваться и концентрироваться (они быстро рассеиваются), земля остается электрически нейтральной. Земля рассматривается как эквипотенциальная поверхность или поверхность с нулевым опорным потенциалом.

Электрические изоляторы

Материалы, которые являются .плохими проводниками электричества, называются изоляторами. Они состоят из атомов, которые содержат очень мало слабо связанных валентных электронов. Электроны в изоляторах не могут свободно перемещаться, поэтому сопротивление току велико. Среди хороших изоляторов можно назвать такие неметаллические материалы, как стекло, воздух, дерево и пластики. Однако следует помнить, что совершенных изоляторов не бывает.

Условия существования электрического тока Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение двух условий: -наличие в среде свободных электрических зарядов -создание в среде электрического поля. В разных средах носителями электрического тока являются разные заряженные частицы.

Электрическое поле в среде необходимо для создания направленного движения свободных зарядов. Как известно, на заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = q* E, которая и заставляет свободные заряды двигаться в направлении электрического поля. Признаком существования в проводнике электрического поля является наличие не равной нулю разности потенциалов между любыми двумя точками проводника, Однако, электрические силы не могут длительное время поддерживать электрический ток. Направленное движение электрических зарядов через некоторое время приводит к выравниванию потенциалов на концах проводника и, следовательно, к исчезновению в нем электрического поля.

Для поддержания тока в электрической цепи на заряды кроме кулоновских сил должны действовать силы неэлектрической природы (сторонние силы). Устройство, создающее сторонние силы, поддерживающее разность потенциалов в цепи и преобразующее различные виды энергии в электрическую энергию, называется источником тока.  Для существования электрического тока в замкнутой цепи необходимо включение в нее источника тока.

Зако́н О́ма — физический закон, определяющий связь между Электродвижущей силой источника или напряжением с силой тока исопротивлением проводника. Экспериментально установлен в 1826 году, и назван в честь его первооткрывателя Георга Ома.

В своей оригинальной форме он был записан его автором в виде :  ,

Здесь X — показания гальванометра, т.е в современных обозначениях сила тока I, a — величина, характеризующая свойства источника тока, постоянная в широких пределах и не зависящая от величины тока, то есть в современной терминологии электродвижущая сила (ЭДС)  , l — величина, определяемая длиной соединяюших проводов. Чему в современных представлениях соответствует сопротивление внешней цепи R и, наконец, b параметр, характеризующий свойства всей установки, в котором сейчас можно усмотреть учёт внутреннего сопротивления источника тока r ^[1]

В таком случае в современных терминах и в соответствии с предложенной автором записи формулировка Ома (1) выражает

Закон Ома для полной цепи:

, (2)

где:

•  — ЭДС источника напряжения(В),

•  — сила тока в цепи (А),

•  — сопротивление всех внешних элементов цепи(Ом) ,

•  — внутреннее сопротивление источника напряжения(Ом) .

Из Закона Ома для полной цепи вытекают следствия:

• При r<<R Сила тока в цепи обратно пропорциональна её сопротивлению. А сам источник в ряде случаев может быть назван источником напряжения

• При r>>R Сила тока от свойств внешней цепи (от величины нагрузки) не зависит. И источник может быть назван источником тока.

Часто^[2] выражение:

 (3)

(где   есть напряжение или падение напряжения, или, что то же, разность потенциалов между началом и концом участка проводника) тоже называют «Законом Ома».

Таким образом Электродвижущая сила в замкнутой цепи, по которой течёт ток в соответствии с (2) и (3) равняется:

 (4)

То есть сумма падений напряжения на внутреннем сопротивлении источника тока и на внешней цепи равна ЭДС источника. Последний член в этом равенстве специалисты называют «напряжением на зажимах», поскольку именно его показывает вольтметр, измеряющий напряжение источника между началом и концом присоединённой к немузамкнутой цепи. В таком случае оно всегда меньше ЭДС.

К другой записи формулы (3), а именно:

 (5)

Применима другая формулировка:

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи.

Выражение (5) можно переписать в виде:

 (6)

где коэффициент пропорциональности G назван проводимость или электропроводность. Изначально единицей измерения проводимости был «обратный Ом» — Mо, впоследствие переименованный в Си́менс (обозначение: См, S).

Сторонние силы

Для того, чтобы поддерживать ток достаточно длительное время, необходимо от конца проводника с меньшим потенциалом непрерывно отводить, а к другому концу – с большим потенциалом – подводить электрические заряды. Т.е. необходим круговорот зарядов. Поэтому в замкнутой цепи, наряду с нормальным движением зарядов, должны быть участки, на которых движение (положительных) зарядов происходит в направлении возрастания потенциала, т.е. против сил электрического поля (рис. 7.3).

            

Рис. 7.3

      Перемещение заряда на этих участках возможно лишь с помощью сил неэлектрического происхождения (сторонних сил): химические процессы, диффузия носителей заряда, вихревые электрические поля. Аналогия: насос, качающий воду в водонапорную башню, действует за счет негравитационных сил (электромотор).

      Сторонние силы можно характеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по замкнутой цепи или ее участку зарядами.

      Величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда в цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС), действующей в цепи:

.

(7.4.1)

      Как видно из (7.4.1), размерность ЭДС совпадает с размерностью потенциала, т.е. измеряется в вольтах.

      Стороннюю силу, действующую на заряд, можно представить в виде:

(7.4.2)

 – напряженность поля сторонних сил.

Работа сторонних сил на участке 1 – 2:

тогда

(7.4.3)

Для замкнутой цепи:

(7.4.4)

      Циркуляция вектора напряженности сторонних сил равна ЭДС, действующей в замкнутой цепи (алгебраической сумме ЭДС).

      При этом необходимо помнить, что поле сторонних сил не является потенциальным, и к нему нельзя применять термин разность потенциалов или напряжение.