39. Електричний струм. Закон Ома для ділянки кола. Опір.

Прикладемо до провідника, довжина якого l і площа поперечного перерізу S, напругу U (рис. 4.2.2). При цьому в провіднику виникне електричне поле, напруженість якого . Це поле діє на вільні заряди в провіднику із силою Кулона: .

Під дією цієї сили в провіднику виникне напрямлений рух електричних зарядів, який і називають електричним струмом. За напрям електричного струму вважають напрям руху позитивних зарядів.

Рухів частинок в провіднику безпосередньо не видно, але доказами цих рухів є такі явища:

1) під час проходження електричного струму провідник нагрівається (теплова дія струму);

2) електричний струм змінює хімічний склад провідника (хімічна дія);

3) струм спричиняє силову дію на сусідні струми і намагнічені тіла (магнітна дія).

Величина, що дорівнює заряду, перенесеному за одиницю часу, є основною кількісною характеристикою струму і називається силою струму.

Сила струму - це скалярна фізична величина, що дорівнює відношенню заряду Dq, який переноситься через поперечний переріз провідника за інтервал часу Dt, до цього інтервалу часу:

.

Якщо сила струму з часом не змінюється, то струм називають постійним. Сила струму залежить від заряду, який переносить кожна частинка, концентрації частинок, швидкості їх напрямленого руху і площі поперечного перерізу провідника. Відповідно:

,                            (4.2.1)

де q₀ - елементарний заряд, який створює струм в провіднику; n - концентрація вільних носіїв зарядів ( кількість зарядів на 1 м³); S - площа поперечного перерізу провідника; - швидкість напрямленого руху вільних носіїв зарядів (швидкість дрейфу), вона дуже мала (  0,1 мм/с).

У СІ [I] = A (Ампер), 1 А = Кл/с. Вимірюють силу струму амперметром.

Ще однією характеристикою струму є густина струму:

,                                                          (4.2.2)

Одиницю густини струму встановлюють із формули (4.2.2). У СІ одиниця густини струму - ампер на метр в квадраті (А/м²). Інколи використовують також позасистемну одиницю густини струму:

1 А/мм² = 1·10⁶ А/м².

Для того, щоб виник та існував постійний електричний струм у речовині, потрібні: а) наявність вільних заряджених частинок; б) напруженість електричного поля в провіднику має не дорівнювати нулеві і бути сталою в часі; в) коло постійного струму має бути замкненим; г) на вільні електричні заряди, крім кулонівських сил, мають діяти неелектричні сили, які називають сторонніми силами. Сторонні сили можуть бути створені джерелами струму (гальванічними елементами, акумуляторами, електричними генераторами тощо).

Під час замикання кола електричний струм виникає миттєво, а швидкість напрямленого руху вільних заряджених частинок має певне значення. Ця суперечність пояснюється тим, що швидкість встановлення електричного поля по периметру кола значно більша від швидкості впорядкованого руху вільних носіїв заряду. Електричне поле під час замикання кола установлюється протягом часу , де l - периметр електричного кола; c - швидкість світла. Унаслідок такого миттєвого поширення електричного поля майже одночасно по всьому об'єму провідників зовнішньої ділянки замкненого кола на вільні заряджені частинки в певному напрямі діятимуть кулонівські сили, а на внутрішній ділянці діятимуть сторонні сили.

Німецький фізик Георг Ом 1827 року помітив, що відношення напруги U між кінцями металевого провідника, що є ділянкою електричного кола, до сили струму І в колі - величина постійна:

.

Цю величину R називають електричним опором провідника. У СІ [R] = Ом. Електричний опір 1 Ом має така ділянка кола, на якій напруга дорівнює 1 В, якщо сила струму 1А

.

Опір - це основна електрична характеристика провідника. Він виражає міру протидії речовини провідника напрямленому рухові вільних заряджених частинок у ньому.

Експерименти показали, що електричний опір провідника R прямо пропорційний його довжині l і обернено пропорційний площі поперечного перерізу S:

.

Сталий для речовини параметр ? називають питомим опором цієї речовини. Питомий опір залежить від фізичних властивостей речовини, її стану, наявності домішок. Наприклад, у металевих провідниках наявність домішок збільшує питомий опір. Числове значення питомого опору дорівнює опору провідника завдовжки 1 м з площею поперечного перерізу 1 м². У СІ питомий опір вимірюють в омах на метр: [?] = Ом·м. Значення питомого опору речовини занесено до таблиць

Експериментально встановлену залежність сили струму I від напруги U і електричного опору R частини кола називають законом Ома для ділянки кола: сила струму I прямо пропорційна напрузі U і обернено пропорційна електричному опору R однорідної ділянки кола:

.                                   (4.2.3)