- •Законы постоянного электрического тока. Электрический ток, сила и плотность тока.
- •Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение
- •Зависимость сопротивления проводника от температуры. Явление сверхпроводимости.
- •Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной форме.
- •Правила Кирхгофа для разветвленных цепей.
Зависимость сопротивления проводника от температуры. Явление сверхпроводимости.
Способность вещества проводить ток характеризуется его удельной проводимостью , либо удельным сопротивлением . Их величина определяется химической природой проводника и условиями, в частности температурой, при которой он находится. Для большинства металлов растет с температурой приблизительно линейно: ,
где - удельное сопротивление при 0С, t - температура по шкале Цельсия, - температурный коэффициент (табличная величина) сопротивления близкий к 1/273 К-1 при не очень низких температурах. Так как R, то:
, где - сопротивление при 0С.
На основе температурной зависимости сопротивления металлов созданы термометры сопротивления - термисторы, позволяющие определять температуру с точностью до 0.003К.
При низких температурах нарушается линейность зависимости сопротивления металлов от температуры, и при температурах, близких к нулю по шкале Кельвина, наблюдается остаточное сопротивление Rост. Величина Rост зависит от чистоты материала и наличия в нем механических напряжений. Лишь у идеально чистого металла с идеально правильной кристаллической решеткой Rост 0 при Т0 .
В 1911 г. Каммерлинг-Оннес обнаружил, что при Тк = 4.1К сопротивление ртути скачкообразно уменьшается практически до нуля. Эта температура была названа критической, а наблюдаемое явление - сверхпроводимостью. Впоследствии этот эффект был обнаружен у целого ряда других металлов (Ti, Al, Pb, Zn, V и др.) и их сплавов в интервале температур 0.14-20 К. Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают необычными свойствами. Однажды возбужденный в них ток может длительно существовать без источника тока. Переход в сверхпроводящее состояние сопровождается скачкообразным изменением теплоемкости, теплопроводности, магнитных свойств вещества.
Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной форме.
Определим работу, совершаемую постоянным током в проводнике, имеющем сопротивление R и находящемся под напряжением . Так как ток представляет собой перемещение заряда q под действием поля, то работу тока можно определить по формуле . Учитывая формулу и закон Ома, получим , или , или , где t - время протекания тока. Поделив обе части равенства на t, получим выражения для мощности постоянного тока Р:
, , .
Работа тока в системе единиц СИ измеряется в джоулях (Дж), а мощность - в ваттах (Вт). На практике применяются также внесистемные единицы работы тока: ватт-час (Втч) и киловатт-час (кВтч). 1Втч - работа тока мощностью 1Вт в течение одного часа. 1Втч=3.6103 Дж.
Опыт показывает, что ток всегда вызывает некоторое нагревание проводника. Нагревание обусловлено тем, что кинетическая энергия движущихся по проводнику электронов (т.е. энергия тока) при каждом их столкновении с ионами металлической решетки переходит в теплоту Q. Если ток идет по неподвижному металлическому проводнику, то вся работа тока расходуется на его нагревание и, следуя закону сохранения энергии, можно записать .
Данные соотношения выражают закон Джоуля-Ленца в интегральной форме.
Применение теплового действия тока в технике началось с открытия в 1873 г. русским инженером А. Ладыгиным лампы накаливания.
На тепловом действии тока основан целый ряд электрических приборов и установок: тепловые электроизмерительные приборы, электропечи, электросварочная аппаратура, бытовые электронагревательные приборы - чайники, кипятильники, утюги.
Определим удельную тепловую мощность тока , т.е. количество теплоты, выделяющееся в единице объема проводника в единицу времени. Выделим в проводнике элементарный цилиндрический объем dV с поперечным сечением dS и длиной dl параллельной направлению тока, и сопротивлением , .
По закону Джоуля-Ленца, за время dt в этом объеме выделится теплота .
Тогда или: ω = ρj2 . Используя закон Ома для плотности тока и соотношение , получим:
ω = γЕ2 .
Эти соотношения выражают закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.