6. Постоянный электрический ток

6.1. Сила тока и плотность тока

Электрический ток - это направленное или упорядоченное движение электрических зарядов под действием электрического поля. Для движущихся зарядов макроскопических размеров (заряженные частицы) вводится понятие конвекционного тока.

Постоянным называется электрический ток с неизменяющимся со временем величиной и направлением движения электрических зарядов. Для протекания электрического тока необходимы два условия:

1. Наличие свободных электрических зарядов.

2. Наличие электрического поля в проводнике (или разности потенциалов на концах проводника).

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока – это величина скалярная, определяется зарядом, протекающим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

. (68)

Сила тока измеряется в амперах (А).

За направление тока условно принято направление движения положительных электрических зарядов.

Плотность тока – величина векторная (). За направление векторапринято направление вектора скорости упорядоченного движения положительных зарядов - так называемой, дрейфовой скорости <>. Численно плотность тока определятся зарядом , протекающим через единичное поперечное сечение проводника в единицу времени:

. (69)

Сила тока измеряется в амперах на квадратный метр (А/м²).

Для металлов носителями электрического заряда являются электроны, т.е. для них .Плотность тока и дрейфовая скоростьсвязаны простым соотношением:

, (70)

где - число носителей заряда в единице объема (– общее число зарядов, находящихся в объеме проводника); - заряд электрона.

6.2. Сопротивление проводников

Опыт показывает, что для одинаковых проводников, выполненных из различных металлов, протекающий электрический ток пропорционален разности потенциалов на концах проводника:

.

Разность потенциалов обозначим и назовем напряжением на участке цепи, тогда

, (71)

где - коэффициент пропорциональности между током и напряжением.

Выражение представляет собой закон Ома для участка цепи.

Величина получила название сопротивления проводника. Сопротивление измеряется в омах (Ом).

Эмпирически установлено, что сопротивление проводника зависит от его длины , площади его поперечного сечения и материала, из которого он выполнен:

, (72)

где -удельное сопротивление проводника.

Введем понятие удельного сопротивления: , если длина проводника и площадь его поперечного сечения (рис. 32). Удельное сопротивление измеряется в ом·метр (Ом·м).

Рис. 32. Размеры проводника для определения величины

удельного сопротивления

Опыт показывает, что для металлических проводников сопротивление зависит от температуры проводника: или , где - сопротивление при (0 ^оС), – температурный коэффициент сопротивления, и- соответственно, температура по шкале в градусах Цельсия или Кельвина.

6.3. Разность потенциалов. Эдс. Напряжение

Разность потенциалов определяется работой по перемещению единичного положительного заряда () из одной точки электрического поля в другую. При этом силы по перемещению положительного электрического заряда на участке цепи имеют электрическую природу.

, (73)

- работа сил электрического (кулоновского) поля по перемещению электрического заряда на участке цепи с разностью потенциалов , и .

Э.Д.С. - (электродвижущая сила источника) - это скалярная физическая величина, определяемая отношением работы сторонних сил по перемещению положительного заряда от отрицательного полюса источника к положительному к величине этого заряда:

. (74)

Сторонние силы – это силы неэлектростатической природы, перемещающие электрические заряды против сил электростатического поля (например, электромагнитные, химические силы и т.д.). ЭДС измеряется в вольтах (В).

Напряжение – это физическая величина, определяемая работой по перемещению единичного положительного заряда на участке цепи как кулоновскими, так и сторонними силами:

. (75)

Падением напряжения на сопротивлении называется произведение .