Физика / ЛЕКЦИИ_2-ой_семестр / 2_Постоянный ток / ЛК_№4-Ток_ЭДС_Закон_ОМА

4

Тема 2. Постоянный электрический ток.

Лекция №4

1. Электрический ток, сила и плотность тока.

2. Сторонние силы, электродвижущая сила и напряжение.

3. Закон Ома, сопротивление проводников.

1.Электрический ток, сила и плотность тока

Определение 1.

Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов.

Определение 2.

Током проводимости называется ток свободных электрических зарядов в проводнике под действием приложенного электрического поля Е (рисунок слева,а).

Определение 3.

Конвекционным током называется ток упорядоченного движения электрических зарядов, которое осуществляется перемещением в пространстве

заряженного макроскопического тела (рисунок слева, б).

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I.

Определение 4.

Силой тока называется скалярная физи­ческая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

Определение 5.

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Для постоянного тока

где Q — электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение провод­ника.

Единила силы тока — Ампер (А).

Определение 6.

Физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площа­ди поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока, называется плотностью тока:

Выразим силу и плотность тока через скорость «среднюю» упорядоченного движения зарядов в проводнике.

Если концентрация носителей тока равна n и каждый носитель имеет элементарный заряд равен – е, то за время – dt через поперечное сечение проводника – S переносится заряд .

Сила тока будет равна

а плотность тока, соответственно определению, –

Плотность тока — это вектор, ориентированный по направлению тока, т. е. направление вектора j совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов.

Единица плотности тока — Ампер на метр в квадрате (А/м²).

2. Сторонние силы, электродвижущая сила и напряжение.

Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей (они предполагаются положительными) от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом.

Это приводит к выравнива­нию потенциалов во всех точках цепи и к исчезновению электрического поля.

Определение 1.

Устройства, способ­ные создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлект­ростатического происхождения, называются источниками тока.

Определение 2.

Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними.

Природа сторонних сил может быть различной.

Например, в гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами; в генераторе — за счет механической энергии вращения ротора генератора и т. п.

Примечание. Роль источника тока в электрической цепи, образно говоря, такая же, как роль насоса, который необходим для перекачивания жидкости в гидравлической системе.

Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов.

Определение 3.

Физи­ческая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при переме­щении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (э.д.с.), действующей в цепи:

Эта работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину можно также называть электродвижущей силой источника тока, включен­ного в цепь.

Э.д.с., как и потенциал, выражается в Вольтах.

Сторонняя сила F_ст, действующая на заряд Q₀, может быть выражена как

где Е_ст — напряженность поля сторонних сил.

Работа же сторонних сил по перемещению заряда Q₀ на замкнутом участке цепи равна

Разделив выражение для А на Q₀, согласно определению, получим выражение для э. д. с., действующей в цепи, а именно,

Из полученного выражения следует, что э.д.с., действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил.

Э.д.с., действующая на каком-то произвольном не замкнутом участке 1—2, будет равна

На заряд Q₀ помимо сторонних сил действуют также силы электростатического поля F_e=Q₀·E. Таким образом, результирующая сила, действующая в цепи на заряд Q₀, будет равна

Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом Q₀ на участке 1—2, будет равна

Используя определение э.д.с. и выражение для работы в потенциальном электростатическом поле, можно записать, что

Для замкнутой цепи работа электростатических сил (как работа сил потенциального поля!) будет равна нулю, поэтому в данном случае

Определение 4.

Напряжением U₁₂ на участке 1—2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторон­них сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи.

Таким образом,

Примечание. Понятие напряжения является обобщением понятия разности потенциалов. Напря­жение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует э.д.с., т. е. сторонние силы отсутствуют.

3. Закон Ома, сопротивление проводников.

Немецкий физик Г. Ом экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику в отсутствие сторонних сил, пропорциональна напряжению U на концах проводника:

(1)

где R — электрическое сопротивление проводника.

Закон Ома, формулировка.

Для участка цепи (не содержащего источника тока) сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротив­лению проводника.

Формула (1) позволяет установить единицу сопротивления — Ом (Ом).

Определение 1.

1 Ом — сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В течет постоянный ток 1 А.

Определение 2.

Величина, обратно пропорциональная сопротивлению, называется электрической проводимостью проводника,

Единица проводимости — Сименс (См).

Определение 3.

1 См — проводимость участка электрической цепи сопротивлением 1 Ом.

Сопротивление проводников зависит от его размеров и формы, а также от матери­ала, из которого проводник изготовлен.

Для однородного линейного проводника сопротивление R будет равно:

где  — удельное электрическое сопротивление проводника, длина проводника,

площадь его поперечного сечения.

Единица удельного элект­рического сопротивления — омметр (Омм).

Примечание. Наименьшим удельным сопротивлением обладают

серебро (1,610 ^{– 8} Омм) и медь (1,710 ^{– 8} Омм).