Сила тока.

Величину, характеризующую быстроту переноса заряда в проводнике через его перечное сечение называют силой тока.

Силу тока в проводнике измеряют количеством электричества, проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени.

I = q/t

[I] = Кл/с = А

Величину, характеризующую быстроту переноса заряда в проводнике через единицу площади его поперечного сечения называют плотностью тока.

j = I/S

[j] = А/м^2

Ток, при котором плотность тока в каждой точке проводника не изменяется со временем называется постоянным.

Если ток изменяется со временем, то ток называется переменным.

За направление тока принято направление движения положительных зарядов; ток совпадает с направлением электрического поля.

Сопротивление проводника.

Сопротивление проводника создает противодействие направленному движению зарядов и определяет превращение электрической энергии во внутреннюю энергию проводника.

Величина, характеризующая противодействие электрическому току называется электрическим сопротивлением.

R = U/I

[R] = В/А = Ом.

1) Зависимость сопротивления от материала, длины и площади поперечного сечения проводника.

R = p*l/S

Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения.

Величину, характеризующую зависимость сопротивления проводника от материала, из которого он сделан, и от внешних условий, называют удельным сопротивлением проводника.

p = (R*S)/l

[p] = (Ом*м^2)/м = Ом*м

2) Зависимость сопротивления от температуры.

Rt = R0*(1+a*t)

a – температурный коэффициент сопротивления.

Величину, характеризующую зависимость изменения удельного сопротивления при нагревании от рода вещества, называют температурным коэффициентом сопротивления.

Температурный коэффициент сопротивления измеряют числом, показывающим, на какую часть своей величины, взятой при 0С, изменяется удельное сопротивление при нагревании на 1С.

[a] = 1/К = К^-1.

Сверхпроводимость.

Измеряя сопротивление проводника при очень низках температурах, голландский физик Х. Камерлинго-Оннес, в 1911г. обнаружил явление названное сверхпроводимостью.

Оказалось, что в некоторых случаях при достаточно низкой температуре сопротивление вещества скачком падает до нуля.

ЭДС источника энергии.

РИСУНОК

Работа сил электрического поля при перемещении заряда по замкнутому контуру равна нулю. Следовательно, если в замкнутой цепи на заряды действуют одни только электрические силы, то работу с помощью тока получить нельзя.

Представим себе два заряженных проводника А и В. Допустим, что «Фи»А > «Фи»В. Если соединить их проводником АСВ, то положительные заряды под действием силы электрического поля Fэл устремятся от А к В по проводнику АСВ. Однако это движение носителей тока скоро прекратиться, так как «Фи»А = «Фи»В.

Чтобы этого не произошло и движение носителей тока продолжалось достаточно долго, необходимо положительные заряды из точки В переносить в точку А. Такое перемещение зарядов самопроизвольно происходить не может, так как силы электрического поля действуют на них в противоположную сторону. Следовательно, в проводнике ВДА на заряды должны действовать сторонние силы Fст, направленные против сил электрического поля и превышающие их по величине. Тогда на участке АСВ носители тока будут двигаться под действием сил электрического поля от А к В, а на участке ВДА – под действием поля сторонних сил от В к А. В этом случае в замкнутой цеи будет непрерывно циркулировать поток зарядов, то есть будет идти электрический ток.

Участок цепи, в котором заряды движутся в сторону действия сторонних сил, называется источником электической энергии.

Участок, в котором заряды движутся в сторону действия электрических сил, называются потребителем электрической энергии.

Величину, характеризующую зависимость электрической энергии, приобретенной зарядом в генераторе от внутреннего устройства последнего, называется ЭДС.

ЭДС генератора измеряют работой сторонних сил, выполненной при перемещении единичного положения заряда.

ε = Аст/q

[ε] = В

Часть цеи, в которой заряды движутся по направлению действия электрических сил называется внешней, а часть цепи, в которой заряды движутся в сторону действия сторонних сил – внутренней.

РИСУНОК

Если из такого вещества сделать замкнутую цепь и возбудить в ней ток, то ону будет циркулировать долгое время, так как носители тока не будут терять своей энергии на нагревание проводника.

Эквивалентное сопротивление.

Сопротивление, при включении которого вместо всех других проводников, находящихся между двумя точками цепи, ток и напряжение остаются неизменными, называется эквивалентным сопротивлением.

I. Последовательное соединение.

РИСУНОК

I1 = I2 = I3 = …

U = U1+U2+U3+…

U1/U2/U3 = R1/R2/R3

Rпос = R1+R2+R3+…

II. Параллельное соединение.

РИСУНОК

U1 = U2 = U3 = …

Iпар = I1+I2+I3+…

I1/I2/I3 = (1/R1)/(1/R2)/(1/R3)

1/Rпар = (1/R1)+(1/R2)+(1/R3)

Закон Ома для всей цепи.

РИСУНОК

I = ε/(R+r)

Сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешней и внутренней цепей.

Соединение одинаковых источников электрической энергии в батарею.

I. Последовательное соединение.

РИСУНОК

I = (ε*n)/(R+r*n)

II. Параллельное соединение.

РИСУНОК

I = ε/(R+r/m)

III. Смешанное соединение.

РИСУНОК

I = (ε*n)/[R+(r*n)/m]

Работа и мощность электрического тока

Работа электрического тока.

Полную работу тока на участке цепи можно найти:

Aп = U*q

q = I*t =>

Aп = U*I*t

A = (U^2*t)/R

A = I^2*R*t

Работа сторонних сил в генераторе находится:

A = ε*I*t

1Вт*ч = 3,6*10^3 Дж

1кВт*ч = 10^3Вт*ч = 3,6*10^6 Дж

Мощность электрического тока.

Мощность тока на участке цепи измеряют работой тока за единицу времени.

P = A/t

[P] Дж/с = Вт

P – мощность;

A – работа;

t – время.

P = U*I

P = U^2/R

P = I^2*R

P = ε*I

Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля-Ленца.

Q = Aт = I^2*R*t

Количество теплоты, выделенного током в проводнике, прямо пропорционально сопротивлению проводника, квадрату силы тока и времени его прохождения.

I. Последовательное соединение проводников.

Q1/Q2 = R1/R2

II. Параллельное соединение проводников.

Q1/Q2 = R2/R1

Электрический ток в металлах, электролитах, полупроводниках, в газах и в вакууме.

Электрический ток в металлах.

Термоэлектронная эмиссия.

Во всех металлах имеются свободные лектроны, которые хаотически движутся между положительными ионами, образующимиостов кристаллической решетки. На электрон, оказавшийся за наружным слоем положительных ионов, действует электрическая сила притяжения со стороны этих ионов. Когда электроны при своем движении пересекают поверхность металла, эта сила тормозит их движение и втягивает обратно в металл. Следовательно, потенциальная энергия электронов в металле меньше, чем вне его. Таким образом, если потенциальную энергию электронов вне металла принять за 0, то его потенциальная энергия внутри металла будет отрицательной.

РИСУНОК

△П – скачок энергии при переходе свободного электрона из металла наружу (глубина потенциальной ямы).

Для выхода электрона из металла за счет своей кинетической энергии должен совершать работу выхода равной глубине потенциальной ямы (Ав = △П).

Так как скачок потенциальной энергии обусловлен электрическим полем на границе металла, то △П = (е)*△«Фи»

Минимальную работу, которую должен совершить электрон за счет своей кинетической энергии для того, чтобы выйти из металла (и не вернуться в него) называется работой выхода.

При н.у. средняя кинетическая энергия хаотического движения электрона в металле много меньше Ав. Однако некоторые электроны, кинетическая энергия которых больше работы выхода (Ек>Ав), могут покинуть поверхность металла. Поэтому над поверхностью металла всегда имеются хаотически движущиеся электроны. Поскольку при нагревании металла средняя кинетическая энергия свободных электронов возрастает, то можно ожидать, что, при достаточно высокой температуре, количество свободных электронов, вылетающих с поверхности метла, существенно возрастет.

Вылет электронов из металла, вызванный его нагреванием (где–то 1000К), называется термоэлектронной эмиссией.

Контактная разность потенциалов.

Разность, потенциалов «Фи»2 - «Фи»1 = △«Фи», возникающую между соприкасающимися металлами при подвижном равновесии потоков электронов, называется контактной разностью потенциалов.

Существует две причины появления контактной разности потенциалов: