1.2. Електрорушійна сила

У підрозділі 1.1 було показано, що . Це справедливо тільки для області простору, в якій відсутні джерела електрорушійних сил (ЕРС).

Поява ЕРС пов’язана з існуванням електричних полів неелектричного походження.

Необхідно, щоб десь була область простору, в якій би діяла сила неелектричного походження (стороння), яка переміщувала б заряд проти кулонівської сили, тобто має існувати поле сторонніх сил :

де індекс ст означає “сторонні”.

Робота сторонніх сил

Звідки

де ЕРС

.

У замкненому контурі діє ЕРС, якщо лінійний інтеграл напруженості електричного поля вздовж замкненого контура не дорівнює нулю.

Фізична скалярна величина, яка чисельно дорівнює роботі сторонніх сил з переміщення позитивного заряду всередині джерела від “–“ до “+”, називається електрорушійною силою.

Напруга на розімкнених затискачах джерела електричної енергії чисельно дорівнює ЕРС, тобто ЕРС дорівнює різниці потенціалів, або напрузі на затискачах джерела (в даному випадку це одне й те саме) при розімкненій зовнішній частині кола (коли струм у колі відсутній) .

Джерелом ЕРС є електричні генератори, гальванічні елементи, акумулятори, термоелементи тощо.

3. Електричний струм

За електричними властивостями всі речовини поділяються на три основних класи: провідники; діелектрики і напівпровідники.

Провідники – це речовини, в структурі яких є вільні частинки з електричним зарядом (електрони, позитивні й негативні іони), що приходять в упорядкований рух під дією сил поля (метали, електроліти тощо).

Діелектриками називають речовини, в яких вільних частинок, що мають електричний заряд, є дуже мало і на перший план виступає явище поляризації (фарфор, гума та ін.).

Напівпровідники – це речовини, які за електропровідністю займають проміжне положення між провідниками й діелектриками.

Види електричного струму. Основними видами електричного струму є струм провідності, струм перенесення і струм електричного зміщення.

Струмом провідності називається упорядкований рух вільних заряджених частинок всередині провідника під дією сил електричного поля.

Інтенсивність електричного струму оцінюється фізичною величиною, що називається силою електричного струму (або просто електричним струмом).

Сила електричного струму – це кількість електричних зарядів, які проходять через поперечний переріз провідника за одиницю часу:

. (1.4)

Електричний струм є скалярна величина.

Іншою характеристикою струму є густина – векторна величина:

, (1.5)

тобто густина струму дорівнює границі відношення зміни струму через елемент поверхні , перпендикулярній до напрямку руху заряджених частинок, до цього елемента поверхні , коли останній прагне до нуля.

Напрям вектора густини струму збігається з напрямом руху позитивно заряджених частинок.

Відмінністю струму провідності від інших видів струму є те, що густина струму провідності при незмінній температурі провідника пропорційна напруженості електричного поля, причому в ізотропному середовищі вектор густини струму збігається з напрямом вектора напруженості електричного поля:

(1.6)

де - питома електрична провідність середовища (речовини).

У електротехніці часто користуються величиною, оберненою до питомої провідності

(1.7)

яка називається питомим електричним опором цієї речовини.

Питома провідність, а отже, і питомий опір провідників залежать від їх температури:

(1.8)

де - питомий опір провідника відповідно при кінцевій і початковій температурі; - температурний коефіцієнт опору.

В СІ одиницями вимірювання електричних величин є : струм – ампер (А); густина струму – ампер на квадратний метр (А/м²); опір – ом (Ом); питомий опір – ом на метр (Омм); питома провідність – І/(Омм).

Струм перенесення (або струм конвекції) – це явище перенесення електричних зарядів зарядженими частинками і тілами, які рухаються у вільному просторі. Це струм у вакуумі, в газах. Відрізняється струм перенесення від струму провідності тим, що густину струму перенесення не можна подати залежністю

.

Густину струму перенесення визначають через середню об’ємну густину рухомих частинок і швидкість їх руху:

, (1.9)

де _nep - густина струму перенесення ; ₊ , _- – середня об’ємна густина, тобто кількість зарядів (заряджених частинок) в одиниці об’єму відповідно позитивно і негативно заряджених частинок; V₊ , V_- – середня швидкість руху відповідно позитивнo і негативно заряджених частинок.

Струм електричного зміщення є третій вид електричного струму. Він виникає при змінному електричному полі в діелектрику. Кількість вільних заряджених частинок в одиниці об’єму діелектрика в багато разів менша, ніж у провідниках. Тому за наявності електричного поля в діелектрику напрямленим (упорядкованим) рухом вільних заряджених частинок нехтують і вважають, що в діелектрику переважають електростатичні явища.

Поляризація діелектрика – упорядкована зміна розміщення зв’заних зарядів у речовині, спричинена електричним полем), яка виявляється в тому, що негативні зв’язані заряди в речовині переміщуються в напрямі вищого потенціалу, а позитивні – в напрямі нижчого потенціалу. Заряди переміщуються на стільки, що сили взаємодії електричного поля на зв’язані заряди зрівноважуються внутрішньомолекулярними силами. Внаслідок поляризації на поверхні тіла (речовини) ніби виступають зв’язані електричні заряди.

Загальною властивістю всіх видів струму є існування магнітного поля. Досвід показує, що при зміні електромагнітного поля, навіть у разі відсутності частинок речовини, виникає магнітне поле. Це фізичне явище і підтверджується математично у рівнянні) наявністю доданка у вигляді густини струму зміщення в пустоті.

Враховуючи всі види струму, можна сформулювати загальне визначення електричного струму.

Електричним струмом називається явище упорядкованого руху заряджених частинок і зміни електричного поля протягом часу, що супроводжується магнітним полем.

Перша частина цього формулювання належить до струмів провідності, перенесення і поляризації, друга – до струму зміщення у пустоті.

За зміною струму протягом часу електричний струм поділяють на постійний, пульсуючий і змінний (рис.1.3).

Постійним називається струм, що протягом часу не змінюється, тобто є сталою величиною (рис.1.3,а ; пульсуючим – струм, який протягом часу змінюється за величиною, але напрям (знак) не змінює (рис.1.3,б ; змінним – струм, який протягом часу змінюється як за величиною, так і за напрямом (знаком) (рис.1.3,в).

а б в

Рис.1.3