Электрический ток. Напряжение.

Подключим проводник АВ к аккумуляторной батарее.

В проводнике возникает электрическое поле , которое движет электроны е от полюса А к полюсу В.

Электрический ток – направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля.

Условия возникновения электрического тока: 1) наличие свободных носителей заряда; 2) наличие электрического поля.

· Электрический ток могут создавать как носители одного знака (“+” или “-“), так и носители обоих знаков.

· За направление электрического тока принято направление движения положительно заряженных частиц.

Электрическое напряжение между двумя точками электрической цепи(напряжение) (U) –работа по перемещению единичного положительного зарада из одной данной точки в другую.

(*) =1В

Если в проводнике создано только электростатическое (различать с электрическим!) поле и только оно совершает работу по перемещению заряда +q вдоль силовых линий, то из (п.5.1.1.13) и из (*) . В случае, когда заряд по электрической цепи перемещается не одним только электростатическим полем, это равенство теряет силу.

Сила тока. Плотность тока

Пусть по проводнику протекает электрический ток. Значит, от клеммы «+» к клемме «–» в течение времени Dt переместится заряд DQ. Он может быть разной величины, т. е. ток может быть разной силы.

Сила тока (I) – скорость прохождения заряда Q через поперечное сечение проводника.

– ампер

· Силу тока измеряют амперметром.

Плотность тока (j) – отношение силы тока I к площади поперечного сечения S проводника (площадь сечения перпендикулярна к направлению тока).

Заряд DQ, проходящий через поперечное сечение проводника S за время Dt, состоит из элементарных зарядов q, расположенных равномерно по всему объёму проводника V.

Тогда DQ = q×N = q×n×V = q×n×S×l,

где N – количество зарядов q в заряде DQ;

n – объёмная концентрация зарядов q в проводнике;

,

l – длина области V.

где – скорость направленного движения зарядов q в проводнике;

– вектор, сонаправленный с .

При прохождении по проводнику носители зарядов сталкиваются с ионами его кристаллической решётки и часть энергии электрического поля теряется (переходит во внутреннюю энергию проводника).

Электродвижущая сила

Наэлектризуем проводники А и В так, что потенциал j_A > j_B. Соединим их проводником АСВ (нить накала электролампы). Положительный заряд под действием сил электрического поля будет двигаться от т.А к т.В (при этом нить накала будет нагреваться). Как только j_A и j_B сравняются, движение зарядов прекратится. Для поддержания тока необходимо, чтобы положительные заряды каким-то образом возвращались в т.А. Самопроизвольно это не происходит (j_A > j_B), поэтому необходимо наличие сторонних сил , направленных против сил электрического поля. Тогда на участке АСВ носители заряда будут двигаться под действием силы от т.А к т.В, на участке BDA – под действием сторонних сил от т.В к т.А и по замкнутой цепи непрерывно будет протекать ток. Сторонние силы совершают работу по перемещению заряда из т.В в т.А, преодолевая противодействие сил электрического поля и частиц вещества. За счёт работы сторонних сил заряды приобретают энергию и отдают её на участке АСВ, т.е. на участке BDA электрическая энергия появляется из других видов энергии, а на участке АСВ она превращается в другие виды энергии.

Источник электрической энергии– участок цепи, на котором заряды движутся под действием сторонних сил.

Потребитель электрической энергии– участок цепи, на котором заряды движутся под действием сил электрического поля.

При перемещении заряда по замкнутой цепи (от т.А до т.А): работа сил электрического поля . Работу совершают только сторонние силы, причем эта работа идет на преодаление сопротивления движению заряда как в потребителе, так и в источнике электрической энергии.

Электродвижущая сила (ЭДС) источника (e) – отношение работы сторонних сил А_ст по перемещению положительного заряда q по замкнутой цепи к величине этого заряда.

= 1 B – вольт

Если убрать проводник АСВ, то под действием сторонних сил заряды будут перемещаться от т.В к т.А до тех пор, пока j_A не достигнет своего максимально возможного значения, т. е. пока электрические и сторонние силы не сравняются. Значит, ЭДС источника надо измерять при разомкнутой цепи нагрузки.

Закон Ома для участка цепи

Проводя опыты с металлическими проводниками, Георг Ом (1787–1854, Германия) обнаружил, что отношение напряжения, приложенного к проводнику, к силе тока в нём есть величина постоянная (для каждого проводника имеет своё значение): = 1 Ом – ом.

Электрическое сопротивление проводника (R) – величина, характеризующая способность проводника препятствовать прохождению по нему электрического тока.

· 1 Ом – сопротивление проводника, по которому при напряжении 1 В течёт ток в 1 А.

· Сопротивление проводника измеряют омметром.

Экспериментально установлена зависимость, известная как закон Ома для участка цепи: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Электрическая проводимость проводника (g) – величина, характеризующая способность проводника пропускать электрический ток.

= 1 Ом^–1 = См – сименс.

Падение напряжения на участке цепи – произведение I×R.

· Напряжение U на концах участка цепи равно падению напряжения I×R на нём, если:

1) на участке цепи нет источников ЭДС;

2) единственный результат прохождения тока – нагревание участка цепи.

Закон Ома для всей цепи

Соберём цепь из источника e с внутренним сопротивлением r и потребителя R электрической энергии. При перемещении заряда q по замкнутой цепи (п.5.1.2.3), работа сторонних сил А_ст = А_потр+ А_ист , где - работа по перемещению заряда q по сопротивлению R, IR – падение напряжения на концах сопротивления R,– работа по перемещению заряда q по сопротивлению r, Ir – падение напряжения на источнике e. А_ст = e×q Þ e×q = q×I×R + q×I×r или e = I×R + I×r.

Тогда закон Ома для всей цепи: сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна сумме сопротивлений источника и потребителя.

5.1.2.6. Сопротивление как электрическая
характеристика резистора

Резистор – проводник, предназначенный для преобразования электрической энергии во внутреннюю.

Из опытов известна зависимость сопротивления R проводника постоянного сечения от материала, длины l и площади поперечного сечения S:

,

где r – коэффициент, зависящий от материала проводника.

Удельное сопротивление проводника (r) – сопротивление проводника длиной 1 м при поперечном сечении 1 м²; [r] = 1 Ом×м.

· R проводника зависит от его геометрии (l, S) и вещества (r) (сравни с п.5.1.1.19).