Проводники. Постоянный электрический ток. Сила и плотность тока.

Электрическим током называется направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц.

Электрический ток в проводниках различного рода представляет собой либо направленное движение электронов в металлах (проводники первого рода), имеющих отрицательный заряд, либо направленное движение более крупных частиц вещества — ионов, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд — в электролитах (проводники второго рода), либо направленное движение электронов и ионов обоих знаков в ионизированных газах (проводники третьего рода).

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

Для существования электрического тока в веществе необходимо:

1. наличие заряженных частиц, способных свободно перемещаться по проводнику под действием сил электрического поля;

Наличие источника тока, создающего и поддерживающего в проводнике в течение длительного времени электрическое поле.

Количественными характеристиками электрического тока являются сила тока I и плотность тока j.

Сила тока — скалярная физическая величина, определяемая отношением заряда q, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени t, к этому промежутку времени.

Единицей силы тока в СИ является ампер (А).

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

Единица силы тока — основная единица в СИ 1 А — есть сила такого неизменяющегося тока, который, проходя по двум бесконечно длинным параллельным прямолинейным проводникам очень маленького сечения, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает силу взаимодействия между ними 2·10^-7 Н на каждый метр длины проводников.

Рассмотрим, как зависит сила тока от скорости упорядоченного движения свободных зарядов.

Выделим участок проводника площадью сечения S и длиной l (рис. 1). Заряд каждой частицы q₀. В объеме проводника, ограниченном сечениями 1 и 2, содержится nS l частиц, где n — концентрация частиц. Их общий заряд

.

Рис. 1

Если средняя скорость упорядоченного движения свободных зарядов , то за промежуток времени

все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через сечение 2. Поэтому сила тока:

Таким образом, сила тока в проводнике зависит от заряда, переносимого одной частицей, их концентрации, средней скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника.

Заметим, что в металлах модуль вектора средней скорости упорядоченного движения электронов при максимально допустимых значениях силы тока ~ 10^-4м/с, в то время как средняя скорость их теплового движения ~ 10⁶ м/с.

Плотность тока j — это векторная физическая величина, модуль которой определяется отношением силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника, т.е.

В СИ единицей плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м²).

Как следует из формулы (1),

.

направление вектора плотности тока совпадает с направлением вектора скорости упорядоченного движения положительно заряженных частиц. Плотность постоянного тока постоянна по всему поперечному сечению проводника.

ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электрический ток.

Сила и плотность тока.

ЭДС и напряжение

I. Любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов называется ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ. При приложении внешнего электрического поля Е в проводнике начинается движение зарядов, т.е. возникает электрический ток. При этом положительные заряды движутся по полю, а отрицательные - против поля. За направление тока принимают направление движения положительных зарядов. Для возникновения и существования электрического тока необходимо выполнение двух условий:

1. 1. наличие свободных носителей зарядов (т.е. вещество должно быть проводником или полупроводником при высоких температурах),

2. Наличие внешнего электрического поля.

Для количественного описания электрического тока вводится - СИЛА ТОКА – скалярная физическая велична, равная количеству электрического заряда, переносимосму за единицу времени через поперечное сечение проводника S.

- для постоянного тока, и

- для переменного тока.

Ток, сила и направление которого не изменяются со временем, называется постоянным.

ПЛОТНОСТЬ ТОКА - векторная физическая величина, численно равная силе тока, проходящего через единицу площади, перпендикулярной к току.

- для постоянного тока, и

- для переменного тока.

II. ЭДС

Для того чтобы через рассматриваемый участок проводника проходил ток I, необходимо поддерживать постоянную разность потенциалов между рассматриваемыми точками проводника.

 

Для того чтобы поддерживать постоянную разность потенциалов на концах проводника его необходимо подключить к источнику тока. Источник тока производит работу по перемещению электрических зарядов вдоль всей цепи. Эта работа совершается за счёт СТОРОННИХ СИЛ – сил неэлектростатического происхождения, действующих на заряды со

стороны источника тока. Природа сторонних сил может быть различной (кроме неподвижных зарядов):

1) химические реакции – в гальванических элементах (батарейках), аккумуляторах,

2) электромагнитной – в генераторах. При этом генераторы могут использовать а) механическую энергию – ГЭС, б) ядерную – АЭС, в) тепловую – ТЭС, г) приливов и отливов – ПЭС, д) ветровую – ВЭС и т.д.

3) использование фотоэффекта – фотоЭДС в калькуляторах и солнечных батареях,

4) пьезоэффект – пьезоЭДС, например, в пьезозажигалках,

5) контактная разность потенциалов – термоЭДС в термопарах и т.д.

Под действием поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, за счёт чего на клеммах источника тока поддерживается разность потенциалов и в цепи течёт ток.

Источник тока характеризуется электродвижущей силой – Э. Д. С.

 

 

ЭДС определяется работой выполняемой сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутой цепи.

Сторонняя сила равна:

где - напряженность поля сторонних сил. Работа сторонних сил по перемещению заряда q на замкнутом участке цепи равна:

 

т.е. ЭДС равна циркуляции вектора напряженности сторонних сил. На участке 1 – 2 (см. рисунок) кроме сторонних сил действует сила электростатического поля

т.е. результирующая сила на участке 1 - 2 равна

тогда

Для замкнутой цепи

НАПРЯЖЕНИЕМ U 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

при

 

Законы Ома

1. Закон Ома для однородного участка цепи.

Однородным называется участок не содержащий ЭДС.

Сила тока на однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно

пропорциональна сопротивлению цепи

1 Ом – сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В течёт ток 1 А.

G - электрическая проводимость. (Сименс).

Сопротивление R проводника зависит от его размеров и формы, а также от материала проводника.

,

 

где ρ - удельное сопротивление проводника - сопротивление единицы длины проводника.

ℓ - длина проводника; S - площадь поперечного сечения проводника.

 

2.Закон Ома для неоднородного участка цепи

НЕОДНОРОДНЫМ называется участок цепи, содержащий ЭДС.

 

- Закон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной форме.

 

 

3. Закон Ома для замкнутой цепи (для полной цепи).

где где R - сопротивление внешней цепи,

г - сопротивление источника ЭДС, тогда

- Закон Ома для полной цепи

4. Закон Ома в дифференциальной форме.

σ - удельная электропроводность;

- Закон Ома в дифференциальной форме.

Плотность тока прямо пропорциональна напряженности электрического поля Е, Коэффициент пропорциональности σ - удельная электропроводность.

Проводники. Постоянный электрический ток. Сила и плотность тока.

Постоянный электрический ток. Сила и плотность тока.

Постоя́нный ток, DC (англ. direct current — постоянный ток) — электрический ток, параметры, свойства и направление которого не изменяются (в различных смыслах) со временем. Характеризуется параметрами - Вольт (V), Ампер (А), Ом(R) и Ватт (W).

Ток, величина которого постоянна во времени.

· Не переменный ток, то есть ток, не меняющий своего направления со временем и не имеющий частоты (то есть для него частота f=0).

· Постоянный ток как характеристика питания устройств — питание от источника с напряжением или током нулевой частоты (пример — двигатель постоянного тока).

Существуют источники постоянного тока, ток на выходе которых не зависит от времени и сопротивления нагрузки.

Постоянный ток широко используется в технике: подавляющее большинство электронных схем в качестве питания используют постоянный ток. Переменный ток используется преимущественно для более удобной передачи от генератора до потребителя.

Иногда в некоторых устройствах постоянный ток преобразуют в переменный ток преобразователями (инверторами).

Сила тока — скалярная физическая величина, определяемая отношением заряда Δq, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени Δt, к этому промежутку времени.

Единицей силы тока в СИ является ампер (А).

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

Единица силы тока — основная единица в СИ 1 А — есть сила такого неизменяющегося тока, который, проходя по двум бесконечно длинным параллельным прямолинейным проводникам очень маленького сечения, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает силу взаимодействия между ними 2·10-7 Η на каждый метр длины проводников.

Рассмотрим, как зависит сила тока от скорости упорядоченного движения свободных зарядов.

Выделим участок проводника площадью сечения S и длиной Δl (рис. 1). Заряд каждой частицы q0. В объеме проводника, ограниченном сечениями 1 и 2, содержится nSΔl частиц, где n — концентрация частиц. Их общий заряд

Рис. 1

Если средняя скорость упорядоченного движения свободных зарядов , то за промежуток времени все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через сечение 2. Поэтому сила тока:

Таким образом, сила тока в проводнике зависит от заряда, переносимого одной частицей, их концентрации, средней скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника.

Заметим, что в металлах модуль вектора средней скорости упорядоченного движения электронов при максимально допустимых значениях силы тока ~ 10-4 м/с, в то время как средняя скорость их теплового движения ~ 106 м/с.

Плотность тока j — это векторная физическая величина, модуль которой определяется отношением силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника, т.е.

В СИ единицей плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м2).

Как следует из формулы (1), . Направление вектора плотности тока совпадает с направлением вектора скорости упорядоченного движения положительно заряженных частиц. Плотность постоянного тока постоянна по всему поперечному сечению проводника.

Электрический ток. Сила и плотность тока