Постоянный электрический ток. Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов

Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. В проводнике под действием приложенного электрического поля свободные электрические заряды перемещаются следующим образом: положительные в направлении поля, отрицательные – против. Возникающий в этом случае электрический ток называется током проводимости. Поэтому за направление тока принято считать движение положительных зарядов.

Количественной мерой электрического тока служит СИЛА ТОКА I – скалярная величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника за единицу времени

. (3.13)

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

. (3.13¢)

Единица измерения силы тока – Ампер .

Чтобы охарактеризовать ток также используют и другую величину - ПЛОТНОСТЬ ТОКА численно равна силе тока, приходящейся на единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно направлению течения тока.Это вектор , ориентированный по направлению тока, т.е. этот вектор совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов

, (3.14)

где dS^ – площадь поверхности, перпендикулярная направлению течения тока dI . Плотность тока измеряется в .

Определим, от чего зависит сила тока в проводниках (рис. 3.10). В 1826 году немецкий физик Георг Ом экспериментально установил, что сила тока I, текущего по проводнику пропорциональна напряжению U на концах проводника

, (3.15)

где R – электрическое сопротивление проводника протекающему через него току. Сопротивление обусловлено столкновением электронов с ионами кристаллической решетки проводника

Измеряется в Омах [Ом= Вольт/Ампер].

Соотношение (3.15) выражает закон Ома для участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Сопротивлениепроводника зависит от его размеров, химического состава материала, из которого он изготовлен, и температуры. Для однородного проводника, имеющего постоянную площадь поперечного сечения (S) по всей длине проводника (l), сопротивление равно

, (3.16)

где r – удельное электрическое сопротивление, зависящее только от химического состава материала проводника и температуры (3.17). Единица измерения удельного сопротивления [Ом×м].

, (3.17)

a - температурный коэффициент сопротивления, R_o, r_о – сопротивление (уд. сопровление) при 0^оС, t - температура.

(1).Последовательное соединение n проводников:

(3.18)

(2).Параллельное соединение n проводников:

(3.19)

Для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства (источника тока), способного создать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил не электростатического происхождения. Такие устройства называются источниками тока. Силы не электростатического происхождения, действующие на заряды внутри источника тока и приводящие к их разделению, называются СТОРОННИМИ. Таким образом, сторонние силы поддерживают разность потенциалов на полюсах источника и, соответственно, во всей цепи, подключенной к источнику. Работа сторонних электроразделительных сил А_стор складывается из работы против сил электрического поля внутри источника (А₁) и А¢ - работы против механических сил сопротивления среды.

А_стор =А₁+А¢ или А_стор=q(j₁-j₂)+ А¢ (3.20)

Физическая величина, определяемая работой А_стор, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда q0 по замкнутой цепи, называется ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛОЙ e (Э.Д.С.), действующей в цепи

. (3.21)

с учетом (3.20) выражение 3.21 можно переписать в виде:

(3.21¢)

Единицей измерения э.д.с. является Вольт [В].

Если полюса источника разомкнуты (работа по перемещению заряда внутри источника не совершается А¢=0, а лишь поддерживается разность потенциалов на полюсах источника тока), то э.д.с. e = j₁-j₂

т.е. эдс равна разности потенциалов на полюсах разомкнутого источника тока.

Разность потенциалов на полюсах замкнутого внешней цепью источника тока называется напряжением источника тока. U<e на величину А¢/q.

Если в электрическую цепь включен источник тока с электродвижущей силой, равной e, и внутренним электрическим сопротивлением r (рис. 3.11), то сила тока в этом случае определяется соотношением

, (3.22)