Федеральное агентство связи

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

им. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА

А.Д. Андреев, Л.М. Черных

Электрический ток

Конспект лекций

Санкт-Петербург

Андреев А.Д., Черных Л.М. Физика. Электрический ток: Конспект лекций / СПб ГУТ. СПб, 2005.

Содержит теоретический материал по разделу «Электрический ток» общего курса физики.

Предназначен для оказания помощи студентам технических специальностей всех форм обучения в самостоятельной работе, а также при подготовке к упражнениям, коллоквиумам и экзаменам.

Ответственный редактор Л.Н. Савушкин Рецензент В.А. Подхалюзин

© Андреев А.Д., Черных Л.М., 2005.

© Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича, 2005.

Введение……………………………………………… …………………………………………………..4

1. Основные законы электрического тока……………………………………………………………4 1.1.

Характеристики электрического тока……………………………………………………………….4

1.2. Связь плотности тока с концентрацией и скоростью упорядоченного движения носителей заряда……………………………………………………………………………………………….............5

1.3. Необходимое условие существования электрического тока в замкнутой цепи. Падение напряжения………………………………………………………………………………………………...6

1.4. Закон Джоуля–Ленца. Закон Ома.............................................................................................................................
1.5. Квазистационарный ток.............................................................................................................................................
1.6. Закон Ома и закон Джоуля–Ленца в дифференциальной форме...........................................................................
1.7. Уравнение непрерывности	……………………………………………………………………...10
2. Электрический ток в различных средах ..............................................................................................................
2.1. Классическая электронная теория металлов.........................................................................................................
2.2. Несамостоятельный газовый разряд.......................................................................................................................
2.3. Самостоятельный газовый разряд..........................................................................................................................
2.4.Виды эмиссии. Электрический ток в вакууме........................................................................................................
2.5. Механизм электропроводности в полупроводниках. ...........................................................................................
2.6. Плазма.......................................................................................................................................................................
Литература.......................................................................................................................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Электрический ток играет важную роль в современной технике и в быту. Электрические двигатели, осветительные приборы, различные электроинструменты и бытовые приборы – эти и многие другие устройства работают с помощью электрического тока. С помощью электрического тока происходит передача и распределение между потребителями наиболее удобного для использования в современном обществе вида энергии – электроэнергии.

В данной части курса рассматриваются основные понятия и изучаются базовые законы электрического тока. Первые, получившие широкую известность, опыты с электрическим током были проведены итальянским

физиком Гальвани в конце XVIII в. Другой итальянский физик Вольта создал первое устройство, способное давать длительный электрический ток, – гальванический элемент. Первый важнейший закон электрического тока – закон Ома – был установлен в 1827 г. В середине XIX в. был сформулирован закон превращения энергии в цепях с электрическим током – закон Джоуля–Ленца. К настоящему времени созданы многочисленные устройства, основанные на применении электрического тока, и разработаны методы их расчета.

1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

1.1. Характеристики электрического тока

Электрический ток есть упорядоченное движение носителей заряда.

Для существования электрического тока необходимо наличие в среде свободных носителей заряда и сил, приводящих эти носители в упорядоченное движение.

За направление тока принимается направление упорядоченного движения положительно заряженных носителей.

При напряженности поля, равной нулю (E = 0), имеет место только хаотичное движение зарядов, связанное с их тепловым движением. При напряженности поля, не равной нулю (E ≠ 0) на хаотическое движение зарядов накладывается их упорядоченное движение.

Линиями тока называются траектории упорядоченного движения зарядов.

Трубкой тока называется поверхность, ограниченная линиями тока

(рис. 1).

Если через некоторую поверхность S за времяdt проходит зарядdq , то

поверхность S течет токI(t) , меняющийся со временем, и требуется найти зарядq , прошедший через эту поверхность за промежуток времени от моментаt 1 до моментаt 2 . Разобьем этот промежуток на столь малые интервалыdt , что в пределах каждого из них силу тока можно считать постоянной. Заряд, прошедший за интервал времени от моментаt до моментаt + dt , равенdq = I(t)dt . Заряд, прошедший за промежуток времени отt 1 до

момента t 2 :

q = ∫ I(t) dt.

Пусть в некоторой проводящей среде через поверхность S течет токI . РазобьемS на элементарные площадкиdS и рассмотрим одну из них (рис. 2, 3). Пустьn – вектор нормали кdS ,dl – сила тока черезdS . За времяdt площадкиdS иdS пересечет одинаковый зарядdq .

Плотностью тока называют отношение силы тока dl через элементарную площадку dS , перпендикулярную линиям тока, к ее площади:

направление вектора скорости упорядоченного движения положительных зарядов

υ упр (рис. 3). Пустьα – угол между	j и вектором нормалиn к площадкеdS . Тогдаj dS = j (cosα )dS = j n dS , где
j n – проекцияj на направление нормалиn . Сила тока через поверхностьS (рис. 2)
	I = ∫ jn dS.
Отсюда следует, что сила тока	I = ∫ j n dS есть поток вектора плотности тока через поверхностьS .

1.2. Связь плотности тока с концентрацией и скоростью упорядоченного движения носителей заряда

Рассмотрим проводящую среду с одним типом свободных носителей заряда, в которой существует ток. Пусть q + – величина заряда одного носителя,n + – концентрация носителей (число носителей в единице объема),υ + – средняя скорость упорядоченного движения носителей.

Рассмотрим в этой среде элементарную трубку тока в форме прямого цилиндра площадью dS и длинойυ + dt , гдеdt – время, за которое весь заряд, находящийся внутри этой трубки, пересечет площадкуdS

(рис. 4). Элементарная трубка тока настолько мала по длине и площади поперечного сечения, что в пределах неё плотность тока j можно считать одинаковой.

Заряд, находящийся внутри этой трубки, равен dq = q + n + dV , гдеdV = υ + dtdS – объем элементарной трубки

Из определения плотности тока следует:

q+ n+ υ + dtdS

Следовательно, j = q + n + υ + – плотность тока в случае одного типа свободных носителей тока.

Рассмотрим

ситуацию, когда в

элементарной

находятся свободные

носители заряда

двух типов: q

этом случае

j = q+ n+ υ + +

q−

n − υ − – плотность тока для двух типов свободных носителей зарядов. Это

выражение можно представить в векторном виде

−r −

При этом следует

Рис.5

j = q

иметь в виду, что заряды q + иq – имеют разные знаки, а векторы скоростиυ r + иυ r − – разные направления.

1.3.Необходимое условие существования электрического тока в замкнутой цепи. Падение напряжения

Рассмотрим простейшую цепь, состоящую из проводника, между концами которого создана разность ϕ 1 −ϕ 2 ≠ 0 потенциалов. Под действием поля кулоновских сил свободные носители заряда придут в движение: так

например, положительные заряды будут перемещаться от «+» к «–». Как известно, равновесному состоянию проводника соответствует отсутствие поля в проводнике (E = 0) . Электрический ток есть неравновесное состояние проводника. Для того чтобы поддержать это неравновесное состояние, т.е. стационарный ток, необходим дополнительный механизм, обеспечивающий перенос положительных зарядов от «–» к «+», т.е. против поля кулоновских сил (рис. 6). Для этого необходим источник сторонних сил (сил не кулоновской природы). Сторонние силы, вызывающие разделение положительных и

отрицательных зарядов, могут быть различными по своей природе. Так, Рис . 6 в гальванических элементах и аккумуляторах действуют сторонние силы химической природы, возникающие на границах соприкосновения

электролита и помещенных в него электродов. В генераторе электростанции заряды разделяются действующими на них силами магнитного поля. В фотоэлементах разделение зарядов происходит под действием света. Устройства, в которых действуют сторонние силы, называются источниками тока. Таким образом, необходимыми условиями существования тока в замкнутой цепи являются, во-первых, наличие свободных носителей заряда, во-вторых, существование электрического поля, приводящего носители в упорядоченное движение и, в-третьих, наличие источника сторонних сил.

Рассмотрим участок проводника, на котором действуют сторонние и кулоновские силы (рис. 7).

Пусть F стор – результирующая всех сторонних сил, действующих на свободный зарядq на участке цепи от ()1

до ()2, F r кул. – результирующая всех кулоновских сил, действующих на зарядq на этом же участке цепи.

Результирующая сила F равнаF = F стор + F кул .

Умножим скалярно левую и правую части данного выражения на элементарное перемещение вдоль участка цепи dl и проинтегрируем от ()1 до ()2:

В левой части этого равенства стоит работа результирующей силы A 1 → 2 , первое слагаемое в правой части является работой сторонних силA стор , а второе слагаемое – работой кулоновских сил.

Разделим левую и правую части полученного выражения на q :

			A стор		F кул
	1→ 2			+ ∫		dl .

В разделе «Электростатика» была определена напряженность электрического поля и установлена её связь с разностью потенциалов:

F кул.= E r ; (2 ∫ ) E r dl r = ϕ 1 −ϕ 2 .

q (1)

С учетом этих выражений, предыдущее равенство примет вид

A 1 q → 2 =A стор q +(ϕ1 −ϕ2 ).

Величина, равная работе всех сил (кулоновских и сторонних) по перемещению заряда на участке цепи, деленной на величину заряда, называется падением напряжения на этом участке цепи:

U 12= A 1 q → 2 .

Величина, равная работе сторонних сил по перемещению заряда на участке цепи, деленной на величину заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) ε 12 , действующей на рассматриваемом участке цепи:

ε 12 = A сторq

Таким образом, U 12 = ε 12 + (ϕ 1 −ϕ 2 ).

Участок цепи, на котором действуют сторонние силы, т.е. ε 12 ≠ 0 , называется неоднородным. Еслиε 12 = 0, то это однородный участок цепи (отсутствуют источники сторонних сил).

1.4. Закон Джоуля–Ленца. Закон Ома

Закон Джоуля–Ленца, открытый экспериментальным путем, устанавливает, что количество теплоты, выделение которого сопровождает постоянный ток, пропорционально произведению квадрата силы тока на время его протекания:

Q = RI2 t,

где R – коэффициент пропорциональности, который называется сопротивлением проводника и является его характеристикой.

В случае, когда сила тока меняется со временем, следует рассмотреть малый промежуток времени dt , в течение которого силу тока можно считать постоянной. При этом выделяется количество теплотыdQ = RI 2 dt . Отсюда следует, что за промежуток времениt =t 2 –t 1 в проводнике выделяется количество теплоты, равное:

Q = ∫ RI2 dt.

Пусть на рассматриваемом участке цепи не совершается механическая работа и не происходят химические реакции. Тогда работа результирующей сторонних и кулоновских сил по переносу заряда dq из ()1 в ()2 проводящей среды по закону сохранения энергии равна тепловой энергии, величина которой определяется законом Джоуля–

Ленца: U 12 dq = RI 2 dt . Отсюда

U12 dq dt = U12 I= RI2 .

Таким образом

I = U 12= ε 12+ (ϕ 1−ϕ 2) .

Это равенство называется законом Ома для неоднородного участка цепи.

Для замкнутой цепи, когда ϕ 1 =ϕ 2 ,ε 12 =ε , приходим к следующему виду закона Ома:

I = R ε .

Для однородного участка цепи ε 12 = 0 и закон Ома принимает вид

I =ϕ 1 − R ϕ 2 =U R .

Сопротивление однородного проводника, имеющего одинаковое поперечное сечение по всей его длине, прямо пропорционально длине проводника l и обратно пропорционально

площади его поперечного сечения S :

R = ρ S l , (1.2)

где ρ – удельное сопротивление проводника, зависящее от его материала.

Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной электропроводностью проводника: σ = ρ 1 . В довольно

широком интервале температур, далеких от абсолютного нуля, удельное сопротивление металлических проводников является линейной функцией температуры.

Если площадь поперечного сечения проводника меняется вдоль его длины l , то для определения сопротивления такого проводника поступаем следующим образом. Разделим проводник на участки столь малой длиныdl , чтобы в пределах каждого участка площадь поперечного сеченияS можно было считать

постоянной (рис. 8). Сопротивление такого участка, согласно (1.2), равно dR = ρ dl S . (1.3)

Поскольку весь проводник является последовательным соединением участков, то его сопротивление равно сумме сопротивлений этих участков:

R = ∫ dR= ∫ ρ

В качестве примера применения (1.4) найдем сопротивление утечки коаксиального кабеля. Такой кабель представляет собой два проводящих цилиндра радиусов r 1 иr 2 , длинойb , имеющих общую ось. Цилиндры разделены несовершенным диэлектриком, имеющим большое, но конечное удельное сопротивлениеρ . Ток утечки течет от одного цилиндра к другому ортогонально

поверхности этих цилиндров так, что линии тока направлены вдоль координаты r (рис. 9). Разделим пространство между цилиндрами на тонкие коаксиальные цилиндрические слои. На рис. 9 показан один из таких слоев радиусаr и толщиныdr . Его сопротивление определяется (1.3). Для простоты будем полагать, чтоρ = const. Учитывая, что площадь поперечного сечения такого цилиндра (поперечного по отношению к направлению тока утечки)S = 2π rb ,

получаем dR = ρ 2 π dr rb .

Интегрируя теперь от r =r 1 доr =r 2 , находим сопротивление утечки кабеля

		r 2dr
	2π b				2π b

1.5. Квазистационарный ток

Рассмотренные выше законы Ома и Джоуля–Ленца перестают быть применимыми для переменных токов, быстро изменяющихся с течением времени, а также в цепях, содержащих конденсаторы и катушки индуктивности. Однако при определенных условиях эти законы могут быть обобщены и для таких цепей, если переменный ток меняется не слишком быстро. Это обобщение можно сделать для

квазистационарных токов. Указанное обобщение будет рассмотрено в разделе «Колебания». Выясним условие квазистационарности тока.

Рассмотрим простейшую цепь, состоящую из источника переменного напряжения и сопротивления нагрузки (рис. 10). Протяженность (линейные размеры цепи) будем характеризовать параметром l (длина цепи). Изменение

напряжения в источнике достигнет самого удаленного участка цепи за время τ = c l , гдеc – скорость распространения

электрического поля, равная скорости света 3 108 м с . Пустьν – частота напряжения в источнике,T = ν 1 – период колебаний напряжения. Ток называется квазистационарным, если в один и тот же момент времени в любом сечении цепи сила тока одинакова. Это имеет место, еслиτ <> ν .

Вопрос: является ли ток, меняющийся с частотой 106 Гц, квазистационарным? Считаяl порядка 1 м, получаем,

3 108 Гц >> 106 Гц . Ответ: да, является. В случае, когда l= 103 м ,

3 105 Гц , ответ будет отрицательный.

1.6. Закон Ома и закон Джоуля–Ленца в дифференциальной форме

Рассмотрим элементарную трубку тока в однородной проводящей среде

(рис. 11) и применим к ней закон Ома для однородного участка цепи:

dI = ϕ 1 −ϕ 2

= ϕ 1 −ϕ 2

ϕ 1 −ϕ 2 dS

Рис. 11

ρ dl

Учтем, что

= σ,

ϕ1 −ϕ2

E , гдеЕ – напряженность электрического поля.

Получаем:

J = σE .

Уравнение (1.5) представляет собой закон Ома в дифференциальной форме, который позволяет определять распределение плотности тока, если известна напряженность электрического поля, как функция координат:

E (x ,y ,z )→ r j (x ,y ,z ). Из этого закона следует, что в проводнике линии тока совпадают с силовыми линиями электрического поля.

В случае двух типов свободных носителей зарядов:

j = q+ n+ υ + +

q−

n −υ −.

Опыт показывает, что средняя скорость упорядоченного движения пропорциональна напряженности электрического поля: υ + = μ + E ,υ − = μ − E , гдеμ + иμ – – подвижности носителей положительных и отрицательных

зарядов. Численно подвижность μ равна средней скорости упорядоченного движения носителя заряда, когда E= 1В м .

Сравнивая (1.5) и (1.6), получаем, что σ = q + n + μ + + q − n − μ − .

Если n + =n – =n иq + = q − = q , тоσ = qn (μ + +μ − ).

Рассмотрим элементарную трубку тока и применим к ней закон Джоуля–Ленца:

dQ = RI2 dt= ρ		(jdS) 2 dt= ρ			σ 2 E2 dS2 dt= σ E2 dldS dt.
Учтем, что dldS = dV			– объем элементарной трубки тока. Тогда dQ = σ E 2 dVdt .

Величина w = dtdV dQ , гдеdQ – количество теплоты, выделяемое при прохождении тока в объеме проводникаdV

за время dt , называется удельной мощностью тока.

Для удельной мощности тока получим равенство w = σ E 2 , которое называется законом Джоуля–Ленца в дифференциальной форме. Учитывая закон Ома в дифференциальной формеj = σ E = E ρ , закон Джоуля–Ленца в

дифференциальной форме может быть записан также в виде w = ρ j 2 .

В качестве примера применения закона Ома рассмотрим расчет сопротивления заземления в линиях связи. На рис. 12 показана линия связи. В этой линии передатчик П 1 и приемникП 2 соединены проводомП . Нижние клеммы передатчика и приемника соединены с металлическими листамиЗ , закопанными в землю. Земля в этой линии играет роль обратного провода.

Выясним, какие факторы влияют на сопротивление заземления. Для этого рассмотрим упрощенную задачу расчета сопротивления между двумя металлическими шарами радиуса r , находящимися в бесконечной проводящей среде с удельной электропроводностьюσ (рис. 13).

Считаем, что расстояние между шарами много больше их радиуса, что всегда имеет место для реальных линий связи. Ввиду последнего условия можно пренебречь влиянием одного шара на электрическое поле у

	поверхности другого шара. Тогда заряд q на поверхности каждого шара
			равномерно				и потенциалы ϕ 1	и ϕ 2	σ, ε
	первого и второго шаров будут, соответственно, равны (см.):
	ϕ = k		, ϕ		= −k				Рис. 13
		ε r				ε r

где k = 4 πε 1 0 ,ε – диэлектрическая проницаемость среды между шарами.

Разность потенциалов между шарами

S = 4 π k

U = ϕ −ϕ
				σ q
		ε r 2

где учтено, что площадь поверхности шара S = 4π r 2 .

С помощью закона Ома найдем сопротивление заземления, учитывая (1.7) и (1.8)

				2 πr σ

Как следует из (1.9), в рассматриваемом приближении сопротивление заземления не зависит от расстояния между шарами, а определяется их размерами и удельной электропроводностью среды между ними.

1.7. Уравнение непрерывности

Рассмотрим замкнутую поверхность S , внутри которой заключен объемV . Проведем вектор нормалиn , внешний по отношению к поверхностиS . Пусть через эту поверхностьS течет ток силойI . Тогда зарядdq ′ , прошедший через поверхностьS за времяdt , равенIdt . Согласно закону сохранения электрического заряда, изменение заряда внутри объемаV при этом равноdq = –Idt . Знак «–» здесь означает, что при положительном токеI , т.е. токе, вытекающем из объема через поверхностьS , зарядq в объемеV уменьшается, а при отрицательном токе, т.е. токе, втекающем в объемV через поверхностьS , этот заряд увеличивается (рис. 14). Таким образом, приходим к следующему уравнению:

I = −

Сила тока I , текущего через произвольную замкнутую неподвижную поверхностьS , равна взятой со знаком «–» скорости изменения зарядаq в объемеV , заключенном

внутри этой поверхности. Учитывая, что I = ∫ j n dS , а

q = ∫ ρ dV , гдеj – плотность		тока, ρ –		объемная
плотность заряда, видим, что (1.10) можно записать
следующим образом:
	jn ds= − d		ρ dV.
Производную можно внести под знак интеграла,
так как объем V не меняется с течением времени:
				jn ds= −		∂t
						∂ρ dV .
Уравнение (1.11) получило название уравнения непрерывности. Отметим, что переход к частной производной в
этом уравнении связан с тем, что ρ может зависеть не только от времени, но и от пространственных координат.
В стационарном случае, т.е. при постоянном токе,							∂ρ = 0 .	Следовательно, ∫ j n ds = 0 . Это значит, сколько
							∂t

линий тока входит внутрь любой замкнутой поверхности, столько и выходит из нее. Таким образом, линии постоянного тока нигде не начинаются и нигде не заканчиваются – они замкнуты.

Электрическое поле, существующее в среде при протекании в ней постоянного тока, имеет сходство с электростатическим полем, т.е. полем, создаваемым неподвижными заряженными телами. Это сходство проявляется, прежде всего, в том, что оба этих поля оказываются потенциальными. Для их описания можно использовать и напряженность поля, и потенциал, а также связанные с потенциалом понятия, например, эквипотенциальные поверхности.

Между электрическим полем постоянного тока и электростатическим полем имеются и существенные различия. Как известно, напряженность электростатического поля внутри

Вы уже знаете, что заряженные тела (или, говоря коротко, заряды) в электрическом поле обладают энергией, которая может быть превращена в другие виды энергии: тепловую, световую или кинетическую, как, например, в опыте с комочком ваты (см. §8-е). Во время любого из таких превращений обязательно есть электрический ток. Дадим ему определение.
Электрический ток - это направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов и/или ионов.

Например, в опыте с дисками и комочком ваты происходило направленное движение электронов: с нижнего диска на верхний. Их переносил комочек ваты (см. §8-е).
В предыдущем опыте с вертикальными дисками электроны даже не нуждались в «переносчике», так как электронный газ под действием сил поля сам перетекал из правого диска по проволоке в электроскоп. То есть, в проволоке короткое время существовал электрический ток, образованный движущимися электронами.
Познакомимся теперь с устройствами, предназначенными для создания долговременного электрического тока, - источниками электроэнергии (иногда говорят - источниками тока, но это менее желательный термин).

Известно много видов источников электроэнергии. Простейшие из них -гальванические элементы (1, 2, 3). Они превращают свою внутреннюю (химическую) энергию в энергию электрического тока. Аналогичное превращение энергии происходит и в аккумуляторах (4). Но после того, как энергия аккумулятора иссякнет, его можно вновь зарядить, и он опять будет служить источником электроэнергии. Образно выражаясь, обычные гальванические элементы - это «одноразовые», а аккумуляторы - «многоразовые» источники энергии.
Кроме одиночных аккумуляторов и гальванических элементов часто встречаются их батареи - несколько элементов, соединённых вместе. Цифрой 2 обозначена батарея гальванических элементов - «плоская батарейка», а цифрой 4 - батарея аккумуляторов для автомобиля. Цифрой 5 обозначен выпрямитель или блок питания, служащий источником электроэнергии для электронных приборов - ноутбуков, телефонов. Он берёт энергию от домашней электросети.
Любой источник электроэнергии обязательно имеет не менее двух полюсов - металлических проводников, предназначенных для присоединения потребителей электроэнергии. Например, аккумулятор или «батарейка» всегда имеют два полюса: положительный и отрицательный, обозначенные знаками «+» и «-». На положительном полюсе - недостаток электронов, на отрицательном - их избыток. Назначение источника электроэнергии - создание и долговременное поддержание неодинаковой электризации своих полюсов. Рассмотрим это на конкретном примере (см. рисунок).

Присоединим к «батарейке» лампочку от карманного фонарика. Избыточные электроны, всегда имеющиеся на отрицательном полюсе, в момент соединения контактов двинутся к положительному полюсу батарейки. Это приведёт к частичной нейтрализации зарядов на полюсах. Поэтому если внутри батарейки электроны под воздействием каких-либо сторонних сил не будут вновь попадать на отрицательный полюс, ток быстро прекратится, и лампочка погаснет. Но этого не происходит, значит, ток есть и внутри батарейки.
Обратите внимание: снаружи источника электроны движутся от «-» к «+», как и должны двигаться отрицательные частицы, находящиеся в электрическом поле. Однако внутри источника электроны движутся от «+» к «-». Такое движение вопреки силам электрического поля возможно лишь под воздействием так называемых сторонних сил , которые не имеют отношения к силам электрического поля; они возникают и совершают работу за счёт внутренней (химической) энергии батарейки.
Исторически так сложилось, что току приписывают направление от «+» источника к его «-» через потребители. Физики об этом договорились несколько веков назад, когда не знали о существовании электронов. Тогда же появилось и не вполне удачное название «источник тока», так как теперь мы знаем, что у электрического тока нет «истоков» и «стоков»: ток циркулирует по проводникам, подобно воде в замкнутой трубе с насосом.

Вспомним, что назначение любого источника тока - долговременное поддержание неодинаковой электризации его полюсов, чтобы между ними существовало электрическое поле (см. § 8-ж). Только оно может заставить двигаться электроны в проводах и потребителях, приводя к нужному нам действию тока.
Обратимся к опыту (см. рисунок). Через обе лампы проходит ток одинаковой силы: 0,4 А. Но большая лампа светит ярче, то есть работает с большей мощностью, чем маленькая. Получается, мощность может быть различной при одинаковой силе тока.

Это действительно так, поскольку кроме силы тока, мощность зависит ещё от одной физической величины - электрического напряжения . Известно, что напряжение, создаваемое «батарейкой», меньше напряжения, создаваемого электросетью в розетке. Это значит, что поле между полюсами батарейки, двигая электроны по проводам и лампе слева, создаёт ток меньшей мощности, чем поле между контактами в розетке, двигающее электроны по проводам и лампе справа. Поэтому яркость ламп различна.
В физике зависимость электрической мощности одновременно от силы тока и напряжения представляют произведением:

По международному соглашению единицей электрического напряжения служит 1 вольт (1 В) - такое напряжение, которое при силе тока 1 А создаёт ток мощностью 1 Вт.
Для измерения напряжения используют приборвольтметр. Его всегда присоединяют параллельно тому участку цепи, на котором меряют напряжение.
Чтобы выяснить законы распределения напряжений в цепях с различным соединением проводников, проделаем опыты.
Измерим напряжение на различных участках цепи, состоящей из реостата и лампы, соединённых последовательно. Сначала измерим напряжение на всём соединении: U общ = 5 В (см. схему «а»). Затем - на лампе: U 1 = 4 В (схема «б»). И, наконец, напряжение на реостате: U 2 = 1 В (схема «в»).



в цепи с последовательным соединением проводников напряжение на всём соединении равно сумме напряжений на отдельных проводниках:

Измерим напряжение на различных участках цепи с параллельным соединением двух ламп (заметим: они вовсе не обязательно одинаковые). На схеме «г» вольтметр измеряет общее напряжение: U общ = 5 В. На схемах «д» и «е» - напряжение на каждой из ламп: U 1 = 5 В, U 2 = 5 В.



Эти, а также аналогичные измерения показывают, что в цепи с параллельным соединением проводников напряжение на каждом из проводников равно напряжению на всём соединении: