Какими свойствами обладает постоянный электрический ток. Постоянный ток, его характеристики. Условия необходимые для существования электрического тока

Направленное (упорядоченное) движение свободных заряженных частиц под действием электрического поля называется электрическим током .

Условия существования тока :

1. Наличие свободных зарядов.

2. Наличие электрического поля, т.е. разности потенциалов. Свободные заряды имеются в проводниках. Электрическое поле создается источниками тока.

При прохождении тока через проводник он оказывает следующие действия:

· Тепловое (нагревание проводника током). Например: работа электрического чайника, утюга и т.д.).

· Магнитное (возникновение магнитного поля вокруг проводника с током). Например: работа электродвигателя, электроизмерительных приборов).

· Химическое (химические реакции при прохождении тока через некоторые вещества). Например: электролиз.

Можно также говорить о

· Световом (сопровождает тепловое действие). Например: свечение нити накала электрической лампочки.

· Механическом (сопровождает магнитное или тепловое). Например: деформация проводника при нагревании, поворот рамки с током в магнитном поле).

· Биологическом (физиологическом). Например: поражение человека током, использование действия тока в медицине.

Основные величины, описывающие процесс прохождения тока по проводнику .

1. Сила тока I - скалярная величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, промежутку времени, в течение которого шел ток. Сила тока показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Ток называют постоянным , если сила тока не меняется со временем. Для того чтобы ток через проводник был постоянным необходимо, чтобы разность потенциалов на концах проводника была постоянной.

2. Напряжение U . Напряжение численно равно работе электрического поля по перемещению единичного положительного заряда вдоль силовых линий поля внутри проводника.

3. Электрическое сопротивление R - физическая величина, численно равная отношению напряжения (разности потенциалов) на концах проводника к силе тока, проходящего через проводник.

60. Закон Ома для участка цепи.

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению:

I = U / R;

Ом установил, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника.

где ρ - удельное сопротивление, l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения проводника.

61. Сопротивление как электрическая характеристика резистора. Зависимость сопротивления металлических проводников от рода материала и геометрических размеров.

Электри́ческое сопротивле́ние - физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему. Сопротивление для цепей переменного тока и для переменных электромагнитных полей описывается понятиями импеданса и волнового сопротивления.

Сопротивление (часто обозначается буквой R или r) считается, в определённых пределах, постоянной величиной для данного проводника; её можно рассчитать как

Где R - сопротивление; U - разность электрических потенциалов на концах проводника; I - сила тока, протекающего между концами проводника под действием разности потенциалов.

Сопротивление проводника является такой же характеристикой проводника как и его масса. Сопротивление проводника не зависит ни от силы тока в проводнике, ни от напряжения на его концах, а зависит только от рода вещества, из которого изготовлен проводник и его геометрических размеров: , где: l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения проводника, ρ - удельное сопротивление проводника, показывающее каким сопротивлением будет обладать проводник длиной 1 м и площадью сечения 1 м 2 , изготовленный из данного материала.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при достаточно больших токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Зависимость сопротивления проводника от температуры выражается формулой: , где: R - сопротивление проводника при температуре Т, R 0 - сопротивление проводника при температуре 0ºС, α - температурный коэффициент сопротивления.

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. Сила электрического тока. Вектор плотности тока. Электрическое сопротивление проводников. Сторонние силы. Электродвижущая сила. Разность электрических потенциалов, электрическое напряжение. Законы Ома и Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах. Электрический ток в сплошной среде. Правила Кирхгофа.

В проводниках (твёрдых, жидких и газообразных), помещённых в электрическое поле, возникает электрический ток .

Электрический ток - это направленное, упорядоченное движение электрически заряженных частиц . Такими частицами могут быть электроны или ионы (электронная или ионная проводимость). За направление электрического тока принято направление движения положительных электрических зарядов . Постоянный электрический ток - это ток, при котором за единицу времени через любое поперечное сечение проводника протекает одинаковый электрический заряд .

О наличии в цепи электрического тока судят по косвенным признакам - по магнитному, тепловому или химическому действию этого тока. Химическое действие не проявляется только в металлах , тепловое действие - только в сверхпроводниках . Магнитное действие тока проявляется всегда . Фарадей говорил: «Нет действия более характерного для тока, чем его магнитное действие». Это явление лежит в основе работы электроизмерительных приборов.

Условия существования электрического тока - наличие электрического поля и свободных носителей заряда.

Для поддержания непрерывного тока должна существовать замкнутая цепь и устройство, разделяющее заряды и поддерживающее напряжение в цепи . Эти устройства называются источниками или генераторами тока .

Электрическое поле перемещает заряды от большего потенциала  1 к меньшему  2 ( 1 >  2 ). В замкнутой цепи потенциальные силы, осуществляющие это перемещение, не могут поддерживать постоянный электрический ток, так как = 0 (здесь - напряжённость электростатического поля,- элемент длины контура). Для поддержания в цепи постоянного тока на каком-то её участке заряды должны перемещатьсяот меньшего потенциала  2 к большему  1 . Это может происходить внутри источника тока и только под воздействием сил, имеющих не потенциальную природу , так называемых сторонних сил . Действие сторонних сил характеризуется электродвижущей (электроразделительной) силой - ЭДС . Мерой ЭДС является разность потенциалов на разомкнутых клеммах источника тока . ЭДС обозначается  и измеряется в вольтах [  ] = 1 В . В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль всего контура :

 = , (1)

где - напряжённость поля сторонних сил,- элемент длины контура.

Сторонние силы могут иметь химическую природу - гальванические элементы, аккумуляторы, электромагнитную природу - электрогенераторы, фотоэлектрическую - фотоэлементы и т.д.

Физическая величина, характеризующая работу и электрических, и сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по замкнутому контуру, называется напряжением :

U = ( 1 -  2 )   . (2)

Количественными характеристиками электрического тока являются сила тока и плотность тока .

Сила тока - скалярная величина, равная заряду, переносимому через поперечное сечение проводника за единицу времени :

I = . (3)

В СИ сила тока измеряется в амперах: [ I ] = 1A .

Плотность тока - векторная величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения s  проводника :

J = . (4)

Вектор плотности тока ориентирован по направлению упорядоченного движения положительных зарядов и равен

где n - концентрация носителей заряда, e - их заряд (элементарный заряд), - вектор скорости упорядоченного движения зарядов в проводнике. В СИ плотность тока измеряется в амперах, делённых на квадратный метр: = 1A/м 2 .

Постоянный электрический ток возникает под действием постоянного напряжения и может существовать только в замкнутой цепи . При этом I и не изменяются с течением времени .

В однородной среде - I = J s  , (6)

в неоднородной - I = . (7)

Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов..

Для возникновения и существования электрического тока необходимо, с одной стороны, наличие свободных носителей тока - заряженных частиц, способных переме­щаться упорядоченно, а с другой - наличие электрического поля, энергия которого, каким-то образом восполняясь, расходовалась бы на их упорядоченное движение. За направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I скалярная физи­ческая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

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

где Q - электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение провод­ника. Единила силы тока - ампер (А).

Физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площа­ди поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока, называется плотностью тока:

Выразим силу и плотность тока через скорость áv ñ упорядоченного движения зарядов в проводнике. Если концентрация носителей тока равна n и каждый носитель имеет элементарный заряд е (что не обязательно для ионов), то за время dt через поперечное сечение S проводника переносится заряд dQ=ne áv ñ S dt. Сила тока

а плотность тока

(96.1)

Плотность тока - вектор, ориентированный по направлению тока, т. е. направление вектора j совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов. Единица плотности тока - ампер на метр в квадрате (А/м 2).

Сила тока сквозь произвольную поверхность S определяется как поток вектора j , т. е.

где dS =n dS (n - единичный вектор нормали к площадке dS, составляющей с век­тором j угол a).

2. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение

Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей (они предполагаются положительными) от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Это приведет к выравнива­нию потенциалов во всех точках цепи и к исчезновению электрического поля. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называютсяисточниками тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называютсясторонними.

Природа сторонних сил может быть различной. Например, в гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами; в генераторе – за счет механической энергии вращения ротора генератора и т. п. Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток.

Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов. Физи­ческая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при переме­щении единичного положительного заряда, называетсяэлектродвижущей силой (э.д.с.),действующей в цепи:

Эта работа производятся за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину можно также называть электродвижущей силой источника тока, включен­ного в цепь.

Сторонняя сила F ст, действующая на заряд Q 0 , может быть выражена как

где Е – напряженность поля сторонних сил. Работа же сторонних сил по перемещению заряда Q 0 на замкнутом участке цепи равна

выражение для э. д. с., действующей в цепи:

т. е. э.д.с., действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил. Э.д.с., действующая на участке 1 -2 , равна

На заряд Q 0 помимо сторонних сил действуют также силы электростатического поля F e =Q 0 E . Таким образом, результирующая сила, действующая в цепи на заряд Q 0 , равна