Які властивості має постійний електричний струм. Постійний струм, його показники. Умови необхідні існування електричного струму

Спрямований (упорядкований) рух вільних заряджених частинок під дією електричного поляназивається електричним струмом.

Умови існування струму:

1. Наявність вільних зарядів.

2. Наявність електричного поля, тобто. різниці потенціалів. Вільні заряди є у провідниках. Електричне полестворюється джерелами струму.

При проходженні струму через провідник він робить наступні дії:

· Теплове (нагрівання провідника струмом). Наприклад: робота електричного чайника, праски і т.д.).

· Магнітне (виникнення магнітного полянавколо провідника зі струмом). Наприклад: робота електродвигуна, електровимірювальних приладів).

· Хімічна (хімічні реакції при проходженні струму через деякі речовини). Наприклад: електроліз.

Можна також говорити про

· Світловому (супроводжує теплову дію). Наприклад: свічення нитки розжарення електричної лампочки.

· Механічному (супроводжує магнітне або теплове). Наприклад: деформація провідника при нагріванні, поворот рамки зі струмом магнітному полі).

· Біологічному (фізіологічному). Наприклад: ураження людини струмом, використання дії струму у медицині.

Основні величини, що описують процес проходження струму провідником.

1. Сила струму I- скалярна величина, що дорівнює відношенню заряду, що пройшов через поперечний переріз провідника, проміжку часу, протягом якого йшов струм. Сила струму показує, який заряд відбувається через поперечний переріз провідника за одиницю часу. Струм називають постійнимякщо сила струму не змінюється з часом. Для того, щоб струм через провідник був постійним необхідно, щоб різниця потенціалів на кінцях провідника була постійною.

2. Напруга U. Напруга чисельно дорівнює роботі електричного поля по переміщенню одиничного позитивного заряду вздовж силових лінійполя всередині провідника.

3. Електричний опір R- фізична величина, чисельно рівна відношенню напруги (різниці потенціалів) на кінцях провідника до сили струму, що проходить через провідник.

60. Закон Ома для ділянки ланцюга.

Сила струму в ділянці ланцюга прямо пропорційна напрузі на кінцях цього провідника і обернено пропорційна його опору:

I = U/R;

Ом встановив, що опір прямо пропорційно довжині провідника і обернено пропорційно площі його поперечного перерізу і залежить від речовини провідника.

де ρ – питомий опір, l – довжина провідника, S – площа поперечного перерізу провідника.

61. Опір як електрична характеристикарезистора. Залежність опору металевих провідників від роду матеріалу та геометричних розмірів.

Електричний опір- фізична величина, що характеризує властивості провідника перешкоджати проходженню електричного струму і дорівнює відношенню напруги на кінцях провідника до сили струму, що протікає по ньому. Опір для ланцюгів змінного струмуі змінних електромагнітних полів описується поняттями імпедансу і хвильового опору.

Опір (часто позначається буквою R або r) вважається, у певних межах, постійною величиною даного провідника; її можна розрахувати як

Де R – опір; U - різницю електричних потенціалів на кінцях провідника; I - сила струму, що протікає між кінцями провідника під дією різниці потенціалів.

Опір провідника є такою самою характеристикою провідника, як і його маса. Опір провідника не залежить ні від сили струму у провіднику, ні від напруги на його кінцях, а залежить тільки від роду речовини, з якої виготовлений провідник та його геометричних розмірів: , де: l - довжина провідника, S - площа поперечного перерізу провідника, ρ - питомий опір провідника, що показує який опір матиме провідник довжиною 1 м і площею перерізу 1 м 2 виготовлений з даного матеріалу.

Провідники, які підпорядковуються закону Ома, називають лінійними. Існує багато матеріалів та пристроїв, які не підкоряються закону Ома, наприклад, напівпровідниковий діодчи газорозрядна лампа. Навіть у металевих провідників за досить великих струмів спостерігається відхилення від лінійного закону Ома, оскільки електричний опір металевих провідників зростає зі зростанням температури.

Залежність опору провідника від температури виражається формулою: де: R - опір провідника при температурі Т, R 0 - опір провідника при температурі 0ºС, α - температурний коефіцієнт опору.

Постійний електричний струм, його характеристики та умови існування. Сила електричного струму. Вектор щільність струму. Електричний опір провідників. Сторонні сили. Електрорушійна сила. Різниця електричних потенціалів, електричне напруження. Закони Ома та Джоуля-Ленца в інтегральній та диференційній формах. Електричний струм у суцільному середовищі. Правила Кірхгофа.

У провідниках (твердих, рідких та газоподібних), поміщених в електричне поле, виникає електричний струм .

Електричний струм - це спрямований, упорядкований рух електрично заряджених частинок . Такими частинками можуть бути електрони чи іони (електронна чи іонна провідність). За напрямок електричного струму прийнято напрямок руху позитивних електричних зарядів . Постійний електричний струм- це струм, за якого за одиницю часу через будь-який поперечний переріз провідника протікає однаковий електричний заряд .

Про наявність у ланцюгу електричного струму судять за непрямими ознаками – за магнітної, теплової або хімічної дії цього струму. Хімічне дія не виявляється тільки у металах , теплове дія - тільки у надпровідниках . Магнітна дія струму виявляється завжди . Фарадей говорив: "Немає дії більш характерного для струму, ніж його магнітна дія". Це лежить в основі роботи електровимірювальних приладів.

Умови існування електричного струму - наявність електричного поля та вільних носіїв заряду.

Для підтримки безперервного струму повинен існувати замкнутий ланцюг та пристрій, що розділяє заряди та підтримує напругу в ланцюгу . Ці пристрої називаються джерелами або генераторами струму .

Електричне поле переміщує заряди від більшого потенціалу  1 до меншого  2 ( 1 >  2 ). У замкнутому ланцюгу потенційні сили, що здійснюють це переміщення, не можуть підтримувати постійний електричний струм, оскільки = 0 (Тут - напруженість електростатичного поля, - елемент довжини контуру). Для підтримки в ланцюзі постійного струмуна якійсь її ділянці заряди мають переміщатися від меншого потенціалу 2 на більший 1 . Це може відбуватися всередині джерела струму і лише під впливом сил, які мають не потенційну природу, так званих сторонніх сил . Дія сторонніх сил характеризується електрорушійної (електророзділювальної) силою - ЕРС . Мірою ЕРС є різниця потенціалів на розімкнених клемах джерела струму . ЕРС позначається  і вимірюється у вольтах [  ] = 1 В. У замкнутому провідному контурі ЕРС дорівнює роботі сторонніх сил по переміщенню одиничного позитивного заряду вздовж всього контуру:

 = , (1)

де - Напруженість поля сторонніх сил, - елемент довжини контуру.

Сторонні сили можуть мати хімічну природу - гальванічні елементи, акумулятори, електромагнітну природу - електрогенератори, фотоелектричну- Фотоелементи і т.д.

Фізична величина, що характеризує роботу електричних і сторонніх сил по переміщенню одиничного позитивного заряду по замкнутому контуру, називається напругою:

U = ( 1 -  2 )   . (2)

Кількісними характеристикамиелектричного струму є сила струму і щільність струму .

Сила струму - скалярна величина, що дорівнює заряду, що переноситься через поперечний переріз провідника за одиницю часу:

I = . (3)

У СІ сила струму вимірюється в амперах: [ I] = 1A.

Щільність струму - векторна величина, яка визначається силою струму, що проходить через одиницю площі поперечного перерізу s  провідника :

J = . (4)

Вектор щільності струму орієнтований на спрямування упорядкованого руху позитивних зарядів і дорівнює

де n- Концентрація носіїв заряду, e- їхній заряд (елементарний заряд), - вектор швидкості впорядкованого руху зарядів у провіднику. У СІ щільність струму вимірюється в амперах, поділених на квадратний метр: = 1A/м 2 .

Постійний електричний струм виникає під дією постійної напруги і може існувати тільки у замкнутому ланцюгу . При цьому Iі не змінюються з часом .

У однорідний середовищі I = Js  , (6)

в неоднорідний - I = . (7)

Електричним струмомназивається будь-який упорядкований (спрямований) рух електричних зарядів.

Для виникнення та існування електричного струму необхідно, з одного боку, наявність вільних носіїв струму- заряджених частинок, здатних переміщатися впорядковано, з другого - наявність електричного поля,енергія якого, якимось чином поповнюючись, витрачалася на їх упорядкований рух. За напрямок струму умовноприймають напрямок руху позитивних зарядів.

Кількісним заходом електричного струму служить сила струму Iскалярна фізична величина, що визначається електричним зарядом, що проходить через поперечний переріз провідника в одиницю часу:

Якщо сила струму та його напрямок не змінюються з часом, то такий струм називається постійним. Для постійного струму

де Q -електричний заряд, що проходить за час tчерез поперечний переріз провідника. Єднала сили струму – ампер (А).

Фізична величина, що визначається силою струму, що проходить через одиницю площі поперечного перерізу провідника, перпендикулярного напрямку струму, називається щільністю струму:

Виразимо силу та щільність струму через швидкість á v ñ упорядкованого руху зарядів у провіднику. Якщо концентрація носіїв струму дорівнює nі кожний носій має елементарний заряд е(що не обов'язково для іонів), то за час dtчерез поперечний переріз Sпровідника переноситься заряд dQ=neá v ñ S d t.Сила струму

а щільність струму

(96.1)

Щільність струму - вектор,орієнтований за напрямом струму, тобто напрям вектора jзбігається із напрямом упорядкованого руху позитивних зарядів. Одиниця щільності струму – ампер на метр у квадраті (А/м 2 ).

Сила струму крізь довільну поверхню Sвизначається як потік вектора j, тобто.

де d S=n d S (n- одиничний вектор нормалі до майданчика d S,складника з вектором jкут a).

2. Сторонні сили. Електрорушійна сила та напруга

Якщо в ланцюзі на носії струму діють лише сили електростатичного поля, відбувається переміщення носіїв (вони передбачаються позитивними) від точок з великим потенціалом до точок з меншим потенціалом. Це призведе до вирівнювання потенціалів у всіх точках ланцюга та зникнення електричного поля. Тому для існування постійного струму необхідна наявність у ланцюгу пристрою, здатного створювати та підтримувати різницю потенціалів за рахунок роботи сил неелектростатичного походження. Такі пристрої називаються джерелами струму. Сили неелектростатичного походження,що діють на заряди з боку джерел струму, називаються сторонніми.

Природа сторонніх сил може бути різною. Наприклад, у гальванічних елементах вони виникають за рахунок енергії хімічних реакцій між електродами та електролітами; в генераторі - за рахунок механічної енергії обертання ротора генератора і т. п. Під дією поля сторонніх сил, що створюється, електричні заряди рухаються всередині джерела струму проти сил електростатичного поля, завдяки чому на кінцях ланцюга підтримується різниця потенціалів і в ланцюгу тече постійний електричний струм.

Сторонні сили виконують роботу з переміщення електричних зарядів. Фізична величина, яка визначається роботою, що здійснюється сторонніми силами при переміщенні одиничного позитивного заряду, називається електрорушійною силою(е.д.с.), що діє в ланцюзі:

Ця робота виробляються за рахунок енергії, що витрачається в джерелі струму, тому величину можна називати електрорушійною силою джерела струму, включеного в ланцюг.

Стороння сила Fст, що діє на заряд Q 0 , може бути виражена як

де Е- Напруженість поля сторонніх сил. Робота ж сторонніх сил щодо переміщення заряду Q 0 на замкнутій ділянці ланцюга дорівнює

вираз для е. д. с., що діє в ланцюзі:

т. е. е.д.с., що діє в замкнутому ланцюзі, може бути визначена як циркуляція вектора напруженості поля сторонніх сил. Е.Д.С., що діє на ділянці 1 -2 , дорівнює

На заряд Q 0 крім сторонніх сил діють також сили електростатичного поля F e = Q 0 E. Таким чином, результуюча сила, що діє в ланцюзі на заряд Q 0 , рівна