Яка величина є кількісною характеристикою електричного струму. Характеристики електричного струму та умови його існування. Електрорушійна сила, напруга. Класична електронна теорія електропровідності металів

Електричним струмом називається спрямований (упорядкований) рух електричних зарядів(Рис.13.1). Самі ці частки називають носіями струму.

Струм може йти у твердих тілах, рідинах та газах. Якщо середовище є провідником з великою кількістю вільних електронів, то протягом електричного струму здійснюється рахунок дрейфу цих електронів. Дрейф електронів у провідниках, не пов'язаний із переміщенням речовини, називають струмом провідності. До струму провідності належить упорядкований рух електронів у провідниках, іонів в електролітах, електронів та дірок у напівпровідниках, іонів та електронів у газах. Упорядковане переміщення електричних зарядів, пов'язане з переміщенням у просторі зарядженого тіла, називають конвекційним струмом.

За напрямок струмуприйнятий дрейф позитивних зарядів (електрони провідності завжди рухаються у напрямку, протилежному напрямку струму (від «+» до «-»)). Це може здатися незручним, але тепер не потрібно розрізняти напрямок струму в провіднику і електростатичного поля, що викликає цей струм: ці напрямки завжди збігаються.

Сила струму - скалярна величина, що дорівнює відношенню кількості електрики dq, яка за час dt переноситься через даний переріз провідника, до часу dt:

Постійним струмомназивають електричний струм, сила та напрямок якого з часом не змінюються. Для постійного струму

де q - Електричний заряд, що проходить за час t через поперечний переріз провідника.

Одиниця сили струму – ампер (А).

Визначимо швидкість, з якою здійснюється дрейф електронів у провіднику зі струмом.

Шлях за час Δt через переріз провідника S пройшло N електронів із сумарним зарядом Δq = Nе. Якщо швидкість спрямованого руху електронів дорівнює υ, то за час Δt усі вони виявляться в межах ділянки завдовжки ℓ = υ Δt та об'ємом V=Sℓ. Таким чином,

виразивши тут кількість носіїв струму через їхню концентрацію (N = nV= nSℓ)

Відношення сили струму І до площі поперечного перерізу провідника S, перпендикулярного до напряму струму – є векторна величина звана щільністю струму.

Тоді швидкість електронів у провіднику можна записати

, звідси

Щільність струму може бути обчислена за формулою

j = ne‹υ› (13.4)

Таким чином, щільність струмуу провіднику пропорційна концентрації вільних електронів у ньому та швидкості їх руху.

Вектор j спрямований вздовж напрямку струму, тобто. збігається із напрямом упорядкованого руху позитивних зарядів.

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

(13.5)

де dS = n∙dS (n = одиничний вектор нормалі до майданчика dS, що становить вектор j кут α).

Електричне поле постійного струму називається стаціонарним . На відміну від електростатичного поля стаціонарне електричне полестворюється зарядами, що рухаються. Однак розподіл цих зарядів у провіднику з постійним струмом не змінюється з часом: на місце електричних зарядів, що йдуть, безупинно приходять нові. Тому електричне поле, яке створюється цими зарядами, виявляється майже таким самим, як і поле нерухомих зарядів.

Відрізняються вони тим, що електростатичне поле всередині провідника відсутня, тоді як стаціонарне поле постійних струмів існує і всередині провідників (інакше по них не йшов би струм).

Лекція №20

ПОСТОЯННИЙ ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ

План

Характеристики електричного струму та умови його існування. Електрорушійна силанапруга.
Класична електронна теорія електропровідності металів.
Виведення законів Ома та Джоуля – Ленца з електронних уявлень.
Труднощі класичної електронної теорії.
Закони Кірхгофа.

1. Характеристики електричного струму та умови його існування.

У електростатикививчалися явища, зумовлені нерухомими зарядами. Якщо з якоїсь причини виникає упорядкований рух зарядів і через поверхню переноситься заряд, відмінний від нуля, то кажуть, що виникає електричний струм.

Кількісною характеристикою електричного струму є сила струму – величина заряду, що переноситься через розглянуту поверхню в одиницю часу. Якщо за час через поверхню переноситься заряд

, то сила струму дорівнює:

Одиницею сили струму є ампер (А). За напрямок струмуприймається напрям, у якому переміщуються позитивні заряди чи напрям, протилежне напрямку руху негативних зарядів. Вільні заряди, що переміщуються у середовищі, називаються носіями струму.

Електричний струмможе бути розподілений нерівномірнопо поверхні, якою він тече. Більш детально струм можна охарактеризувати за допомогою вектора щільності струму . Нехай заряджені частинки рухаються у певному напрямку зі швидкістю . Вектор щільності струмуназивається вектор, за напрямом збігається з напрямом швидкості позитивних зарядів (або проти напрямку швидкості негативних зарядів), а по абсолютної величини рівний відношенню сили струму

через елементарний майданчик

, розташовану в даній точці простору перпендикулярно до руху носіїв, до її площі.

Число носіїв струму в одиниці об'єму називається щільністю носіїв струму. Заряд окремого носія позначатиметься .

Якщо вільними зарядами є, наприклад, електрони, а позитивні заряди нерухомі (це має місце у металах), то щільність носіїв збігатиметься з числом вільних електронів в одиниці об'єму.

У
Мал. 20.1
вектор щільності струму можна виразити через щільність носіїв струму та швидкість їхнього руху. Кількість заряду, перенесеного за час через деяку поверхню , перпендикулярну до вектора швидкості (рис. 20.1),

. За час майданчик перетнуть всі вільні заряди в паралелепіпеді з основою та довжиною

. Якщо майданчик досить мала, то щільність струму її межах вважатимуться постійної і тоді:

.

У векторній формі:

Сила струму через довільну поверхню

Електричний струм, обумовлений рухом вільних зарядіву провідниках різної природи, називається струмом провідності.

Вільні заряди у провіднику зазнають зіткнень з атомами провідника. За час «вільного пробігу» між двома зіткненнями заряд у провіднику набуває спрямовану швидкістьвздовж зовнішнього електричного поля:

Де напруженість електричного поля у провіднику. Після чергового зіткнення швидкість втрачається. Потім до наступного зіткнення відбувається нове нарощування спрямованої швидкості.

З вищевикладеного випливає, що умовами існування струму є:

а) наявність вільних зарядів;

Б) Наявність електричного поля всередині провідника, щоб підтримувати рух зарядів.

Електрорушійна сила, напруженість .

Якби носій струму діяли лише сили електростатичного поля, то під дією цих сил позитивні носії переміщалися б з місця з більшим потенціалом до місця з меншим потенціалом, а негативні носії рухалися б у зворотному напрямку. Це призвело б до вирівнювання потенціалів, і в результаті струм би припинився. Щоб цього не сталося, повинні бути ділянки на яких перенесення позитивних зарядів відбувається у бік зростання , тобто. проти сил електростатичного поля. Перенесення носіїв на цих ділянках можливе лише за допомогою сил не електростатичного походження, які називаються сторонніми силами. Фізична природа сторонніх сил може бути різною. Наприклад, хімічна (як в акумуляторах), механічна, магнітна та інші.

Величина, що дорівнює відношенню роботи сторонніх сил щодо перенесення заряду до величини цього заряду називається електрорушійною силою(ЕРС).

ЕРС вимірюється у тих самих одиницях як і потенціал, тобто. у вольтах (В).

Сторонню силу, що діє на заряд, можна подати у вигляді

, де

- напруженість поля сторонніх сил. Робота сторонніх сил над зарядом на деякій ділянці 1-2:

Розділивши обидві частини згідно з визначенням ЕРС на заряд, отримаємо:

Для замкнутого ланцюга:

ЕРС, що діє у замкнутому ланцюгу, може бути визначено як циркуляцію вектора напруженості сторонніх сил.

Окрім сторонніх сил на заряд діють сили електростатичного поля

. Результуюча сила, що діє в кожній точці ланцюга на заряд, дорівнює:

Робота, що чиниться цією силою над зарядом на ділянці ланцюга 1-2, визначається виразом

. Т.к.

, а

тоді робота дорівнює .

Р Розділимо обидві частини на . У лівій частині відношення

позначимо

. Величина, чисельно рівна відношенню роботи та електростатичних і сторонніх сил по переміщенню заряду до величини цього заряду називається падінням напруги або просто напругою на даній ділянці ланцюга .

Таким чином (рис. 20.2),

Мал. 20.2

Зауважимо, якщо на ділянці відсутня ЕРС, то

. (Для замкнутого ланцюга точки 1 і 2 збігаються,

і тоді

.) Можна показати, що

, де - повний опірланцюги і тоді

Це рівняння виражає закон Ома для неоднорідної ділянки ланцюга (з ЕРС).

2. Класична електронна теорія електропровідності металів та її недостатність.

Внутрішня структура металівхарактеризується кристалічною решіткою. У вузлах кристалічних ґрат знаходяться позитивні іони; у просторі з-поміж них практично вільно рухаються узагальнені електрони. Німецький фізик П. Друде припустив, що електрони ведуть себе як частинки ідеального газу, і запропонував використатидля опису їхньої поведінки відомі формули кінетичної теорії газів.

Система вільнихузагальнених у кристалічній решітці електронів називається електронним газом. На відміну від молекул газу, пробіг яких визначався зіткненням молекул один з одним, електрони стикаютьсяпереважно не між собою, а з іонамиутворюють кристалічну решітку металу. Цими зіткненнями обумовленозокрема, опір металу електричному струму.

Хаотичний тепловий рухелектронів у металах можна характеризувати середньою швидкістю

(для кімнатних температур

). За наявності зовнішнього поля електрони мають ще деяку середньою швидкістю спрямованого руху. Зазвичай

, тобто

.

3. Виведення законів Ома та Джоуля-Ленца з електронних уявлень.

Закон Ома.

Середній шлях, що проходить вільно електронами, що рухаються вільно між двома послідовними зіткненнямиз іонами грати називається середньою довгою вільного пробігу . Середній час між двома зіткненнями

(Визначається швидкістю хаотичного руху). За наявності поля спрямована швидкістьелектронів накопичується за час вільного пробігуі до моменту наступного зіткнення досягає максимальної величини:

Швидкість змінюється під час пробігу лінійно. Тому її середняза пробіг значення дорівнює половині максимального значення.

Щільність струму:

Коефіцієнт пропорційності між і позначимо

(

- Провідність). В результаті отримаємо закон Ома у локальній формі(Параметри відносяться до даної точки перерізу провідника).

Щільність струму у провіднику пропорційна напруженості електричного поля. Коефіцієнтом пропорційності є провідність. (Примітка. Порівняємо отриману формулу з відомою

. Провідність обернено пропорційна питомому опору

. Щільність струму

. Напруженість поля

(- Довжина провідника). Тоді

, або

, Що і потрібно.)

Закон Джоуля – Ленца.

До кінця вільного пробігу електрон набуває додаткової кінетичної енергії, середнє значення якої дорівнює:

(Нагадаємо:

).

Зіткнувшись з атомом, електрон, за припущенням, повністю передаєнабуту їм енергію кристалічних ґрат. Повідомлена решітці енергія йде на збільшення внутрішньої енергіїметалу, виявляючись у його нагріванні.

Кожен електрон зазнає за секундув середньому

зіткнень. Позначимо число електронів провідності в одиниці обсягу, тоді повна енергія, передана електронами за одиницю часу в одиниці обсягудорівнюватиме:

Знаючи, що

в результаті отримаємо закон Джоуля - Ленца у локальній формі:

Теплова потужність, що виділяється в одиниці об'єму при протіканні електричного струму, пропорційна квадрату напруженості поля.

Переходячи від і

до і : (,

), отримаємо

, або

Отримали іншу форму закону Джоуля – Ленца. (Об'ємна щільністьтеплової потужності дорівнює добутку питомого опору на квадрат густини струму).

4. Труднощі класичної електронної теорії електропровідності металів.

Класична теорія змогла пояснитиотримані раніше експериментально закони Ома та Джоуля – Ленца, але є і суттєві труднощі. Основними є такі:

Є й інші труднощі й у цьому недостатність класичної теорії.

Сучасна квантова теоріяелектропровідність металів показує, що всі труднощі класичної теорії пов'язані з тим, що уявлення проелектронах як ідеальному газіє грубим наближенням. Насправді електрони всередині металу є такими вільними, як це випливає з класичної теорії.

У сучасній квантовій теорії показується, що електрони всередині металу, як і електрони в атомі, не можуть мати будь-яку енергію, а лише цілком дискретні значення енергії – енергія електронів квантується.

5. Закони Кірхгофа

Зауважимо, що вузол - це точка, де сходяться три і більше струми. Наприклад, для рис. 20.3 перший закон запишеться так:

2. Другий закон Кірхгофа(він відноситься до будь-якого виділеного в ланцюзі замкнутого контуру):

Алгебраїчна сума творів сил струмів в окремих ділянках довільного замкнутого контуру на їх опір(Сума падінь напруг) дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС, що діють у цьому контурі.

Застосуванняцих законів розглянемо на наступному прикладі. Дано електричний ланцюг (рис. 20.4)

Дано:

В,

В,

В,

Ом,

Ом….

Ом.

Потрібнознайти струми

.

Для вузла А складемо рівняння за першим законом Кірхгофа:

Для контуру I запишемо рівняння відповідно до 2-го закону Кірхгофа.

Мал. 20.4

Причому падіння напруги та ЕРС беруться зі знаком «+» якщо струми та ЕРС збігаються з напрямом обходу (для контуру I ми вибрали напрям обходу «за годинниковою стрілкою». Напрямок ЕРС вказано на схемі стрілками

). Таким чином:

Нехай другий контур збігається із зовнішнім обходом ланцюга та напрямок обходу також за годинниковою стрілкою. Тоді другий закон Кірхгофа для контуру II:

Отже, отримали систему рівнянь:

Вирішуємо цю систему лінійних рівнянь за допомогою визначників (метод Крамера).

(А);

(А).

Негативні результати означають, що насправді напрямок струмів і протилежно вказаним на рис. 20.4.

Запитання для самоконтролю.

Що називається електричним струмом та які умови існування струму провідності?
Назвіть характеристики електричного струму.
На яких уявленнях базується класична електронна теорія металів?
Чим відрізняються локальна та інтегральна форми законів Ома та Джоуля-Ленца?
Що таке стороння сила? Наведіть приклади джерел ЕРС, у яких діють різні сторонні сили.
Сформулюйте узагальнений закон Ома для ділянки ланцюга з ЕРС.
Який сенс ЕРС, напруги та різниці потенціалів?
Сформулюйте правила Кірхгофа. Як вибираються знаки в правилах Кірхгофа?Якщо обидві частини на

ой над зарядом на точці ланцюга на заряд, дорівнює:

Електричний струм - упорядкований рух вільних електрично заряджених частинок під впливом електричного поля. Такими частинками можуть бути: у провідниках - електрони,
в електролітах - іони (катіони та аніони), у напівпровідниках - електрони та дірки (електронно-діркова провідність).

При вивченні електричного струму було виявлено безліч його властивостей, які дозволили знайти йому практичне застосуванняу різних галузях людської діяльності.

Історично прийнято, що напрям струму збігається з напрямом руху позитивних зарядів у провіднику. При цьому якщо єдиними носіями струму є негативно заряджені частинки (наприклад, електрони в металі), то напрям струму протилежно напрямку руху електронів.

Швидкість спрямованого руху частинок у провідниках залежить від матеріалу провідника, маси та заряду частинок, навколишньої температури, прикладеної різниці.

Розрізняють змінний, постійний і пульсуючий струми, а також їх різноманітні комбінації.

1) Постійний струм- Струм, напрям і величина якого слабо змінюються в часі.

2) Змінний струм- це струм, величина та (або) напрямок якого змінюються в часі. Серед змінних струмів основним є струм, величина якого змінюється за синусоїдальним законом. В цьому випадку потенціал кожного кінця провідника змінюється по відношенню до потенціалу іншого кінця провідника поперемінно з позитивного на негативний і навпаки, проходячи при цьому через всі проміжні потенціали (включаючи нульовий потенціал). В результаті виникає струм, що безперервно змінює напрямок. Час, за який відбувається один такий цикл (час, що включає зміну струму в обидві сторони), називається періодом змінного струму. Кількість періодів, що здійснюється струмом за одиницю часу, називається частота. Частота вимірюється у герцах, один герц відповідає одному періоду на секунду.

Силою струму називається фізична величина, Рівна відношенню кількості заряду, що пройшов за деякий час через поперечний переріз провідника, до величини цього проміжку часу.

Сила струму вимірюється у амперах.

За наявності струму у провіднику відбувається робота проти сил опору. Ця робота виділяється у вигляді тепла. Потужністю теплових втрат називається величина, що дорівнює кількості тепла, що виділилося в одиницю часу. Потужність вимірюється у ватах.

Тіло людини є провідником електричного струму. Опір людини при сухій та непошкодженій шкірі коливається від 3 до 100 кОм.

Струм, пропущений через організм людини або тварини, робить такі дії:

Термічне (опіки, нагрівання);

Електролітичне (розкладання крові);

Біологічний.

Основним фактором, що зумовлює результат ураження струмом, є величина струму, що проходить через тіло людини. Безпечнимвважається струм, величина якого вбирається у 50 мкА.

Що робитимемо з отриманим матеріалом:

Якщо цей матеріал виявився корисним для Вас, Ви можете зберегти його на свою сторінку в соціальних мережах:

Електричним струмомназивають упорядкований рух заряджених частинок чи заряджених макроскопічних тіл. Розрізняють два види електричних струмів– струми провідності та конвекційні струми.

Струм провідностіназивають упорядкований рух у речовині або вакуумі вільних заряджених частинок – електронів провідності (у металах), позитивних та негативних іонів (в електролітах), електронів та позитивних іонів (у газах), електронів провідності та дірок (у напівпровідниках), пучків електронів (у вакуумі) ). Цей струм обумовлений тим, що у провіднику під дією прикладеного електричного поля напруженістю відбувається переміщення вільних електричних зарядів (рис. 2.1, а).

Конвекційним електричним струмомназивають струм, зумовлений переміщенням у просторі зарядженого макроскопічного тіла (рис. 2.1, б).

Для виникнення та підтримки електричного струму провідності необхідні такі умови:

1) наявність вільних носіїв струму (вільних зарядів);

2) наявність електричного поля, що створює впорядкований рух вільних зарядів;

3) на вільні заряди, крім кулонівських сил, мають діяти сторонні силинеелектричної природи; ці сили створюються різними джерелами струму(гальванічними елементами, акумуляторами, електричними генераторами та ін.);

4) ланцюг електричного струму повинен бути замкнутим.

За напрямок електричного струму умовно приймають напрямок руху позитивних зарядів, що утворюють цей струм.

Кількісним заходомелектричного струму є сила струму I- скалярна фізична величина, що визначається електричним зарядом, що проходить через поперечний переріз Sпровідника за одиницю часу:

Струм, сила і напрямок якого не змінюються з часом, називається постійним(Рис. 2.2, а). Для постійного струму

Електричний струм, що змінюється з часом, називається змінним. Прикладом такого струму є синусоїдальний електричний струм, що застосовується в електротехніці та електроенергетиці (рис. 2.2, б).

Одиниця сили струму – ампер(А). У СІ визначення одиниці сили струму формулюється так: 1 А- це сила такого постійного струму, який при протіканні двома паралельними прямолінійними провідниками нескінченної довжини і мізерно малого поперечного перерізу, розташованим у вакуумі на відстані 1 модин від одного створює між цими провідниками силу, рівну на кожен метр довжини.

Для характеристики напрямку електричного струму провідності у різних точках поверхні провідника та розподілу сили струму по цій поверхні вводиться щільність струму.

Щільністю струмуназивають векторну фізичну величину, що збігається з напрямком струму в точці, що розглядається, і чисельно рівну відношенню сили струму dI, що проходить через елементарну поверхню, перпендикулярної напрямку струму, до площі цієї поверхні:

Одиниця щільності струму – ампер на квадратний метр (А/м 2).

Щільність постійного електричного струму однакова по всьому поперечному перерізі однорідного провідника. Тому для постійного струму в однорідному провіднику з площею поперечного перерізу Sсила струму дорівнює

Кінець роботи -

Ця тема належить розділу:

ЗАГАЛЬНИЙ КУРС ФІЗИКИ ФІЗИЧНІ ОСНОВИ

Державне освітня установа... вищого професійної освіти... Володимирський державний університет...

Якщо вам потрібно додатковий матеріална цю тему, або Ви не знайшли те, що шукали, рекомендуємо скористатися пошуком по нашій базі робіт:

Що робитимемо з отриманим матеріалом:

Якщо цей матеріал виявився корисним для Вас, Ви можете зберегти його на свою сторінку в соціальних мережах:

Всі теми цього розділу:

Основний закон електростатики
Закон взаємодії нерухомих точкових електричних зарядів експериментально встановлено у 1785 р. французьким фізиком Ш. Кулоном за допомогою крутильних ваг. Тому сили електро

Електростатичні поля. Напруженість поля
Якщо в простір, що оточує електричний заряд, внести інший заряд, між ними виникне кулонівська взаємодія. Отже, у просторі, що оточує електричні

Поля. Потенціал поля
Якщо в електростатичному полі точкового зарядуз точки 1 в точку 2 вздовж довільної траєкторії переміщається

Електростатичного поля
Напруженість та потенціал – різні характеристикиоднієї й тієї точки поля. Отже, між ними має існувати однозначний зв'язок. Робота по переміщенню єдина

Теорема Гауса для електростатичного поля у вакуумі
Обчислення напруженості поля великої системи електричних зарядів за допомогою принципу суперпозиції електростатичних полів

Теорема Гауса для електростатичного поля в діелектриці
Діелектриками називають речовини, які за звичайних умов практично не проводять електричний струм. Відповідно до уявлень класичної фізики в діелектриках на відміну

Провідники у електростатичному полі. Конденсатори
Якщо помістити провідник у зовнішнє електростатичне поле, це поле діятиме на вільні заряди провідника, у результаті вони почнуть переміщатися – позитивні

Енергія електростатичного поля
Електростатичні сили взаємодії консервативні, отже, система зарядів має потенційну енергію. Нехай є відокремлений провідник, заряд ємкості

1. Відстань між зарядами і дорівнює 10 см. Визначити силу, що діє на

Закон Ома у диференційній формі
Якщо в ланцюзі на носії струму діють лише сили електростатичного поля, відбувається переміщення зарядів від точок з більшим потенціалом до точок з меншим потенціалом. Це при

Електровимірювальні прилади
Електричний ланцюг є сукупністю різних провідників і джерел струму. У загальному випадку ланцюг є розгалуженим і містить ділянки, де провідники можуть з'єднатися.

Робота та потужність струму. Закон Джоуля-Ленца
Розглянемо однорідний провідник, по кінцях якого прикладена напруга. За час dt через поперечний переріз прово

Закон Ома в інтегральній формі
+ Для однорідної ділянки ланцюга, тобто. для ділянки, на якій не діють сторони

Розрахунок розгалужених ланцюгів постійного струму
Закон Ома в інтегральній формі дозволяє розраховувати практично будь-яку електричний ланцюг. Однак безпосередній розрахунок розгалужених ланцюгів, що містять замкнуті контури, достатньо

Завдання для самостійного вирішення
1. Який заряд пройде через поперечний переріз провідника за час від 5 до 10 с, якщо сила струму змінюється з часом за законом

Магнітне поле та його характеристики
I Досвід показав

Закон Біо-Савара-Лапласа
Після дослідів Ерстеда почалися інтенсивні дослідження магнітного поляпостійного струму. Французькі фізики Біо та Савар у першій чверті XIX ст. вивчали магнітні поля, створювані

Магнітне поле заряду, що рухається. Сила Лоренца
Будь-який провідник зі струмом створює в навколишньому просторі магнітне поле. У свою чергу струм є впорядкованим рухом електричних зарядів. Звідси випливає, що кожен, хто рухається в

Провідник зі струмом у магнітному полі. Закон Ампера
Узагальнюючи результати дії магнітного поля на різні провідники зі струмом, А. Ампер встановив, що сила, з якою магнітне поле діє

Циркуляція вектора індукції магнітного поля у вакуумі
Аналогічно циркуляції вектора напруженості електростатичного поля в магнітному полі вводиться поняття циркуляції вектора магнітної індукції

Теорема Гауса для магнітного поля у вакуумі
Потоком вектора магнітної індукції або магнітним потоком крізь малу поверхню площею dS називається фізична скалярна величина, рівна

Магнітні властивості речовини
Не всі речовини однаково проводять силові лініїмагнітного поля. Так, наприклад, через залізо магнітні силові лінії проходять набагато легше, ніж через повітря. Тобто здатність желе

Завдання для самостійного вирішення
1. По довгому прямому дроту тече струм силою 60 А. Визначити індукцію магнітного поля в точці, віддаленій від провідника на 5 см. (Відповідь: 0,24 мТл).

Закон електромагнітної індукції
Як зазначалося, довкола будь-якого провідника з електричним струмом виникає магнітне поле. Англійський фізик М. Фарадей вважав, що між електричними та магнітними явищами існує тісна взаємодія

Явище самоіндукції. Індуктивність контуру
Електричний струм, що протікає в замкнутому контурі, створює навколо себе магнітне поле, індукція B якого за законом Біо-Савара-Лапласа пропорційна силі струму (B~I

Взаємна індукція
Якщо два контури розташовані один біля одного і в кожному з них змінюється сила струму, вони взаємно впливатимуть один на одного. Зміна

Енергія магнітного поля
Магнітне поле, подібно до електричного поля, є носієм енергії. Природно припустити, що енергія магнітного поля дорівнює тій роботі, яка витрачається електричним струмом на створення

Практичне застосування електромагнітної індукції
Явище електромагнітної індукції використовується, передусім, перетворення механічної енергії на енергію електричного струму. Для цієї мети застосовуються генератори змін

Завдання для самостійного вирішення
1. В однорідному магнітному полі з індукцією перпендикулярно до поля рухається провідник довжиною

Вихрове електричне поле
У 60-х роках ХІХ ст. англійський вчений Дж. Максвелл (1831-1879) узагальнив експериментально встановлені закони електричного та магнітного полів і створив закінчену єдину теорію електромагнітного

Струм зміщення
Струм зміщення введений Максвеллом для встановлення кількісних співвідношень між змінним електричним полем і викликаються

Максвелла для електромагнітного поля
Створена Максвеллом єдина макроскопічна теорія електромагнітного поля дозволила з єдиної точки зору не тільки пояснити електричні та магнітні явища, але передбачити нові

Деякі знаменні події історії розвитку електродинаміки
Рік Подія Вчений Розпочато досліди, що призвели до відкриття електричного струму (досліди описані в

Дивергенція векторного поля
Дивергенцією векторного поля (позначається) називають таку похідну

бібліографічний список
1. Савельєв І.В. Курс загальної фізики: У 3 т. - М.: Наука, 1989. 2. Детлаф А.А., Яворський Б.М. Курс фізики - М.: Вищ. шк., 1989. - 608 с. 3. Курс фізики: Навч. для вузів: У 2 т. /

План лекції

1. Електричний струм. Характеристики електричного струму

2. Закони Ома для ділянки ланцюга

2.1. Закон Ома в інтегральній формі

2.2. Закон Ома у диференційній формі

3. Приклад розрахунку сили струму у провідному середовищі

4. Закон Джоуля-Ленца в диференційній та інтегральній формах

Електричний струм. Характеристики електричного струму

Електричним струмом називається впорядкований рух заряджених частинок, у процесі якого відбувається перенесення електричного заряду.

У металевому провіднику, наприклад, такими частинками є вільні електрони. Вони перебувають у постійному тепловому русі. Цей рух відбувається з високою середньою швидкістю, але з його хаотичності не супроводжується перенесенням заряду. Виділимо подумки у провіднику елемент поверхні dS: за будь-який проміжок часу число електронів, що подолали цю поверхню зліва направо, буде точно дорівнює кількості частинок, що пройшли через цю поверхню у зворотному напрямку. Тому заряд, перенесений через цю поверхню, виявиться рівним нулю.

Ситуація зміниться, якщо у провіднику з'явиться електричне поле. Тепер носії заряду братимуть участь не лише у тепловому, а й у впорядкованому, спрямованому русі. Позитивно заряджені носії рухатимуться у напрямку поля, а негативні – у протилежному напрямку.

Загалом у переносі заряду можуть брати участь носії обох знаків (наприклад, позитивні та негативні іони електроліті).

Швидкість руху таких частинок складатиметься зі швидкості їх теплового та спрямованого рухів:

Середнє значенняшвидкості частинок виявляється рівним середньої швидкості спрямованого руху:

Хаотичність теплового руху призводить до того, що середнє значення векторашвидкості цього руху дорівнює нулю. Ще раз наголосимо, що йдеться про середнє значення вектора, але не модуляшвидкості теплового руху заряджених частинок

Основною кількісною характеристикою електричного струму є сила струму. Сила струму в провіднику чисельно дорівнює величині заряду, що переноситься через повний переріз провідника в одиницю часу:

Сила струму у системі СІ вимірюється в амперах. Це скалярна характеристика. Сила струму може бути як позитивною, і негативною. Якщо напрям струму збігається з умовно прийнятим позитивним напрямком вздовж провідника, то сила такого струму I> 0. Інакше сила струму негативна.

Часто за позитивний напрямок уздовж провідника приймається напрямок, у якому переміщуються (або переміщалися б) позитивні носії заряду.

Другий важливою характеристикоюелектричного струму є щільність струму. Виділимо подумки у провіднику поверхню  S, перпендикулярну швидкості спрямованого руху носіїв заряду Збудуємо на цій поверхні паралелепіпед з висотою, чисельно рівної швидкості Vн (рис. 6.1.). Усі частинки, що знаходяться всередині цього паралелепіпеда за одну секунду пройдуть через поверхню  S. Число таких частинок:

де n- Концентрація частинок, тобто число частинок в одиниці об'єму. Заряд, який буде пронесено цими частинками через поверхню  S, визначить силу струму:

Тут q 1 – заряд одного носія. Розділивши силу струму на площу перерізу  S, Отримаємо заряд, який протікає за одиницю часу через поверхню одиничної площі. Це і є щільність струму:

, . (6.2)

Оскільки швидкість спрямованого руху заряджених частинок - векторна величина, цей вираз записують у векторному вигляді:

Зменшуючи майданчик  S, Приходимо до локальної характеристики електричного струму - до щільності струму в точці:

Це модуль густини струму, а напрям вектора густини струму в даній точці збігається з напрямом швидкості руху частинок або з напрямом напруженості електричного поля в даній точці. Силу струму, що протікає через елементарний майданчик dSтепер можна записати у вигляді скалярного добутку двох векторів (рис. 6.2):

Для того, щоб обчислити силу струму через переріз S, потрібно підсумувати всі струми, що протікають через елементи цього перерізу, тобто взяти інтеграл:

. (6.6)

Інтеграл являє собою потік вектора щільності струму, тому дві основні характеристики електричного струму зв'язують іноді такою фразою, що легко запам'ятовується. : сила струму дорівнює потоку вектора щільності струму.

Продовжимо розмову про потік вектора. Тепер у провідному середовищі виділимо замкнутуповерхня S(Рис. 6.3.). Якщо відомий вектор щільності струму в кожній точці цієї поверхні, легко обчислити заряд, що залишає об'єм, обмежений цією поверхнею, в одиницю часу:

Нехай усередині поверхні Sзнаходиться заряд q, тоді за одиницю часу  t= 1 він зменшиться на величину . Зміна заряду пов'язані з його закінченням з обсягу, тобто:

Це рівняння називається рівнянням безперервності. Воно є математичний записзакону збереження електричного заряду