Электрическим током называется направленное упорядоченное движение электрических зарядов.
В металлах могут свободно перемещаться только электроны. Поэтому электрический ток в металлах обусловлен движением свободных электронов. В проводящих растворах свободных электронов нет, а носителями заряда являются ионы. В газах в подвижном состоянии существуют как электроны, так и ионы.
Направлением тока условились считать направление движения положительных частиц. Поэтому направление тока в металлах противоположно направлению движения электронов.
Для количественной характеристики электрического тока служит сила тока. Сила тока I в проводнике равна величине заряда, проходящего в единицу времени через полное сечение проводника.
Поскольку dq и dt – скаляры, то и сила тока тоже скалярная величина.
Единицей силы тока служит ампер (А). При токе в 1 А через полное сечение проводника за время 1 с проходит заряд в 1 Кл. На практике употребляются и более мелкие единицы:
1 миллиампер (мА) = 10-3 А;
1 микроампер (мкА) = 10-6 А.
Если сила тока и его направление не изменяются во времени, то такой ток называется постоянным.
Для каждого проводника существует однозначная зависимость между напряжением U, приложенным к концам проводника, и силой тока I в нем. Для металлов эта зависимость особенно проста: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.
Это выражение есть закон Ома для участка цепи.
Величина R в законе Ома называется электрическим сопротивлением. Его природа такова: при движении зарядов в любых проводниках (твердых, жидких или газообразных) происходит их столкновение с атомами и молекулами вещества. Из-за столкновений движение заряженных частиц замедляется, их скорость в направлении тока падает, кинетическая энергия уменьшается. Проводником создается сопротивление электрическому току.
За единицу сопротивления в системе СИ принят Ом. 1 Ом – электрическое сопротивление, которое при прохождении по данному проводнику силы тока в 1 А вызывает падение напряжения в 1 В.
Для измерения больших сопротивлений употребляют более крупные единицы: 1 килоом (кОм) = 103 Ом
1 мегаом (МОм) = 106 Ом
Сопротивление проводника зависит от рода материала, его формы и размеров. Если проводник имеет постоянное поперечное сечение, то эта зависимость имеет вид 
ρ – удельное сопротивление данного вещества, ℓ – длина проводника,
S – площадь поперечного сечения.
Сопротивление проводника зависит не только от рода материала, но и от его температуры: R = R0∙ (1+α T)
R0 – сопротивление проводника при 0°С,
α – температурный коэффициент сопротивления данного вещества.
Температурный коэффициент сопротивления может быть как положительным, так и отрицательным. У всех металлов сопротивление увеличивается с повышением температуры, поэтому для металлов α > 0.
Сила тока, напряжение и сопротивление являются количественными характеристиками процессов в электрической цепи.
Электрическая цепь представляет собой совокупность источников тока, проводников и потребителей электрической энергии. В общем случае электрическая цепь является разветвленной (сложной) и содержит узлы.
Узлом А электрической цепи называется точка, в которой сходится не менее трех проводников (рис.1). Расчет разветвленной цепи состоит в том, чтобы по заданным сопротивлениям участков цепи и приложенным к ним ЭДС найти силы токов во всех участках цепи. Для расчета разветвленных цепей применяются правила Кирхгофа (правила узлов и контуров).
Рис.1
Первое правило Кирхгофа (правило узлов):
алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю:
где n – число проводников, сходящихся в узле.
Второе правило Кирхгофа (правило контуров):
в любом замкнутом контуре, произвольно выбранном в разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме имеющихся в контуре ЭДС
При составлении уравнений по второму правилу Кирхгофа необходимо учитывать, что:
a) падение напряжения (т.е. произведение IR) входит в уравнение со знаком плюс, если направление тока в данном участке совпадает с выбранным направлением обхода контура; в противном случае падение напряжения входит в уравнение со знаком минус;
b) ЭДС входит в уравнение со знаком плюс, если направление ЭДС совпадает с направлением обхода контура. За положительное направление ЭДС принимается направление от отрицательного к положительному зажимам источника питания; в противном случае ЭДС входит в уравнение со знаком минус.
Число независимых уравнений, которые могут быть составлены по второму правилу Кирхгофа, должно быть меньше числа замкнутых контуров, имеющихся в цепи. Для составления уравнений первый контур можно выбрать произвольно. Все последующие контуры выбираются таким образом, чтобы в каждый контур входила хотя бы одна ветвь цепи, не участвовавшая ни в одном из ранее использованных контуров. Если при решении уравнений, составленных указанным выше образом, получены отрицательные значения силы тока или сопротивления, то это значит, что ток через данное сопротивление в действительности течет в направлении, противоположном произвольно выбранному.
Расчет разветвленной цепи постоянного тока проводится в такой последовательности:
1. произвольно выбираются направления токов во всех участках цепи;
2. записываются (n – 1) независимых уравнений правила узлов,
где n – число узлов в цепи;
3. произвольно выбирается направление обхода контура (по часовой стрелке или против) и составляются уравнения по правилу контуров. В разветвленной цепи, содержащей n узлов и m участков цепи между соседними узлами, число независимых уравнений правила контуров равно (m – n + 1).
Сопротивление какого-либо проводника можно измерить при помощи амперметра и вольтметра. При этом предполагается, что ток, ответвляющийся в вольтметр, мал по сравнению с током в проводнике. Точность этого метода определяется точностью амперметра и вольтметра и обычно не очень велика. Поэтому для точного измерения сопротивлений используют метод мостика Уитстона, не требующий измерения тока и напряжения.
Сущность измерения электрического сопротивления методом мостика Уитстона состоит в следующем: сопротивления R 1, R 2, R 3, R х между собой соединены как указано на рис.2, где R х – измеряемое сопротивление.
Электрический ток источника напряжения Ɛ разветвляется между параллельными ветвями АСВ и АDВ, между которыми включена ветвь СГD, содержащая гальванометр. Эта ветвь называется мостиком. При замыкании ключа К к ветви СГD пойдет ток, направление которого зависит от того, какая
 |
из точек С или D имеет более высокий потенциал. Но если потенциалы точек С и D окажутся равными, что может быть получено при соответствующих R1 и R2, тогда тока в мостике не будет. В этом случае напряжение на участке АD равно напряжению на участке АС, и мостик называется сбалансированным.
Рис. 2 Рис. 3
Применяя к контурам АСD и СВD второе правило Кирхгофа, получим
I x∙ R x – I 1∙ R 1 = 0
I 3∙ R 3 – I 2∙ R 2 = 0 (1)
Применяя к узлам С и D первое правило Кирхгофа, получим
I х – I 3 = 0 I 1 – I 2 = 0
I х = I 3 I 1 = I 2 (2)