Сторонние силы. Электродвижущая сила (ЭДС), разность потенциалов и напряжение на участке цепи (определения, формулы).

Понятие электрического тока. Условия, необходимые для появления и существования тока. Сила и плотность тока. Единицы измерения.

Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов. В проводнике под действием прило­женного электрического поля ^свобод­ные электрические заряды перемеща­ются: положительные — по полю, отри­цательные — против поля (рис. 148, а), т.е. в проводнике возникает электри­ческий ток, называемый током прово­димости. 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:I=dQ/dt; Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Для постоян­ного тока I=Q/t; где Q — электрический заряд, проходя­щий за время t через поперечное сече­ние проводника. Единица силы тока — ампер (А). Физическая величина, определяе­мая силой тока, проходящего через еди­ницу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного на­правлению тока, называется плотнос­тью тока: j=dI/dS(перпендикуляр). Плотность тока — вектор; направле­ние вектора j совпадает с направлени­ем упорядоченного движения положи­тельных зарядов: j = ne(v).(96.1)Единица плотности токи ампер на метр в квадрате (А/м²).

Закон Ома для однородного участка цепи (интегральный закон Ома). Сопротивление, удельное сопротивление. Зависимость сопротивления от температуры. Соединение проводников.

Сила тока I, текущего по однородному метал­лическому проводнику (т.е. провод­нику, в котором не действуют сторон­ние силы), пропорциональна напряже­нию U на концах проводника I=U/R(98.1) где R — электрическое сопротивление проводника. Уравнение (98.1) выражает закон Ома для участка цепи (не содержаще­го источника тока): сила тока в провод­нике прямо пропорциональна прило­женному напряжению и обратно про­порциональна сопротивлению провод­ника. Формула (98.1) позволяет уста­новить единицу сопротивления ом (Ом): 1 Ом — сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В те­чет постоянный ток 1 А. Сопротивление проводников зависит от его размеров и формы, а также от материала, из кото­рого проводник изготовлен. Для одно­родного линейного проводника сопро­тивление R прямо пропорционально его длине I и обратно пропорциональ­но площади его поперечного сечения S: R=ро*l/S; где ро- коэффициент пропорциональ­ности, характеризующий материал про­водника и называемый удельным элек­трическим сопротивлением.Единица удельного электрического сопротивления ом-метр (Ом • м). Температур­ная зависимость сопротивления может быть представлена в виде R = aR₀T,(98.6)где Г— термодинамическая температура. Зависимость сопротивления от тем­пературы (98.6) представлена на рис. 149 (кривая 1). При низких температурах наблюдается отступление от этой зави­симости.

Закон Ома в дифференциальной форме.

Так как в изотропном проводнике носители тока в каждой точке движут­ся в направлении вектора Е, то направ­ления j и Е совпадают. Поэтому фор­мулу (98.4) можно записать в виде _j = гамма*_E.(98.5) Выражение (98.5) закон Ома в дифференциальной форме, связыва­ющий плотность тока в любой точке внутри проводника с напряженностью электрического поля в этой же точке. Это соотношение справедливо и для переменных полей.

Сторонние силы. Электродвижущая сила (ЭДС), разность потенциалов и напряжение на участке цепи (определения, формулы).

Силы неэлектростатического про­исхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними. Сторонняя сила действующая на заряд Q_{), может быть выражена как _Fст=_Ест*Q0. Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических заря­дов. Физическая величина, определяе­мая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС), дей­ствующей в цепи: ЭДС=А/Q0;(97.1). Эта работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину ЭДС можно также называть электродвижущей силой ис­точника тока, включенного в цепь. ЭДС, как и потенциал, выражается в вольтах. Напряжением U на участке 1 — 2 на­зывается физическая величина, опреде­ляемая работой, совершаемой суммар­ным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при переме­щении единичного положительного за­ряда на данном участке цепи. Таким образом, согласно (97.4),U12=ФИ1-ФИ2+ЭДС12; Понятие напряжения является обоб­щением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том слу­чае, если на этом участке не действует ЭДС, т.е. сторонние силы отсутствуют.

Закон Ома для участка цепи с гальваническим элементом. Замкнутая электрическая цепь с источником тока. Закон Ома для замкнутой цепи. Соединение источников тока.

Мы рассматривали закон Ома для однородного участка цепи, т. е. такого, в котором не действует ЭДС (не действуют сторонние силы). Теперь рассмотрим неоднородный участок цепи, где действующую ЭДС на участ­ке 1 — 2 обозначим через а прило­женную на концах участка разность потенциалов — через фи1-фи2. Если на данном участке цепи источ­ник тока отсутствует (I = 0), приходим к закону Ома для од­нородного участка цепи (98.1): I=U/R,[при отсутствии сторонних сил напря­жение на концах участка равно разно­сти потенциалов]. Если же электрическая цепь замкнута, то выб­ранные точки 1 и 2 совпадают,фи1 = фи2₂, тогда закон Ома для замкнутой цепи: I=ЭДС/R;где ЭДС, действующая в цепи; R — суммарное сопротивление всей цепи. В общем случае R= r + R, (г— внут­реннее сопротивление источника тока, R сопротивление внешней цепи). Поэтому закон Ома для замкнутой цени будет иметь вид I=ЭДС/R+r. Если цепь разомкнута и, следователь­но, в ней ток отсутствует (I = 0), то из закона Ома получим, что ЭДС=фи1-фи2, г.е. ЭДС, действующая в ра­зомкнутой цепи, равна разности потен­циалов на ее концах. Следовательно, для того чтобы найти ЭДС источника тока, надо измерить разность потенци­алов на его клеммах при разомкнутой цепи.