Электрический ток

 

Электрическим током называется движение электрических зарядов (электронов в металлах, электронов и ионов в жидкостях и газах) под действием электрического поля.

Движение положительных зарядов по полю эквивалентно движению отрицательных зарядов против поля.

За направление тока принято направление положительного заряда.

 

Условия существования электрического тока (в дальнейшем просто тока в проводнике):

а) наличие свободных заряженных частиц;

б) наличие электрического поля (разности потенциалов на концах проводника).

 

Действия электрического тока:

а) ТЕПЛОВОЕ – нагревание проводника, по которому идет ток;

б) ХИМИЧЕСКОЕ – изменение химического состава проводника (электролиз и сопутствующие ему явления);

в) МАГНИТНОЕ – силовое воздействие на другие проводники с током и намагниченные тела (магнетики).

 

Основные характеристики электрического тока:

а) сила тока I – численно равна количеству электричества (заряду) Q, протекающего по проводнику за время t:

I =

 

В зависимости от величины и направления токи бывают: постоянные, переменные, пульсирующие и другие. Будем рассматривать только постоянные токи I = const.

Ток измеряется прибором – амперметром, который включается в цепь последовательно проводнику (сопротивлению).

б) напряжение U – равно разности потенциалов на участке цепи.

Напряжение измеряется прибором – вольтметром, который включается параллельно проводнику (сопротивлению);

в) сопротивление R проводника.

Сопротивление зависит:

1. От длины проводника ℓ, его сечения S и материала (характеризуется удельным сопротивлением проводника ρ):

 

2. От температуры t°С (или Т): R = R0 (1 + αt),

где       R0 – сопротивление проводника при 0°С,

α – температурный коэффициент сопротивления.

3. Проводники могут соединяться последовательно и параллельно.

 

Соединение

Последовательное

Параллельное

Сохраняющаяся величина

I1 = I2 = … = In

I = const

U1 = U2 = …Un

U = const

Суммируемая величина

напряжение

cила тока

Результирующее сопротивление

 

г) плотность тока j – физическая величина, определяемая силой тока I проходящего через единицу площади поперечного сечения S проводника:

j =

д) электрическая сила (ЭДС) ε – физическая величина, определяемая работой сторонних (неэлектрических) сил Аст по перемещению единичного положительного заряда q:

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

Источники тока также можно соединить последовательно и параллельно:

1. При последовательном соединении источников:

εпосл = ε·n,

rпосл = r·n,

где       ε – ЭДС одного источника,

r – сопротивление одного источника,

n – число источников.

2. При параллельном соединении n одинаковых источников:

εпар = ε,

Элементы электрических цепей и сами электрические цепи изображают схематически следующим образом:

 

– внешнее сопротивление проводника (участок электрической цепи без ЭДС)

– амперметр и его включение в цепь;

– вольтметр и его включение в цепь;

– источник тока (источник ЭДС) с внутренним сопротивлением.

– последовательное соединение сопротивлений и источников тока.

– параллельное соединение сопротивлений и источников тока.

– полная электрическая цепь.

 

Для решения задач по расчету электрических цепей используется закон Ома:

1. Закон Ома для участка цепи (без ЭДС):

 или ,

где       – удельная проводимость проводника,

Е – напряженность электрического поля в проводнике.

2. Закон Ома для полной цепи:

где       R – внешнее сопротивление цепи,

r – внутреннее сопротивление источника тока,

R + r – называется полным сопротивлением цепи.

Следствия:

а) если R 0, источник замкнут накоротко:

где       Iкз – ток короткого замыкания;

б) если R ∞, цепь разомкнута:

I = 0; U = ε,

т.е. ЭДС источника численно равна напряжению на его зажимах при разомкнутой внешней цепи.

Для расчетов полных электрических цепей полезно знать следующие величины:

а) полная мощность, развиваемая источником:

 

б) полезная мощность (выделяемая на внешнем сопротивлении):

 

в) мощность потерь:    Pпотерь = PuPn = I2·r;

 

г) КПД источника:        

 

Электрический ток I, проходя по участку цепи без ЭДС с сопротивлением R, совершает работу А по перемещению электрических зарядов, которую можно рассчитать по формуле:

 

,

 

где       U – напряжение на участке цепи,

t – время пропускания тока.

Мощность N тока, согласно определения, равна:

 

 

При протекании тока по проводнику он нагревается и в нем выделяется количество теплоты Q, которое без учета потерь рассчитывается по закону Джоуля-Ленца: