КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ ЛЕКЦИЯ 9 ПОСТОЯННЫЙ ТОК
ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК Электрический ток – это упорядоченное движение носителей заряда. Различают следующие разновидности электрического тока: 1. ток проводимости; 2. ток поляризации; 3. ток в вакууме; 4. конвекционный ток. Постоянный электрический ток – это упорядоченное движение носителей заряда, скорость направленного движения которых неизменна. Условились, что направление тока совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов, образующих данный ток. Количественно электрический ток характеризуют с помощью силы тока. Сила тока – это скалярная величина, равная заряду dq, переносимому носителями через некоторую поверхность за единицу времени dt
ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В случае постоянного тока, сила тока определяется как Единицей силы тока в СИ является А – ампер. Из определения силы тока следует, что 1 А = 1 Кл/ 1 с. Т. к. в общем случае электрический ток может быть неравномерно распределен по поверхности, через которую он течет, то для описания такого распределения необходима соответствующая физическая величина. Такой величиной является плотность тока. Плотность тока – это векторная физическая величина, численно равная отношению тока d. I через расположенную перпендикулярно направлению тока площадку d. S┴ к величине этой площадки
ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК Направление плотности тока такое же, как и направление скорости упорядоченного движения положительных носителей заряда данного тока. Плотность тока можно определить и несколько иначе. Пусть в единице объема однородного изотропного проводника имеется n+ носителей положительного заряда и n- носителей отрицательного заряда. Величина зарядов носителей e+ и e -, а их скорость направленного движения u + и u соответственно. Тогда через единичную площадку проводника за единицу времени пройдут n+u + + n - u - носителей заряда, которые перенесут заряд равный e+ n+u + + e - n - u -. Данная величина численно равна плотности тока, т. е. Поток плотности тока через данную поверхность равна силе тока через данную поверхность. Этот факт отражает взаимосвязь данных физических величин
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА ИСТОЧНИКА ТОКА. НАПРЯЖЕНИЕ Если проводник поместить во внешнее электрическое поле, то за счет перераспределения зарядов поле внутри проводника исчезнет и, значит, ток в проводнике прекратится. Чтобы в проводнике создать постоянный ток, надо от края проводника с меньшим потенциалом отводить приносимые туда током заряды и переносить их к краю проводника с большим потенциалом, т. е. необходимо создать круговорот зарядов.
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА ИСТОЧНИКА ТОКА. НАПРЯЖЕНИЕ Данный «круговорот» возможен лишь за счет работы сторонних сил, т. е. сил неэлектростатической природы. Такие силы обусловлены, например, протеканием химических процессов в гальванических элементах. Электродвижущей силой (ЭДС) называется величина, численно равная работе сторонних сил, по перемещению единичного положительного заряда в электрической цепи или на ее участке ЭДС в замкнутой цепи запишется как Отсюда, ЭДС равна циркуляции вектора напряженности сторонних сил по замкнутой электрической цепи.
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА ИСТОЧНИКА ТОКА. НАПРЯЖЕНИЕ В электрической цепи на носители заряда кроме сторонних сил действуют силы электростатического поля. Поэтому, результирующая сила, действующая в каждой точке цепи на заряд равна Данная сила совершает работу над зарядом q на участке цепи, что выражается как Напряжение U (падение напряжения) на участке электрической цепи 1 -2 – это величина, численно равная работе, совершаемой электрическими и сторонними силами над единичным положительным зарядом на данном участке
ЗАКОН ОМА В 1826 г. немецкий физик Ом Г. экспериментально открыл одноименный закон: сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику, пропорциональна падению напряжения на проводнике где R – электрическое сопротивление проводника постоянному току (еще называют активное или омическое сопротивление). Электрическое сопротивление – это физическая величина, характеризующая противодействие проводника электрическому току. Единицей измерения электрического сопротивления в системе СИ является Ом. В случае однородного проводника постоянного сечения электрическое сопротивление равно
ЗАКОН ОМА где r – удельное сопротивление, измеряемое в Ом∙м; ℓ – длина проводника; S – площадь поперечного сечения проводника. Удельное сопротивление определяется свойствами материала и условиями, в которых он находится; r численно равно электрическому сопротивлению проводника при ℓ=1 м и S=1 м 2. Для большинства металлов зависимость удельного сопротивления от температуры дается выражением где r 0 – удельное сопротивление проводника при 0 ºС; a – температурный коэффициент сопротивления; tº - температура проводника по шкале Цельсия. При переходе к шкале Кельвина получим
ЗАКОН ОМА Зависимость r(T) , характерная для большинства металлов, приведена кривой 1. Величина остаточного сопротивления значительно зависит от структурного совершенства проводника. Так, для структурно совершенных беспримесных металлов при 0 К удельное сопротивление стремится к нулю. Удельное сопротивление ряда металлов и сплавов при некоторой ненулевой температуре TK обращается в ноль (кривая 2). Данное явление называется сверхпроводимостью и впервые было обнаружено Камерлинг-Оннесом для ртути в 1911 г.
ЗАКОН ОМА Выделим в окрестности некоторой точки однородного изотропного проводника элементарный цилиндрический объем с образующими, параллельными векторам и Применим для данного объема закон Ома. Сила тока запишется как I=jd. S. Напряжение, приложенное к обозначенному цилиндру, будет U=Edl. Электрическое сопротивление проводника равно Значит Учитывая, что движение носителей заряда происходит вдоль напряженности электрического поля, можно прийти к выражению линий
ЗАКОН ОМА Рассмотрим неоднородный участок электрической цепи, т. е. такой участок, на котором действуют сторонние силы. Запишем для данного участка закон Ома в дифференциальной форме Как поле электростатическое, так и поле сторонних сил выполняет работу над носителями заряда на участке электрической цепи 12, что записывается в виде
ЗАКОН ОМА Преобразуем записанный выше закон Ома следующим образом: где – элементарное перемещение носителя заряда на участке электрической цепи 12. Проинтегрировав данное выражение для участка 12 а также, учитывая, что A 12 = j 1 – j 2 и A 12 СТОР = e 12, получим Последнее выражение и есть закон Ома для неоднородного участка цепи. Данную формулу часто представляю в виде
ЗАКОН ОМА В случае, если цепь замкнутая, т. е. j 1 = j 2, на основании закона Ома для неоднородного участка электрической цепи, можно получить закон Ома для замкнутой цепи: где e – ЭДС, действующая в замкнутой цепи; R – омическое электросопротивление цепи.
ЗАКОН ДЖОУЛЯ – ЛЕНЦА Как известно, проводник нагревается при протекании по нему электрического тока. В 1831 -1842 гг. Джоуль Дж. и независимо от него Ленц Э. Х. экспериментально установили, что при этом количество выделяющейся теплоты определяется как где I – сила тока в проводнике; R – электросопротивление проводника; t – время протекания тока. Проводник нагревается за счет работы сил электрического поля над носителями заряда. Данная работа также равна Заметим, что используя закон Ома для однородного участка цепи и понятие силы тока приведенным выражениям можно придать вид
ЗАКОН ДЖОУЛЯ – ЛЕНЦА Выделим в проводнике элементарный цилиндрический объем d. V с площадью поперечного сечения d. S и длиной dl. В данном объеме за время dt выделится количество теплоты Разделив выражение на d. V dt получим удельную мощность тока – количество теплоты, выделяющейся за единицу времени в единице объема проводника Это закон Джоуля – Ленца в дифференциальной форме.
Скачать презентацию КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ ЛЕКЦИЯ 9 ПОСТОЯННЫЙ ТОК
Kurs_obschey_fiziki-lektsia_9.pptx