Лекция 12 Постоянный электрический ток 1 2 3

Лекция 12. Постоянный электрический ток 1. 2. 3. 4. 5. Электрический ток, сила и плотность тока. Электродвижущая сила. Напряжение. Закон Ома. Сопротивление проводников. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца.

1. Электрический ток, сила и плотность тока l l l Электродинамика - раздел электричества, в котором рассматривается явления и процессы, обусловленные движением электрических зарядов или макроскопических заряженных тел. Электрическим током называется любое упорядоченное движение электрических зарядов. В проводнике свободные электрические заряды перемещаются: положительные – по полю, а отрицательные – против поля, т. е. в проводнике возникает электрический ток, называемый током проводимости

Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике и ток I. S – площадь поперечного сечения проводника, E – электрическое поле

Конвекционный ток l Конвекционный ток возникает, если упорядоченное движение электрических зарядов осуществляется перемещением в пространстве заряженного макроскопического тела

Условия возникновения электрического тока l l Для возникновения и существования электрического тока необходимо наличие свободных носителей тока – заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно, и наличие электрического поля, энергия которого каким-то образом восполняясь, расходовалась бы на их упорядоченное движение. За направление движения принимают направление движения положительных зарядов

Сила тока l l Сила тока служит количественной мерой электрического тока. Сила тока - скалярная величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через сечение проводника в единицу времени Постоянным называется ток, сила которого и направление не изменяется со временем. Единица силы тока 1 А.

Плотность тока l физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярно направлению тока

Связь силы тока и скорости носителей заряда l скорость упорядоченного движения зарядов в проводнике концентрация носителей носитель имеет элементарный заряд Сила тока l плотность тока l l

2. Электродвижущая сила. Напряжение l Для существования тока в электрической цепи необходимо наличие устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов

Сторонние силы l l l Силы, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними. Сторонние силы действуют лишь внутри источника тока. Сторонние силы могут быть обусловлены химическими процессами (аккумуляторы), изменяющимися магнитными полями и т. д.

Электродвижущая сила l l Электродвижущей силой (ЭДС) называется физическая величина, определяемая работой , совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда ЭДС, как и потенциал, выражается в вольтах

Напряженность поля сторонних сил l Электродвижущая сила, действующая на участке l напряженность поля сторонних сил

Работа сил при протекании тока l l l При протекании электрического тока в замкнутой цепи на свободные заряды действуют силы со стороны электрического поля и сторонние силы. Работу, совершаемую силами электрического поля по перемещению заряда характеризует разность потенциалов Работа сторонних сил на участке

Напряжение l Напряжением на участке называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электрических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного заряда на данном участке цепи

3. Закон Ома. Сопротивление проводников l Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника

Сопротивление l l Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.

Обобщенный закон Ома l Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома IR = U 12 = φ1 – φ2 + Е= Δφ12 + E

Проводимость l электрическая проводимость проводника. Единица проводимости – сименс. 1 См – проводимость проводника сопротивлением 1 Ом.

Физический смысл наличия сопротивления в проводниках l При своем движении в проводнике электроны взаимодействуют с ионами кристаллической решетки металла, отдавая им при столкновениях кинетическую энергию, приобретенную при свободном пробеге.

Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов

Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем.

Удельное сопротивление l l Для однородного линейного проводника сопротивление прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально его поперечному сечению удельное электрическое сопротивление Коэффициент характеризует материал проводника. Единица удельного электрического сопротивления - Ом метр, (Ом м). Наименьшим удельным электрическим сопротивлением обладают серебро (1, 6 108 Ом м) и медь (1, 7 10 -8 Ом м), алюминиевые провода имеют =2, 6 10 -8 Ом м.

Удельная проводимость l l Величина, обратная удельному электрическому сопротивлению называется удельной электрической проводимостью вещества проводника. Единицей удельной электрической проводимости является – сименс, деленный на сантиметр, (См/см).

Зависимость сопротивления от температуры l l Опыт показывает, что в первом приближении изменение удельного сопротивления, а значит, и сопротивления, с температурой описывается линейным законом температурный коэффициент сопротивления, для чистых металлов близкий 1/273 К-1

Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник

4. Работа и мощность тока l l Напряжение, приложенное к концам однородного проводника Время Заряд Работа

5. Закон Джоуля-Ленца l Если ток проходит по неподвижному металлическому проводнику, то, при отсутствии механической работы и химических превращений, вся работа тока идет на нагревание проводника.