Тема 12. Постоянный электрический ток

Электрический ток, сила и плотность тока. Сторонние силы. Электродвижущая сила (ЭДС) и напряжение. Закон Ома для участка цепи, для замкнутой цепи и для неоднородного участка цепи, содержащей ЭДС. Сопротивление проводников. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля – Ленца. Первый и второй законы Кирхгофа для разветвленных цепей. Электрический ток в жидкостях и газах.

12d:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 1\content\chapter1\section\paragraph2\theory.htmld:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 1\design\images\ring_h.gif.1. Электрический ток. Плотность тока

Электрическим током называется любое упорядоченное движение электрических зарядов. В проводнике под действием приложенного электрического поля свободные элек­трические заряды перемещаются: поло­жительные - по полю, отрицательные - против поля, 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 положительное направление тока условно принимают направление движения поло­жительных зарядов.

Количественной мерой электрического тока служит ток (или сила тока) i=i(t) - скалярная фи­зическая величина, равная элек­трическому заряду, проходящему через по­перечное сечение проводника в единицу времени. Другими словами, ток равен скорости изменения заряда q(t):

. (12.1)

Если ток постоянный i=I=const, то

. (12.2)

Единица силы тока 1 А (ампер).

Физическая величина, равная силе тока I, проходящего через единицу площади S поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока, на­зывается плотностью тока:

. (12.3)

Выразим силу и плотность тока через среднюю скорость <υ> упорядоченного движения зарядов в проводнике. Если концентрация носителей заряда равна n, и каждый носитель имеет элементарный заряд e, то за время dt через поперечное сечение S проводника перено­сится заряд

. (12.4)

Тогда ток

, (12.5)

а плотность тока

. (12.6)

Строго говоря, плотность тока – это вектор, ориентирован­ный по направлению тока , т. е. направле­ние вектора совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов. Единица плотности тока - 1 А/м².

Сила тока сквозь произвольную по­верхность определяется как поток векто­ра через поверхность , т. е.

, (12.7)

где - элементарная площадка, - единичный вектор нормали к площадке , составляющий с вектором угол .

12d:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 1\content\chapter1\section\paragraph2\theory.htmld:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 1\design\images\ring_h.gif.2. Сторонние силы. Электродвижущая сила. Закон Ома

Если в цепи на носители заряда действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей (они предполагаются положительными) от то­чек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Это приведет к выравниванию потенциалов во всех точках цепи и к исчезновению электричес­кого поля. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи источника постоянного тока, способного создавать и поддерживать разность потенциалов на участках цепи за счет работы сторонних силнеэлектрического происхождения. Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах сторонние силы возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока они возникают при движении проводников в магнитном поле, т.е. за счет механической энергии вращения ро­тора генератора. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачки жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.