Физика (стр. 49 )

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

Электрический ток принято характеризовать силой тока – скалярной величиной, равной заряду, переносимому носителями через рассматриваемую поверхность (например, поперечное сечение проводника) в единицу времени .

Электрический ток может быть распределен по поверхности, через которую он течет, неравномерно. В этом случае ток можно охарактеризовать с помощью вектора плотности тока , который численно равен силе тока , текущего через расположенную в данной точке перпендикулярную к направлению движения носителей площадку , отнесенной к величине этой площадки: . За направление вектора принимается направление движения положительных зарядов.

Ток, не изменяющийся со временем, называется постоянным. Для постоянного тока . В системе СИ единицей силы тока служит ампер. (Определение ампера будет дано позже.)

3.3.2. Электродвижущая сила. Напряжение

Если в проводнике создать электрическое поле и не принять мер для его поддержания, то перемещение носителей заряда приведет очень быстро к тому, что поле внутри проводника исчезнет и, следовательно, ток прекратится. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного 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.

Природа сторонних сил может быть различной. Например, в гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами; в генераторе – за счет механической энергии вращения ротора генератора и т. п. Роль источника тока в электрической цепи такая же, как роль насоса, который необходим для перекачивания жидкости в гидравлической системе. Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток.

Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов. Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (э. д. с.) , действующей в цепи: . Эта работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину называют также электродвижущей силой источника тока, включенного в цепь.

Кроме сторонних сил на заряд действуют также силы электростатического поля. Значит, работа, совершаемая результирующей силой над зарядом на участке цепи от точки 1 до точки 2, будет равна . Здесь и – потенциалы в точках 1 и 2 цепи.

Напряжением на участке цепи 1–2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи. Значит, , т. е. напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует э. д. с.

3.3.3. Закон Ома для однородного участка цепи

Г. Ом экспериментально установил, что сила постоянного тока, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. по проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению на концах проводника: . Величина называется электрическим сопротивлением проводника. Измеряется сопротивление в омах: – это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении в течет ток в . Сопротивление зависит от формы и размеров проводника, а также от свойств материала, из которого он сделан. Для однородного цилиндрического проводника . Здесь – длина проводника, – площадь поперечного сечения, – удельное электрическое сопротивление.

Величина, обратная сопротивлению , называется электрической проводимостью. Единица проводимости – сименс []: – проводимость участка электрической цепи сопротивлением .

Удельное сопротивление в системе СИ измеряется в омо-метрах [].

Опыт показывает, что в первом приближении изменение удельного сопротивления , а следовательно, и сопротивления , с температурой описывается линейной зависимостью: . Здесь и , и – удельные сопротивления и сопротивления при температурах и ; – температурный коэффициент сопротивления (для чистых металлов ). Используя значение , можно записать:

.

Закон Ома для однородного участка цепи можно представить в иной форме: . Величина называется удельной электрической проводимостью. Измеряется удельная электрическая проводимость в [] и обычно обозначается через .

Так как – напряженность электрического поля в проводнике, – плотность тока, то закон Ома можно записать в дифференциальной форме , связывающей плотность тока в любой точке внутри проводника с напряженностью электрического поля в этой же точке. Носители тока движутся в направлении вектора , поэтому направления векторов и . Таким образом, можно записать .