Законы постоянного тока

Законы постоянного тока

Электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц (электронов и ионов).

За направление тока  условно принято направление

движения положительных зарядов, т. е.  от  « + »  к  « - ».

Условия, необходимые для существования электрического тока:

- Наличие свободных заряженных частиц;

- Наличие электрического поля, действующего на заряженные частицы с силой в определённом направлении;

- Наличие замкнутой электрической цепи.

Действия  тока:

Тепловое: проводник по которому течет ток нагревается.

Химическое: электрический ток может изменять химический состав проводника (электролита).

Магнитное: ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела. Вокруг проводника с током существует магнитное поле.

Закон Ома для участка цепи.

В 1826  году немецкий физик Георг Ом экспериментально установил, что  I ~ U;  I ~

  I  I

  U = const

  R = const

  U  R

Закон Ома для участка цепи: сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению U  и обратно пропорциональна сопротивлению проводника R. 

I  =  

Электродвижущая сила.

Если два заряженных тела соединить проводником, то через него пойдет кратковременный ток. Избыточные электроны с отрицательно заряженного тела перейдут на положительно заряженное. Потенциалы тел окажутся одинаковыми, значит, напряжение на концах проводника станет равно нулю, и ток прекратится. Для существования длительного тока в проводнике нужно поддерживать разность потенциалов на его концах неизменной. Этого можно достичь, перенося свободные электроны с положительного тела на отрицательное так, чтобы заряды тел не менялись со временем.

Силы электрического взаимодействия сами по себе не способны осуществлять подобное разделение зарядов. Они вызывают притяжение электронов к положительному телу и отталкивание от отрицательного. Поэтому внутри источника тока должны действовать сторонние силы, имеющие неэлектрическую природу и обеспечивающие разделение электрических зарядов. 

Сторонние силы - любые силы, действующие на электрические заряженные частицы, за исключение сил, электростатического происхождения (т. е. кулоновских).

ЭДС – электродвижущая сила – физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного  положительного заряда от «+» полюса к «-» полюсу внутри источника тока.  Является энергетической характеристикой  источника тока.   =В

Закон Ома для полной цепи.

Сила тока прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи:  I =  

где: – ЭДС источника тока

R –  внешнее сопротивление цепи

r -  внутреннее сопротивление цепи

Аст = εIΔt  Аст = Q  е = IR + Ir =  Uвнеш.+ Uист.  зист. =

ЭДС равно сумме падения напряжений на внешнем и внутреннем участках замкнутой цепи.

Частный случай -  короткое замыкание, когда  R =  0 ,  Iк. з. =

Основные характеристики электрического тока.

I	U	R
Название физической  величины	Сила тока – основная количественная характеристика электрического тока	Электрическое напряжение	Электрическое сопро - тивление – основная электрическая характеристика проводника
Определение	физическая величина, численно равная заряду, переносимому через поперечное сечение проводника в единицу времени.	физическая вели - чина, численно равная работе электрического поля  по перемещению единично - го заряда вдоль проводника	Характеристика проводника, показывающая его способность противодействовать прохождению эл. тока по проводнику за счёт особенностей молекулярного строения и его геометр. параметров
Формула для нахождения	I = q′ I  = = q0nυS I  –  сила тока q – эл. заряд t –  время q0 – заряд свободной заряженной частицы n – концентрация носителей заряда υ - ср. скорость упорядо - ченного движения зарядов вдоль проводника S – площадь поперечного сечения проводника	U  = U -  эл. напряжение A - работа q  - эл. заряд	R = R – эл. сопротивление l –  длина проводника S – площадь поперечного сечения проводника ρ - удельное сопротивле - ние материала, из которого изготовлен проводник.
Единицы измерения	[ I ] = А (Ампер) А ==	[ U ] = В (Вольт) В = = А·Ом	[ R ] = Ом (Ом) Ом =
Прибор для измерения и его подключение	Амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить	Вольтметр включается в цепь параллельно тому участку цепи, где измеряют напряжение	Омметр Включается при разомкнутой эл. цепи вместе с сопротивлением, которое измеряют

Виды соединений источников тока:

последовательное

параллельное

Каждый полюс промежуточного источника соединяется с одним полюсом предыдущего или последующих источников. ЭДС батареи равна алгебраической сумме ЭДС отдельных источников. Знак определяется произвольно выбранным положит. направлением обхода контура (см. рис. – по часовой стрелке). Если при обходе переходим от «-» полюса к «+», то >0. Например, на приведенном рис.: ε = ε1 - ε2 - ε3 Внут. сопротивление батареи  r = r1 + r2 + ... + rn Частный случай – одинаковые источники (1=2= …=n и r1 = r2 =… =rn) соединены разноимёнными полюсами.  I =

Одни полюса источников (не обязательно одноименные) соединяются в один узел, остальные - в другой. Внутри источников даже при отключенной батареи протекают токи. Расчет ЭДС производится по законам электротехники. Рассмотрим частный случай - одинаковые источники соединены одинаковыми полюсами. (В отсутствии нагрузки токов в батарее нет.)  εобщ. = ε  rобщ. = I =

Последовательное и параллельное соединение проводников.

Вид соединения	Последовательное	Параллельное
Схема соединения
Законы:	1. I=I1=I2= …= In -  сила тока одинакова во всех проводниках 2. U=U1+U2 +…+Un -  падение  напряжения в цепи равно сумме падения напряжений на отдельных участках 3. Общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений на отдельных участках цепи. =++…+ ⇒ R = R1+ R2 + ... + Rn Падение  напряжения на проводниках прямо пропорционально их сопротивлениям:  Если R1= R2 = ... = Rn, то R = nR1	1.  U=U1=U2 …=Un -  напряжение на всех участках цепи одинаково 2. I=I1+I2+…+In - сила тока в разветвленной части цепи равна сумме сил токов, текущих в разветвленных участках цепи  3.  Общее сопротивление цепи равно  = + +…+  Сила тока в участках разветвления цепи обратно пропорциональна их сопротивлениям  Если R1= R2 = ... = Rn, то R =

Шунтирование амперметра.

Важным примером применения последовательного и параллельного соединения проводов являются различные схемы включения электроизмерительных приборов. Допустим, что имеется некоторый амперметр, рассчитанный на максимальный ток Imax, а требуется измерить большую силу тока. В этом случае параллельно к амперметру присоединяют малое сопротивление r, по которому направится большая часть тока. Его называют обычно шунтом. Сопротивление амперметра – R, и пусть R/r=n. Сила тока в цепи, амперметре и в шунте равны соответственно I, Iа и Iш. Тогда,  = = n  или  Iш = Iаn
Полный ток I в цепи равен  I = Iа + Iш =  Iа + Iаn = Iа(n+1)  или  Iа = I  r =

Параллельное присоединение шунта к измерительному прибору с целью изменения его чувствительности называют шунтированием.

Схема шунтирования амперметра добавочным малым сопротивлением r.

Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля – Ленца.

Работа электрического поля по перемещению заряда ∆ q из одной точки в другую равна произведению напряжения U между этими точками на величину заряда Δq: A=ΔqU

Учитывая, что Δq = IΔt получаем:  A= IUΔt = I2RΔt = Δt

При прохождении тока через проводник происходит его нагревание, значит электрическая энергия переходит в тепловую.

Закон Джоуля –  Ленца гласит: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивлению проводника и времени.

Q =  I2 R t – закон Джоуля – Ленца.

Закон открыт экспериментально независимо друг от друга  Дж. Джоулем и .

Q = А –  по закону сохранения энергии.

Мощность электрического тока равна работе,  которая совершается током за единицу времени.  P = = IU = I2R =   = = Вт = А·В (Ватт)

Единицы работы и энергии:  1 Вт · с = 1 Дж

  1 Вт · ч  = 3600 Дж = 3,6 · 103  Дж

  1 кВт · ч  = 3600  000 Дж = 3,6 · 10 6  Дж

Электрический ток в различных средах.

Металлы	Полупроводники	Вакуум	Газ	Жидкость
Носители свободных зарядов
Электроны	Электроны и дырки	Электроны	Ионы и электроны	Ионы
Способ образования носителей свободных зарядов
Обобществление валентных электронов	Разрыв ковалентных связей	Термоэлектронная эмиссия	Ионизация и ударная ионизация	Электролитическая  диссоциация
Вольт-амперная характеристика
I   U	I   U	I U	I U	I U
Зависимость электрического сопротивления от температуры.
R   T	R   T	___________	R   T	R   T
Особенности протекания тока в среде.
Явление сверхпроводимости	Собственная, донорная и акцепторная проводимости	Скорость движения электронов порядка 105 м/с	Самостоятельный и несамостоятельный разряды, плазма	Перенос вещества при электролизе
Применение в науке и технике.
Провода, обмотка, нагревательные элементы	Диоды, транзисторы, микросхемы, солнечные батареи	Электронно-лучевая трубка, кинескоп	Газоразрядные трубки. Коронный, дуговой, искровой и тлеющий разряды	Получение алюминия, рафинирование меди. Гальванопластика, гальваностегия