Постійний електричний струм

Головна | Про нас | Зворотній зв'язок

Електричний струм - це впорядкований рух електричних зарядів.

Для того щоб вільні заряди рухалися в середовищі впорядковано, необхідно або наявність електричного поля, або яке-небудь поле неелектростатіческіх сил.

Якщо вільні заряди рухаються впорядковано в електрич-зації поле, то причиною, що викликає електричний струм, є кулонівських сили.

Якщо ж вільні заряди рухаються впорядковано без електричного поля, то причиною, що викликає електричний струм, є сили, які називають сторонніми (наприклад, магнітні сили в генераторі електричного струму). Причому, якщо електричне поле характеризують напруженістю Е. то поле сторонніх сил - так званої напруженістю поля сторонніх сил Е *.

Кількісною характеристикою електричного струму є сила струму I. Це величина, яка дорівнює відношенню заряду dq. переноситься через поверхню за час dt. до часу dt

Сила струму, як це видно з визначення, - скалярна величина.

В системі СІ одиницею вимірювання сили струму є ампер [I] = Кл / с = А.

Електричний струм може бути обумовлений спрямованим рухом як позитивних, так і негативних зарядів. Причому, якщо струм створюється одночасним рухом поклади-них зарядів dq + (вони рухаються по полю) і негативних зарядів dq - (вони рухаються проти електричного поля), то

Електричний струм має напрямок. Це - умовна характеристика.

Напрямком струму прийнято вважати напрямок руху позитивних зарядів (якщо струм створюють негативні заряди, то напрямок струму протидії положную напрямку їх руху).

У загальному випадку величина відносини dq / dt може змінюватися з часом; якщо ж dq / dt = constто ток називають постійним і тоді можна вважати I = q / t.

Величина відносини dq / dt може залежати не тільки від часу, але і від координати: в різних точках перетину провід-ника воно може бути різним. Тому для характеристики електричного струму використовують диференціальну характе-ристики, що іменується щільність струму j:

де n - одиничний вектор, паралельний швидкості спрямованого руху позитивних зарядів; dS ^ - площа елементарної поверхні, перпендикулярної швидкості спрямованого руху-ня зарядів.

Розмірність щільності струму [j] = A / м 2.

Сила струму і щільність струму пов'язані між собою:

Останній вираз можна прочитати і так: сила струму через поверхню S дорівнює потоку вектора щільності струму j через цю поверхню.

Перебіг електричного струму не викликає накопичення заряду в провіднику. Це означає, що якщо в певний обсяг провідника увійшов заряд dq. то такий же заряд повинен вийти з цього обсягу.

У математичній формі послід-неї твердження має наступний вигляд:

Знайдемо зв'язок щільності струму з середньою швидкістю упорядкованого руху зарядів в провіднику. Для цього виберемо одиничну поверхню, перпендикулярну швидкості упорядкованого руху зарядів. За одиницю часу через неї пройде n + × v позитивних зарядів і n × v негативних зарядів (тут n +. N - - концентрації позитивних і негативних зарядів відповідно, v +. V - - швидкості спрямованого руху зарядів). Тоді щільність струму

За відсутності електричного поля вільні носії заряду рухаються хаотично. Цей рух не дає вкладу в j. так як середня швидкість хаотичного руху дорівнює нулю.

Якщо в провіднику створити електричне поле, вільні заряди почнуть рухатися впорядковано, т. Е. Виникне електричний струм.

Однак цей струм дуже швидко припиниться, так як вільні заряди перерозподіляться так, що поле усередині провідника стане дорівнює нулю і причина, яка викликала спрямований рух зарядів, зникне (див. Розд. 1.19).

Для того щоб струм не припинявся, необ-ходимо переносити через надлишкового заряди з одного кінця провід-ника на протилежних-жний. Тоді електрич-чеський поле всередині провідника буде су-ществовать безперервно і спрямований рух зарядів не припинятиметься.

Іншими словами - для того щоб в ланцюзі безперервно існував електричний струм, в частині електричного кола вільні носії повинні рухатися по електричному полю, а в іншій частині - проти.

Природно, електричне поле не може змусити поло-тивних заряди рухатися проти кулонівських сил. Следо-вательно, в частині ланцюга повинні діяти сили, що змушують позитивні заряди рухатися від "мінуса" до "плюса". Такі сили неелектростатіческого походження прийнято називати сторонніми.

Ділянка ланцюга, на якому діють сторонні сили, називають джерелом ЕРС (електрорушійної сили).

На практиці використовуються різні види джерел ЕРС. Це електричні генератори, гальванічні елементи (батарейки), акумулятори та т. Д.

Джерело електрорушійної сили характеризується величиною ЕРС:

де Аст - робота сторонніх сил по переміщенню заряду q; q - заряд, переміщений сторонніми силами.

Розмірність ЕРС [e] = Дж / Кл = В (вольт).

Роботу сторонніх сил по переміщенню заряду q всередині джерела ЕРС можна обчислити таким чином:

Звідси величина ЕРС

Якщо електричне коло замк-нуту, то ЕРС дорівнює

Робота по переміщенню заряду на ділянці ланцюга, що містить джерело ЕРС, може бути знайдена як

З огляду на зв'язок напруженості і потенціалу, а також визна-ня ЕРС, отримуємо

Величина, що дорівнює роботі електростатичних і сторонніх сил по переміщенню одиничного заряду в електричному ланцюзі, називається напругою:

Зверніть увагу: напруга на ділянці кола і різниця потенціалів на його кінцях різні за величиною.

Напруга і різниця потенціалів не одне і те ж!

Слід зазначити, що ділянка ланцюга, що містить джерело ЕРС, називають неоднорідним. Ділянка, що не містить источ-ника ЕРС, називають однорідним.

Оскільки однорідний ділянка не містить ЕРС, остільки. т. е. напруга на однорідному ділянці ланцюга дорівнює різниці потенціалів на його кінцях.

Георг Ом, експериментуючи з ланцюгами постійного струму, виявив, що сила струму в ділянці електричного кола визначається наступним співвідношенням:

де I - сила струму в ланцюзі, U - напруга на кінцях ланцюга, R - опір ланцюга.

Цей вислів прийнято називати законом Ома для ділянки кола.

Опір ланцюга є коефіцієнт, що зв'язує на-напруга в ланцюзі і силу струму, що виникає в ланцюзі за рахунок напруги U.

Оскільки розмірності сили струму і напруги не співпадають, R є розмірним коефіцієнтом. Розмірність опору можна отримати із закону Ома: [R] = [U] / [I] =
= В / А = Ом.

Величина опору ланцюга при постійній температурі залежить від розмірів і форми провідників ланцюга, від матеріалу, з якого провідники виготовлені. Збільшення температури у більшості провідників викликає зростання опору.

Для однорідного за складом провідника постійної довжини і перетину опір. де r - питомий опір

провідника *; l - довжина провідника, S - площа поперечного перерізу провідника.

Закон Ома для ділянки кола може бути записаний в диф-ференціальной формі

де j - щільність струму в провіднику; r - питомий опір провідника; s - питома електрична провідність провід-ника; Е - напруженість електричного поля в провіднику.

Якщо ділянку ланцюга неоднорідний, то крім електростатичних сил на вільні заряди діють і сторонні, тоді

Цей вислів є закон Ома в диф-ференціальной формі для неоднорідної ділянки кола.

У інтегральної формі це виглядає так:

де j1 - j2 - різниця потенціалів на кінцях ділянки кола.

Останній вираз являє собою закон Ома для неоднорідної ділянки кола в інтегральній формі.

Якщо неоднорідна ланцюг замкнута, то j1 = j2 (так як кінці ділянки ланцюга з'єднані між собою) і закон Ома приймає наступний вигляд:

де R - сумарний опір однорідної ділянки кола і внутрішнього опору джерела ЕРС.

Цей вислів є закон Ома для замкненого кола.

* Питомий опір залежить від матеріалу провідника; розмірність питомої опору - Ом × м.