Постоянный электрический ток.

Электродинамика рассматривает явления и процессы, обусловленные движением электрических зарядов.

Электрический ток.

Если через некоторую площадку переносится суммарный заряд, отличный от нуля, то через эту площадку течёт электрический ток.

(Рисунок)

Он возникает в том случае, если в проводнике поддерживается электрическое поле Е, которое перемещает носители тока (электроны, ионы, заряженные пылинки, капельки и т.д.).

Носитель заряда участвуют в тепловом (хаотическом) движении.

(Рисунок)

При включении поля на хаотическое движение носителей накладывается упорядоченное движение .

Таким образом, электрический ток – это любое упорядоченное движение электрических зарядов.

За направление тока принимают движение положительных зарядов, то есть ток течёт от плюса к минусу. Количественной мерой тока служит сила тока (I) – скалярная величина, определяющаяся электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Для постоянного тока, то есть тока не изменяющегося во времени:

, .

Если электрический ток создаётся носителями обоих знаков, движущихся в противоположных направлениях, то:

Таким образом, сила тока представляет собой поток заряда через поверхность. Электрический ток может быть неравномерно распределён по поверхности площадки, через которую он протекает, поэтому для детальной характеристики тока используют понятие плотности тока – это векторная физическая величина, определяемая силой тока, проходящей через единичную площадку, перпендикулярную направлению движения носителей:

, где - направление нормали.

За направление вектора принимается направление вектора средней скорости положительных зарядов. Зная вектор плотности тока в любой точке пространства, можно найти силу тока через любую поверхность S:

То есть сила тока – это поток вектора плотности тока через поверхность.

Сторонние силы. Эдс и напряжение.

Для того, чтобы электростатическое поле в проводнике, а вместе с ним и электрический ток не исчезали, необходимо т конца проводника с меньшим потенциалом перемещать заряды, приносимые током, к концу проводника с большим потенциалом. Значит, заряды должны двигаться по замкнутому пути.

(Рисунок)

Известно, что циркуляция электростатического поля (при постоянном токе) равна нулю. Следовательно, в замкнутой цепи должен быть участок, на котором положительные заряды движутся в сторону возрастания потенциала, то есть против сил электростатического поля. Перемещение зарядов на этом участке возможно только с помощью сил не электростатического происхождения, которые называются сторонними силами.

Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС).

, . (37)

Участок замкнутой цепи представляет собой устройство, в котором происходит разделение разноимённых зарядов и перенос их соответствующим проводникам, называемым источниками тока.

(Рисунок)

Сторонние силы, действующие на заряд q на участке 1-2 можно представить следующим образом:

, где - напряжённость поля сторонних сил.

Работа сторонних сил на участке 1-2 равна:

.

Для замкнутой цепи:

.

Следовательно, ЭДС, действующую в замкнутой цепи, можно представить как циркуляцию вектора напряжённости сторонних сил. На заряд действуют такие силы электростатического поля.

.

Тогда .

Работа, совершаемая на участке 1-2 будет равна:

Величина, численно равная работе, совершённой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется падением напряжёния или напряжёнием.

Участок цепи, на котором действуют сторонние силы, называют неоднородным.

Участок цепи, на котором отсутствуют сторонние силы, называют однородным.

Для однородного участка цепи:

, то есть напряжение совпадает с разностью потенциалов.

Закон Ома для однородного участка цепи.

Сопротивление проводников.

Сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

(38)

где - сопротивление. .

- сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1В течёт ток силой 1А.

- электропроводимость.

Сопротивление проводника определяется по формуле:

(39)

где - удельное сопротивление.

Если подставить (39) в (38), то получим:

;

Учитывая, что - плотность тока,

- удельная электрическая проводимость,

- напряжённость электрического поля в проводнике,

получим (40)

Выражение (40) представляет собой закон Ома в дифференциальной форме.

Для большинства металлов при температурах, близких к комнатным:

где и - сопротивление и удельное сопротивление при ,

- температурный коэффициент.

(Рисунок)

- при последовательном соединении проводников.

(Рисунок)

При параллельном соединении:

Температурную зависимость проводников используют для измерения температур с высокой точностью (до ).