45. Источники тока. Характеристика электрического тока. Сторонние силы. Э.Д.С. Напряжение.

Исто́чник то́ка (также генератор тока) — двухполюсник, который создаёт ток , не зависящий от сопротивления нагрузки, к которой он присоединён. В быту «источником тока» часто неточно называют любой источник электрического напряжения (батарею, генератор, розетку), но в строго физическом смысле это не так.

Электри́ческий ток — упорядоченное некомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях — электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).

Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения электронов.

Скорость направленного движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. За 1 с электроны в проводнике перемещаются за счет упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм.^[1] Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света, то есть скорости распространения фронта электромагнитной волны.

• Постоянный ток—ток, направление и величина которого слабо меняется во времени.

• Переменный ток — это ток, направление и величина которого меняется во времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется. Время, за которое происходит один такой цикл (время, включающее изменение тока в обе стороны), называется периодом переменного тока. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц соответствует одному периоду в секунду.

Переменный ток высокой частоты вытесняется на поверхность проводника, этот эффект называется скин-эффектом

НАПРЯЖЕНИЕ-между двумя точками электрической цепи или электрического поля (U) – скалярная физическая величина, равная отношению работы электрического поля по перемещению заряда из одной точки в другую к величине этого заряда.

Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают по перемещению зарядов в замкнутой цепи. Величина, равная работе сторонних сил А_ст, отнесенная к единице положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС). Единицей измерения ЭДС в СИ (как и напряжения) является В (Вольт).

46. Закон Ома. Сопротивление. Закон Ома в дифференциальной форме. Удельная электропроводность. Сверхпроводимость. Мощность тока. Закон Джоуля-Ленца.

Закон Ома для участка цепи.

Протекающий в проводнике ток прямо пропорционален приложенному напряжению и обратно пропорционален сопротивлению проводника. I=U/R.

Омическое сопротивление проводника.

Сопротивление- физическая величина, зависящая только от вещества и геометрических размеров проводника. R=l/S, =RS/l, где - удельное сопротивление. 1 Ом- сопротивление такого проводника, по которому течет ток в 1 Ампер, если на его концах поддерживается напряжение в 1 Вольт. R=Ом=А/В.

Удельное сопротивление.

Удельное сопротивление ()- физическая величина, численно равная сопротивлению проводника, длина которого 1 м, а площадь сечения 1 м², при температуре t=20C. R=l/S. =Ом м.

Зависимость удельного сопротивления от температуры.

Опытным путем было установлено, что удельное сопротивление есть функция температуры. =₀(1+t), где ₀-удельное сопротивление при t=0C. -температурный коэффициент сопротивления, показывающий на сколько меняется удельное сопротивление проводника при его нагревании на 1C (или на 1 К).

Дифференциальная форма закона Ома.

Если проводник неоднороден по своему составу и/или имеет неодинаковое сечение, то для характеристики тока в различных частях проводника используют закон Ома в дифференциальной форме. Для его вывода выделим внутри проводника элементарный цилиндрический объем (рис.5.8) с образующими, параллельными вектору плотности тока . Если выделенный объем достаточно мал, его можно считать однородным и применить к нему закон Ома:

, где

, откуда

Рис.5.8. К выводу закона Ома в дифференциальной форме.

Или в векторном виде:

Величина называется коэффициентом электропроводности или проводимостью материала. Единицей измерения σ в СИ является (Ом∙м)^-1=См (сименс).

МОЩНОСТЬ ТОКА (P)– скалярная физическая величина, равная отношению работы тока ко времени, за которое она была совершена.

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ– явление резкого уменьшения до нуля электрического сопротивления некоторых веществ, наблюдающееся при их охлаждении до температуры ниже критической. У разных веществ критическая температура различна. У некоторых керамических материалов температура перехода в сверхпроводящее состояние превышает 100 К. Если возбудить в кольце из сверхпроводящего материала ток, то этот ток будет существовать в нем сколь угодно долго, несмотря на отсутствие какого-либо источника напряжения.

Вещество, находящееся в сверхпроводящем состоянии, не оказывает никакого сопротивления только постоянному току.

Закон Джоуля- Ленца.

Согласно закону сохранения энергии, работа электрического поля превращается в тепловую энергию проводника A=Q. Q=А=IUt=I²Rt=U²t/R. Q=I²Rt- закон Джоуля- Ленца (для последовательного соединения проводников); Q=U²t/R- закон Джоуля- Ленца (для параллельного соединения проводников).