Работа № 1 изучение законов постоянного тока

1. Основные понятия

Упорядоченное движение заряженных частиц называется электрическим током. Его принято характеризовать силой тока - скалярной величиной, равной заряду, проходящему через поперечное сечение проводника в единицу времени. Если за время dt проходит заряд dq, то сила тока I по определению равна:

(1)

Единица силы тока - ампер.

Электрический ток можно также характеризовать с помощью вектора плотности тока j. Плотность тока численно равна величине заряда, проходящего в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной к направлению движения носителей. Если за время dt перенесен через площадку ds заряд dq, то плотность тока равна

(2)

За направление j принимается направление вектора скорости движения положительных носителей.

Для получения тока в каком-либо проводнике на его концах необходимо создать и поддерживать разность потенциалов. Поскольку под действием электростатического поля заряды перемещаются так, чтобы разность потенциалов уменьшалось, необходимы устройства, в которых на заряды действовали бы силы, отличные от сил электростатического поля. Такие силы получили название сторонних сил. Всякие устройства, в которых возникают сторонние силы, называются источниками тока (например, гальванические элементы и т. п.). Сторонние силы могут быть обусловлены химическими процессами, диффузией носителей заряда в неоднородной среде, электрическими (не потенциальными) полями.

Электрической цепью называется совокупность источников тока, соединительных проводов, приборов или других устройств (активных и реактивных сопротивлений).

Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по цепи зарядами. Величина, равная работе сторонних сил, отнесенной к единице положительного заряда, называется электродвижущей силой (э. д. с.) , действующей в цепи или на её участке. Следовательно, если работа сторонних сил над зарядом q равна A, то по определению:

(3)

Размерность э.д.с. совпадает с размерностью потенциала.

2. Законы постоянного тока

2.1. Закон Ома для участка цепи

Георг Ом экспериментально установил закон, согласно которому сила тока, текущего по проводнику, в котором не действуют сторонние силы, прямо пропорциональна напряжению на концах проводника.

I =  U

(4)

Величина  - коэффициент пропорциональности - называется электропроводностью проводника, величина, обратная электропроводности, называется сопротивлением проводника:

(5)

Размерность сопротивления [ Ом ], согласно (4) и (5) [Ом] = [В/А]. Величина сопротивления зависит от формы, размеров и материалов проводника. Для однородного проводника:

(6)

где l - длина проводника, s - его поперечное сечение,  - коэффициент, зависящий от материала, называемый удельным сопротивлением. Размерность [  ] = [Омм].

Сопротивление зависит от температуры проводника. Для металлов  = ₀ (1+   t), где  - температурный коэффициент сопротивления, t - температура (С⁰), ₀ - удельное сопротивление при t = 0⁰ C.