Раздел 3. Постоянный электрический ток.

1. Основные параметры тока и элементов электрической цепи. Законы Ома, Джоуля-Ленца. Сверхпроводимость.

Электрический ток – направленное движение зарядов в проводнике.

Условия возникновения тока:

1. Нужны носители тока, то есть заряды (свободные или почти свободные)

2. Надо нарушить равновесие заряда в проводнике (либо , либо )

Если на заряд действует сила, то заряд должен двигаться с ускорением, но они двигаются с равномерной скоростью. Можно сделать вывод, что движение зарядов происходит в среде с сопротивлением.

Параметры тока:

1. Сила тока (ток):

2. Плотность тока: . Плотность тока имеет смысл в точке (скорость зависит от точки пространства)

Если сила тока не меняется ни по величине, ни по направлению с течением времени, то ток – постоянный.

К ак не допустить возрастания потенциала? Необходимо из точки 1 в точку 2 переместить положительны заряд, то есть переносить его против электростатического поля. Участок цепи, на котором перенос зарядок происходит против электростатического поля – источник (перенос осуществляется благодаря сторонним силам). Физическая величина, численно равная работе сторонней силы по переносу единичного положительного заряда внутри источника – электродвижущая сила (ЭДС):

Законы Ома

Рассмотрим следующую схему:

1. - закон Ома для однородного участка цепи

2. – закон Ома для неоднородной цепи

3. – закон Ома для замкнутой цепи

В общем случае:

Закон Джоуля-Ленца

Е сли в проводнике устанавливается равновесие, то работа электрического тока должна быть равна потерям энергии на этом участке цепи. Тогда мы получаем закон Джоуля-Ленца: . Но этот закон работает не всегда, вернее не только с тепловой энергией. Также закон Джоуля-Ленца может носить частный характер. Если мы применим к его формуле закон Ома, то получим . При этом сопротивление само является функцией температуры.

На графики зависимости сопротивления от температуры

показано явление сверхпроводимости, то есть резкого

падения температуры, это чисто квантовый эффект.

2. Электрический ток в электролитах и газах. Закон электролиза Фарадея.

Электролиты – это вещества, расплавы или растворы, которые проводят электрический ток вследствие диссоциации на ионы, однако сами вещества не проводят электрический ток.

Пример: .

Валентность – заряд иона.

Положительный заряд иона - , отрицательный заряд иона - .

Плотность тока .

Если возьмем электролиты, то получим:

Направленная скорость электрона имеет порядок несколько миллиметров в секунду.

На электрон действует сила Кулона: (1).

А также вспомним закон Стокса: (2).

Из (1) и (2) следует, что . Это скорость в поле единичной напряженности.

Теперь получим закон Ома для электролитов: , где – удельная электропроводность электролитов. Тогда

Закон Фарадея (закон электролиза)

Заряд: , а масса переносимого вещества:

Тогда

Получим закон Фарадея:

Ток в газах

Газы не могут проводить электрический ток, но он становится проводим, если газ ионизировать.

Ток в газах – это направленное движение положительных ионов и отрицательных электронов.

При определенной концентрации ионов и электронов вещество переходит в состояние плазмы (например, шаровая молния).

Различают низкотемпературную плазму (~1000⁰) и высокотемпературную плазму (>6000⁰).