12 Вопрос Электрический ток. Сила и плотность тока

Электрическим током назы­вается любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов.

За направление тока условно принимают направ­ление движения положительных зарядов.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I -скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, прохо­дящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

.

Ток, сила и направление которого не изменяются со временем, называется постоянным. Для постоянного тока , где

Единица силы тока - ампер, А.

Физическая величина, определяемая си­лой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводни­ка, перпендикулярного направлению тока, называется плотностью т о к а:

.

(2.1)

Плотность тока - вектор, ориентированный по направлению тока, т.е. на­правление вектора совпадает с направлением упорядоченного движения по­ложительных зарядов. Единица плотности тока - ампер на метр в квадрате,

Сила тока сквозь произвольную поверхность S определяется как поток вектора ,т.е.

, (2.2)

где ( -единичный вектор нормали к площадке dS, составляющей с вектором угол ).

15 Вопрос

Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение

Природа сторонних сил может быть различна. Например, в гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электро­дами и электролитами, в генераторе - за счет механической энергии вращения ротора генератора и т.п. Под действием создаваемого поля сторонних сил элек­трические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатиче­ского поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциа­лов и в цепи течет постоянный электрический ток. Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов.

Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (э.д.с.), действующей в цепи:

. (2.3)

Эта работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока,

Н а п р я ж е н и е м U на участке 1 - 2 называется физическая величина, определяемая работой совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи.

.

Понятие напряжения является обобщением понятия разности потенциалов напряжения на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует э.д.с., т.е. сторонние силы отсутствуют

16 Вопрос Закон Ома. Сопротивление проводников

сила тока I, теку­щего по однородному металлическому проводнику, т.е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы, пропорциональна напряжению U на концах проводника.

, (2.7)

Уравнение выражает з а к о н О м а д л я у ч а с т к а ц е п и (не содержащего источника э.д.с): си­ла тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Формула позволяет установить единицу сопротивления - ОМ (Ом): 1 Ом сопротивление такого проводника, в котором при напряжении в 1 В течет постоянный ток 1 А

Величина называемся э л е к т р и ч е с к о й п р о в о д и м о с т ь ю проводника. Единица проводимости- с и м е н с (См): 1 См - проводимость участка электрической цепи сопротивлением I Ом

Сопротивление проводника зависит от его размеров и формы, а также ма­териала, из которого проводник изготовлен Для однородного линейного про­водника сопротивление R прямо пропорционально его длине l и обратно про­порционально площади его поперечного сечения S:

(2.8)

Закон Ома можно представить в дифференциальной форме. Подставив вы­ражение для сопротивления (2.8) в закон Ома (2.7), получим

, (2.9)

где величина

,

обратная удельному сопротивлению, называется у д е л ь н о й э л е к т -р и ч е с к о й п р о в о д и м о с т ь ю вещества проводника. Ее единица - сименс на метр (См/м). Учитывая, что - напряженность электрического поля в проводнике, - плотность тока, формулу (2.9) можно записать в виде

.

з а к о н О м а в д и ф ф е р е н ц и а л ь н о й ф о р м е, связывающий плотность тока в любой точке внутри проводника с напря­женностью электрического поля в этой же точке. Это соотношение справедливо и для переменных полей.

Качественная температурная зависимость сопротивления металла пред­ставлена на рис.27 (кривая 1). Впоследствии было обнаружено, что сопротивление многих металлов (например Al, Pb, Zn и др.) и их сплавов при очень низ­ких температурах Т (0,14-20 К), называемых к р и т и ч е с к и м и, характер­ных для каждого вещества, скачкообразно уменьшается до нуля (кривая 2), т.е. металл становится абсолютным проводником.

Рис. 21

Впервые это явление, называемое сверхпроводимостью Практическое использование сверх проводящих материалов (в обмотках сверхпроводящих магнитов, в системах памяти ЭВМ и др.) затруд­нено из-за низких их критических температур. Правда, в настоящее время об­наружены и активно исследуются керамические материалы, обладающие сверх­проводимостью при температуре выше 100 К.