2.2. Закономерности протекания тока в проводниках

Ток  определяется величиной электрического заряда q, протекающего через поперечное сечение проводника в единицу времени t (2.1):

 = q / t (2.1)

Единицей измерения тока является ампер (А).

При токе в 1 А через поперечное сечение проводника за секунду (с) протекает заряд, равный одному кулону (Кл): 1 А = 1 Кл/с.

Электрон обладает отрицательным зарядом e = 1,6·10^–19 Кл. При токе в 1 А через поперечное сечение проводника с электронной проводимостью за секунду протекает 625·10¹⁶ электронов.

Величина тока зависит от напряжения (разности потенциалов на концах проводника) и от способности материала проводника проводить электрический ток. Закономерную связь между этими величинами установил в 1826 г. немецкий физик Георг Симон Ом (1787–1854 гг.).

Закон Ома гласит: ток  в проводнике прямо пропорционален приложенному напряжению U и обратно пропорционален сопротивлению проводника R (2.2):

 = U / R (2.2)

Напряжение U, измеряемое в вольтах (В), определяет силы, вызывающие движение заряженных частиц в проводнике, а сопротивление R, измеряемое в омах (Ом), — противодействие материала проводника направленному движению зарядов.

Физический смысл явления электрического сопротивления состоит в том, что заряженные частицы при упорядоченном движении наталкиваются на молекулы вещества проводника, которые препятствуют их свободному движению. В металлах сопротивление оказывают ионы в узлах кристаллической решётки.

Сопротивление R (Ом )конкретного проводника можно вычислить (2.3):

R =  l / S , (2.3)

где l — длина проводника, м ;

S — площадь поперечного сечения проводника, м² ;

 — удельное электрическое сопротивление материала проводника, Ом·м .

Удельное электрическое сопротивление материала наряду с его геометрическими размерами определяет электрическое сопротивление проводника. Удельное электрическое сопротивление численно равно сопротивлению проводника в виде куба с ребром в 1 м при протекании тока через его противоположные грани.

Для определения удельного электрического сопротивления измеряют сопротивление проводника R, его длину l и площадь поперечного сечения S, а затем вычисляют  — удельное электрическое сопротивление материала, из которого сделан проводник.

Кроме понятий электрическое сопротивление и удельное электрическое сопротивление нередко используют обратные им понятия электрическая проводимость (G) (измеряется в сименсах — См) и удельная электрическая проводимость ().

Таким образом, G = 1/R, (См = 1/Ом) ; (2.4)

 = 1/, (1/(Ом·м )) . (2.5)

Упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике вызывает его нагрев.

Движущаяся со скоростью  частица массой m, обладает кинетической энергией W_кин = m·²/2 . (2.6)

При соударениях частиц их кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию. Образование теплоты в проводнике под действием тока описано английским физиком Д. Джоулем (1818 – 1889 гг.) и русским электротехником Э.Х. Ленцем (1804 – 1865 гг.).

Закон Джоуля-Ленца позволяет определить количество тепловой энергии Q , выделяющейся на проводнике с сопротивлением R за время t при протекании по нему тока  (2.7).

Q = ²·R·t (2.7)

Единица измерения количества энергии — джоуль (Дж).