Электрическая цепь постоянного тока
Р
Рис. 2.
ассмотрим простейшую электрическую цепь постоянного тока, составленную из одного гальванического элемента и проводника (рис.2).На внешнем участке цепи электрические заряды движутся под действием сил электрического поля. Перемещение зарядов внутри проводника не приводит к выравниванию потенциалов всех точек проводника, так как в каждый момент времени источник тока доставляет к одному концу электрической цепи точно такое же число заряженных частиц, какое из него перешло к другому концу внешней электрической цепи. Поэтому сохраняется неизменным напряжение между началом и концом внешнего участка электрической цепи; напряженность электрического поля внутри проводников в этой цепи отлична от нуля и постоянна во времени.
Цепь постоянного тока можно разбить на определенные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (то есть участки, не содержащие источников тока), называются однородными. Участки, включающие источники тока, называются неоднородными. При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы.
В общем случае электрическая цепь представляет собой совокупность источников тока, проводников и потребителей электроэнергии и включает:
узлы – точки соединения трёх и более проводников;
контуры – замкнутые пути из проводников. При этом каждый проводник может входить в несколько контуров;
ветви – последовательное соединение элементов между двумя ближайшими узлами.
Подобная цепь называется разветвлённой.
Электрическое сопротивление
Электри́ческое
сопротивле́ние
(э.с.)
–
физическая величина, характеризующая
свойства проводника препятствовать
прохождению электрического
тока,
измеряется в Омах (Ом).
Электрическое сопротивление, обусловленное передачей или преобразованием электрической энергии в другие виды: при необратимом преобразовании электрической энергии (преимущественно в тепловую энергию) называется активным сопротивлением; Электрическое сопротивление, обусловленное передачей энергии электрическому или магнитному полю (и обратно), называется реактивным сопротивлением.
Высокая электропроводность металлов связана с тем, что в них имеется большое количество носителей тока – электронов проводимости, образующихся из валентных электронов атомов металла, которые не принадлежат определённому атому. Электрический ток в металле возникает под действием внешнего электрического поля, которое вызывает упорядоченное движение электронов. Движущиеся под действием поля электроны рассеиваются на неоднородностях ионной решётки (на примесях, дефектах решётки, а также нарушениях периодической структуры, связанной с тепловыми колебаниями ионов). При этом электроны теряют импульс, а энергия их движения преобразуются во внутреннюю энергию кристаллической решётки, что и приводит к нагреванию проводника при прохождении по нему электрического тока.
В других средах (полупроводниках, диэлектриках, электролитах, неполярных жидкостях, газах и т. д.) в зависимости от природы носителей заряда физическая причина сопротивления может быть иной. Линейная зависимость, выраженная законом Ома, соблюдается не во всех случаях.
Сопротивление
проводника при прочих равных условиях
зависит от его геометрии и от удельного
электрического сопротивления
материала, из которого он состоит.
Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств вещества проводника, его длины, сечения и вычисляется по формуле:
,
где
– удельное
сопротивление
вещества проводника,
– длина проводника, а
– площадь сечения.
Удельное сопротивление – скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения.
Сопротивление зависит как от материала, по которому течёт ток, так и от геометрических размеров проводника и от температуры. Сопротивление металлов снижается при понижении температуры; при температурах порядка нескольких Кельвинов сопротивление большинства металлов и сплавов стремится или становится равным нулю (эффект сверхпроводимости). Напротив, сопротивление полупроводников и изоляторов при снижении температуры растёт. Сопротивление также меняется по мере увеличения тока/напряжения, протекающего через проводник/полупроводник.
Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором.