Постоянный электрический ток

Электрическим током называется упорядоченное движение свободных заряженных частиц.

Постоянным электрическим током называется упорядоченное движение свободных заряженных частиц с постоянной скоростью.

За направление электрического тока принимается направление движения положительных заряженных частиц.

Замечание: Для возникновения электрического тока (в том числе постоянного) совсем не обязательно наличие проводника. Примером может служить упорядоченное движение электронов внутри электронно-лучевой трубки. В дальнейшем будет рассмотрено возникновение и условия протекания постоянного электрического тока внутри металлического проводника.

Протекание электрического тока характеризуется физической величиной - силой тока.

Обозначение: I

Единицы измерения: [A]

I = (2.1)

Сила тока - это заряд, протекающий через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Рассмотрим участок цепи на концах которого поддерживается постоянная разность потенциалов.

Под действием электрического поля электроны будут двигаться равноускоренно, так как поддерживается постоянная разность потенциалов. Но при этом возможно их взаимодействие с атомами кристаллической решетки, в результате которого они будут передавать этим атомам часть своей кинетической энергии, уменьшая свою собственную скорость. Таким образом, движение электронов в проводнике в первом приближении представляет собой чередование их разгона и резкого изменения скорости при взаимодействии с атомами.

Расстояние между атомами в решетке намного превышает их собственные размеры, поэтому при температуре близкой к абсолютному нулю вероятность описанного выше взаимодействия практически равна нулю. Сопротивление проводника в этом случае становится равным нулю. Данное явление называется сверхпроводимостью.

При увеличении температуры амплитуда колебаний атомов увеличивается, а следовательно увеличивается и количество актов взаимодействия электронов проводимости и атомов решетки.

Процесс описанный выше позволяет грубо представить механизм электрического сопротивления на микро уровне.

Обозначение: R

Единицы измерения: [Ом]

Экспериментально выяснено, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади его поперечного сечения. Коэффициентом пропорциональности, отвечающем за род вещества из которого сделан проводник является удельное сопротивление - .

R =  (2.2)

Из формулы (2.2) следует физический смысл удельного сопротивления - это сопротивление проводника длиной равной одному метру и площадью поперечного сечения один метр квадратный.

Замечание: Сопротивлением обладает любой проводник независимо от того протекает по нему электрический ток или нет ( исключение - сверхпроводимость) подобно массе или моменту инерции.

Выясним условия существования постоянного электрического тока в цепи c постоянной разностью потенциалов на ее концах.

Свободные электроны в начальный момент начнут двигаться от точки с меньшим потенциалом (В) к точке с большим потенциалом (А) вдоль контура ВДА. Но дойдя до точки А электроны не смогут переместится снова к точке А, так как этому перемещению будет препятствовать разность потенциалов на между точками А и В на участке АСВ. Таким образом ток не только не будет постоянным, но и через некоторое время прекратится.

Следовательно - для существования постоянного электрического тока в цепи необходимо не только наличие разности потенциалов, но и наличие на участке этой цепи некоторых сил, которые бы переносили заряды на участке АСВ. Ясно, что эти силы должны быть силами неэлектрического происхождения - сторонними силами. Сама цепь в этом случае естественно превращается в замкнутую, что является еще одним условием существования постоянного тока в проводнике.

Процесс переноса зарядов против сил электрических происходит внутри источника тока, работа которого характеризуется двумя физическими величинами - электродвижущей силой и внутренним сопротивлением.

Обозначение: 

Единицы измерения: [B] - вольт

 = (2.3)

ЭДС - это работа сторонних сил по перемещению единичного заряда в цепи.

Направление ЭДС совпадает с направлением движения положительных зарядов внутри источников, т.е. от отрицательного полюса к положительному.

Рассмотрим простейшую цепь, состоящую из источника тока с внутренним сопротивлением r и внешней нагрузки R. Найдем работу по перемещению электрического заряда в замкнутой цепи. Эта работа может совершаться только сторонними и электростатическими силами.

A = Aст + Аэл12 + Аэл21

Но работа электростатических сил на замкнутой траектории равна нулю, поэтому А = Аст, т.е. работа по перемещению заряда в замкнутой цепи равна работе сторонних сил.

Любую замкнутую цепь всегда можно разбить на несколько участков. Рассмотрим неоднородный участок цепи, т.е. участок на котором кроме активного сопротивления находится некоторый источник

А = Аст + Аэл

поделив обе части равенства на переносимый заряд q, получим:

= + или U = 1 - 2 +  (2.4)

где U - работа всех сил по перемещению заряда q на участке цепи;

(1 - 2) - работа электростатических сил по перемещению заряда q;

 - работа сторонних сил по перемещению заряда q

Таким образом, напряжение и разность потенциалов - это величины в общем случае разные.

Поделив обе части равенства (2.4) на общее сопротивление участка ( R +r )получим формулу закона Ома для неоднородного участка цепи:

I = 1 - 2 +  / ( R + r ) (2.5)

Если соединить точки 1 и 2 то получим замкнутую цепь, причем 1 = 2 (одна точка).

Закон Ома для замкнутой цепи будет иметь вид:

I =  / ( R + r ) (2.6)

Если в замкнутой цепи отсутствует внешнее сопротивление (источник замкнут накоротко), то ток в этом случае называется током короткого замыкания, он равен

I =  / r (2.7)

Для участка цепи без ЭДС получаем:

I = (2.8)

Замечание: Только в случае однородного участка цепи напряжение совпадает с разностью потенциалов.