Вопросы для самоподготовки
Полярные и неполярные диэлектрики.
В чем заключается явление поляризации диэлектрика.
Объемные и поверхностные связанные заряды.
Теорема Гаусса для вектора поляризации.
Вектор электрического смещения.
Диэлектрическая проницаемость.
Сегнетоэлектрики.
Лекция № 13 Характеристики и законы постоянного тока
В этом разделе изучается направленное движение электрических зарядов.
1. Понятие об электрическом токе
Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. Условиями существования электрического тока являются:
1) наличие свободных зарядов в проводнике;
2) наличие электрического поля внутри проводника.
Проводниками являются металлы, растворы, расплавы электролитов, газы.
В металлах носителями зарядов являются свободные электроны. В растворах и расплавах электролитов ток обусловлен движением ионов обоих знаков. В газах носителями зарядов являются ионы и электроны.
Под действием электрического поля положительные заряды перемещаются по полю (вдоль вектора E), отрицательные - против поля (против вектора E). Полный ток определяется как сумма токов, образованных носителями каждого знака. Независимо от знака носителей зарядов, за направление тока условно принято направление движения положительных зарядов.
2. Сила и плотность тока
Количественной характеристикой тока является сила тока.
Силой тока называется скалярная величина, численно равная заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за единицу времени.
В
общем случае, сила тока вычисляется как
производная от заряда по времени:
(2.32)
Если
взять два проводника в вакууме, бесконечно
длинных и тонких, расположенных на
расстоянии 1 м друг от друга, то при силе
тока в них 1А между ними существует сила
взаимодействия равная
на каждый метр длины проводников.
Эта сила устанавливается при протекании по проводникам тока I=1A.
Электрический ток может быть распределен по поверхности, через которую он течет, неравномерно. Поэтому вводят плотность тока.
Плотностью тока называется вектор, величина которого равна отношению силы тока, протекающего через элементарную площадку, перпендикулярную направлению движения зарядов, к площади этой площадки:
(2.33)
За направление плотности тока принимается направление вектора скорости упорядоченного движения положительного заряда.
Единица плотности тока – 1 А/м2.
Ток, не изменяющийся со временем, называется постоянным. Для него справедливо соотношение: I = q/t.
По
электронной теории проводимости металлов
сила тока зависит от скорости упорядоченного
движения электронов, концентрации и
площади поперечного сечения проводника:
где e - заряд одного носителя.
3. Закон Ома для однородного участка цепи
Закон, устанавливающий связь между силой тока в проводнике и разностью потенциалов (напряжением) на его концах, был открыт Г. Омом опытным путем в 1826 году.
Закон Ома формулируется следующим образом.
Сила тока, текущего по однородному участку цепи, прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника,
(2.34)
Эту формулу можно записать в следующем виде: I = GU— закон Ома для участка цепи. Коэффициент G — называется проводимостью проводника.
G = 1/R - сопротивление проводника, зависит от материала и его геометрических размеров, т. е.
(2.35)
где l - длина проводника, S - площадь его поперечного сечения, ρ - удельное сопротивление проводника, которое зависит от рода вещества, а также от его состояния (в первую очередь, температуры). Например, при температуре 20oС удельное сопротивление меди ρ = 1,8·10-8 (Ом·м), а у фарфора ρ = 1013 (Ом·м).
Единицей сопротивления служит 1Ом.
Закон Ома справедлив для широкого класса материалов: металлов, угля, электролитов. Его широко применяют для расчета различных электрических цепей. Его используют во многих других случаях, например, в технике безопасности. Так, допустимое напряжение определяют, исходя из сопротивления тела человека и допустимого для него значения тока. Смертельным считается ток 100 мА. Наиболее опасный путь его прохождения: правая рука - ноги. Сопротивление тела при влажной коже 1кОм, при сухой 0,5 МОм. Рассчитайте самостоятельно допустимое напряжение.