2.2. Постоянный электрический ток

Под электрическим током понимается процесс упорядоченного движения заряженных частиц. Для возникновения электрического тока в рассматриваемой среде необходимо выполнение таких условий:

– наличие свободных электрических зарядов;

– существование сил, способных упорядочить движение электрических зарядов.

Количественной мерой электрического тока является параметр, называемый силой тока I. Это величина, численно равная заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени:

.

Плотность тока j, параметр, учитывающий распределение тока по площади поверхности, определяется уравнением

,

где dS_ – элементарная площадь, выбранная перпендикулярно направлению тока.

Законы Ома

Для однородного (не содержащего элементы, где действуют неэлектростатические (сторонние) силы), участка цепи

,

где R – омическое сопротивление участка электрической цепи; U – напряжение на концах однородного участка.

Для неоднородного участка цепи

,

где – электродвижущая сила на рассматриваемом участке электрической цепи; ₁ и ₂ – потенциалы на концах участка; R₁₂ – сопротивление участка.

Для замкнутой цепи

,

где – электродвижущая сила источника тока рассматриваемой электрической цепи; r – внутреннее сопротивление электрической цепи (сопротивление источника тока).

Электродвижущая сила (ЭДС) – физическая величина, характеризующая работу сторонних сил (сил не электростатической природы) по перемещению единичного положительного заряда по проводящей среде

.

Электрическое сопротивление R – физическая величина, характеризующая способность проводящей среды препятствовать прохождению электрического тока. Для металлов электрическое сопротивление определяется уравнением

,

где  – удельное сопротивление металла; – длина проводника; S – площадь поперечного сечения проводника.

Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры определяется уравнением

,

где  – удельное сопротивление металла при температуре t C; ₀ – удельное сопротивление металла при температуре t = 0 C;  – температурный коэффициент сопротивления.

Соединение проводников:

• последовательное (рис.7)

I = I₁= I₂; U = U₁+U₂;

R = R₁+R₂;

Рис. 7

• п

  R₁

  араллельное (рис. 8)

I = I₁+ I₂; U=U₁=U₂;

R₂

.

Рис. 8

Правила Кирхгофа

1. Алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле электрической цепи, равна нулю

.

Узлом электрической цепи называется точка, в которой сходится не менее трёх проводников.

2. Алгебраическая сумма напряжений в замкнутом контуре электрической цепи равна алгебраической сумме ЭДС

.

Закон Джоуля-Ленца

Этот закон определяет количество теплоты, которое выделяется в проводнике при прохождении по нему электрического тока.

Закон Джоуля-Ленца для участка цепи постоянного тока

Q = P t = I ² R t = t = I U t,

где P – электрическая мощность тока; I – сила тока, проходящего по проводнику; U – напряжение на концах проводника; R – сопротивление проводника; t – время прохождения электрического тока по проводнику.

Количество теплоты, выделяемое проводником сопротивлением R при прохождении по нему электрического тока величиной I за время dt:

Полное количество теплоты

.

КПД источника тока

Коэффициент полезного действия источника тока определяется уравнением

,

где Р_{полезн.}= IU – полезная мощность источника питания; Р_полн=I – полная мощность источника питания.

Разность между полной и полезной мощностью приходится на мощность, которая теряется на внутреннем сопротивлении r источника тока. Эта мощность определяется уравнением

P_r = I ² r = I U_r,

где U_r= I r– напряжение на внутреннем сопротивлении источника тока.