Херсонський державний технічний університет Кафедра загальної та прикладної фізики

ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ Лекція 3.4. ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

	3.4. ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ
	Модель електричного струму. Поняття ЕРС
	Закони Ома та Джоуля-Ленца в диференціальній формі. Закон Ома для неоднорідного провідника
	Електричний опір. Правила з’єднання провідників
Правила Кірхгофа для розрахунку розгалужених електричних ділянок кола

• Модель електричного струму. Поняття електрорушійної сили джерела струму (ерс)

Електричний струм у провідниках зумовлений рухом вільних, нелокалізованих електричних зарядів, які переносяться так званими носіями струму (мікрочастинками типу електронів, протонів, іонів, тощо).

Для виникнення електричного струму в середовищі необхідними є дві принципові умови: існування в середовищі вільних електричних зарядів, які можуть переміщатися в просторі та наявність зовнішнього електричного поля, яке підтримує спрямований рух вільних зарядів.

За позитивний напрямок електричного струму приймається напрям руху позитивних зарядів. Негативні заряди рухаються проти напряму струму, як це видно з Мал.3.4.1.

Електричне поле в середовищі потрібно для створення прискореного руху вільних зарядів. Як відомо, на заряд в електричному полі напруженості діє сила , що надає їм прискорення в напрямі електричного поля. У вакуумі електричні заряди дійсно рухаються прискорено, але в речовині існують зіткнення носіїв заряду з іншими частинками, в результаті яких енергія, отримана носіями від електричного поля, розсіюється, передається іншим частинкам. Результатом таких зіткнень є те, що носії заряду спрямовано рухаються по середовищу під дією електричного поля з деякою середньою за модулем швидкістю , яку інколи називають дрейфовою швидкістю носіїв.

Вектор густини струму в провідниках визначається як величина заряду (), що проходить за інтервал часу крізь елемент поверхні перерізу провідника () у напрямі нормалі () до цього елементу перерізу:

(3.4.1)

З урахуванням того, що (де -заряд, який несе з собою носій струму, - кількість таких носіїв); (де - концентрація носіїв в об’ємі провідника); з (3.4.1) неважко отримати:

(3.4.2)

де - вектор дрейфової швидкості носіїв, - об’ємна густина заряду. Вектор густини струму є векторною диференціальною характеристикою електричного струму провідності. Вимірюється у А/м².

Повна сила струму, яка на відміну від густини струму є скалярним інтегральним параметром, визначається так:

(3.4.3)

Вона вимірюється в Амперах.

Внаслідок закону збереження електричного заряду, зміна в часі повного заряду , який міститься у певному об’ємі провідного середовища, мусить проявлятися у вигляді струмів, що течуть крізь поверхню , яка обмежує цей об’єм. Математично цей закон можна записати у вигляді в інтегральному вигляді:

(3.4.4)

або, застосовуючи інтегральну теорему Гауса () також і в диференціальній формі:

(3.4.5)

Рівняння (3.4.5) має назву рівняння безперервності струму провідності. Якщо густина заряду є незмінною (стаціонарний струм, ), то рівняння (3.4.5) спрощується:

(3.4.6)

отже, в об’ємі відсутні джерела та стоки струму провідності.

Ознакою існування в провідникові (провідному середовищі) електричного поля є ненульова різниця потенціалів (напруга) між двома довільними точками провідника. Проте, щоб постійно (або, принаймні, досить довго) підтримувати таку напругу поміж цими двома точками потрібне зовнішнє джерело енергії. Якщо такого зовнішнього джерела немає, то спрямований рух вільних зарядів у провіднику досить швидко вирівняє потенціали поміж точками і електричне поле (отже і струм) зникнуть.

Отже, підтримувати стабільну різницю потенціалів у провідникові мусять сторонні, неелектричні сили. Прилад, який за рахунок сторонніх сил підтримує різницю потенціалів та електричне поле, отже, й електричний струм, має назву джерело струму, або джерело живлення. Для існування стабільного струму в електричному колі в нього потрібно ввести джерело струму. Джерела струму на схемах звичайно зображують двома рисками, причому довша риска – це позитивний полюс (+), а коротша і товща – негативний полюс (-). Джерело струму характеризують величиною енергії, яку отримує від нього одиничний електричний заряд:

(3.4.7)

Характеристику (3.4.7) називають електрорушійною силою джерела (скорочено - ЕРС). Очевидно, що вона вимірюється у вольтах (В=Дж/Кл.)

Табл.1 Головні властивості електричного струму

Тепловий ефект	проходження електричного струму в усіх провідниках звичайно супроводжується тепловими ефектами (виділення тепла у провіднику – ефект Джоуля-Ленца);
Електроліз	проходження струму супроводжується також хімічними ефектами, особливо у електролітах, де спостерігається електроліз – перенесення іонів різного знаку у різних напрямах;
Магнітна дія	проходження струму супроводжується також створенням навколо провідника магнітного поля (магнітне поле провідника зі струмом відхиляло магнітну стрілку компасу в дослідах Ерстеда).