Закони постійного струму Характеристики електричного струму:

Сила струму – скалярна величина, що чисельно дорівнює електричному заряду, що переноситься через переріз провідника за одиницю часу I=, а для постійного струму I= ; [I] = A (Ампер)

Густина струму – це векторна величина, напрямок якої співпадає з напрямком упорядкованого руху позитивних носіїв струму, а чисельна величина дорівнює силі струму I, що протікає через одиницю площі поперечного перерізу S, який перпендикулярний струму. j = , [j] = Струм і густину струму можна виразити через швидкість упорядкованого руху зарядів _сер, їх концентрацію n так:

j = еn_сер; I = еn_серS.

Закон Ома для ділянки кола: сила струму на даній ділянці кола прямо пропорційна напрузі на кінцях цієї ділянки і обернено пропорційна опору провідника I=, де U – напруга на кінцях провідника, R- його опір, [R]= 1Ом. При постійній температурі R= ρ, де ρ – питомий опір, Омм, - довжина провідника, S- його площа перерізу. При зміні температури питомий опір і опір провідника змінюються за законом

ρ = ρ₀ (1+ t); R = R₀ (1+ t),

де ρ₀ R₀ – є відповідно питомий опір і опір провідника при 0⁰С,  –температурний коефіцієнт опору.

Закон Ома для замкненого кола I = ,

де ε – електрорушійна сила джерела струму, R – опір зовнішнього кола, r –опір джерела струму (внутрішній опір).

Електрорушійна сила джерела – це робота сторонніх сил по переміщенню одиничного позитивного заряду вздовж замкненого кола. [ε] =B. При послідовному з’єднанні загальний опір ділянки кола дорівнює сумі опорів окремих провідників: R = R₁ + R₂ +…+R_n

При паралельному з’єднанні обернена величина опору дорівнює сумі обернених опорів окремих провідників:

В джерелі струму за рахунок будь-якого виду енергії створюється електрична енергія, яка в свою чергу може перетворюватись в еквівалентну кількість іншого виду енергії (теплову, механічну тощо). Мірою перетворення електричної енергії є робота струму: А = IUt = = I²Rt ,

де U – різниця потенціалів на кінцях провідника зі струмом I; t – час проходження струму, R – опір провідника.

Потужність електричного струму обчислюється за формулою

P = = IU==I²R

Кількість теплоти, що виділяється у провіднику опором R за час t при протіканні струму силою І, визначаться законом Джоуля-Ленца:

Q = I²Rt = = IUt

Електричний струм у різних середовищах

Носіями струму в електролітах і розплавах солей є іони різного знаку, тому вони рухаються до електродів: від’ємні іони рухаються до позитивного електрода (анод), а позитивні – до катода.

Перший закон Фарадея: маса речовини m, що виділяється при електролізі на кожному з електродів, прямо пропорційна величині заряду, що проходить через електроліт m = kq, або m = k It ,

де k – електрохімічний еквівалент (кг/Кл), I – сила струму, t – час його проходження через електроліт.

Другий закон Фарадея: електрохімічні еквіваленти речовин прямо пропорційні хімічним еквівалентам k = ,

де F – число Фарадея (F = 9,6510⁷ Кл/кгекв.)

За звичайних умов гази майже повністю складаються із нейтральних атомів чи молекул, тому є діелектриками. Для того, щоб газ почав проводити електричний струм, його потрібно іонізувати. Завдяки іонізації в газі утворюються вільні носії електричного заряду - іони та електрони.

Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом. Розряд у газі, який відбувається під дією іонізатора, називають несамостійним. Значення сили струму в газі зростає зі збільшенням прикладеної напруги, і при деякому значенні стає незмінним, тобто струм досягає насичення. Якщо і далі продовжувати підвищувати напругу на електродах, то за деякої граничної напруги сила струму знову почне зростати (рис. 1).

рис. 1

Розряд, який може існувати без зовнішнього іонізатора, називають самостійним розрядом.

Плазма - це частково чи повністю іонізований газ, в якому густини позитивних і негативних зарядів майже збігаються. У цілому плазма являє собою електрично нейтральну систему. Провідність плазми підвищується зі зростанням ступеня іонізації.

Вакуум являється ізолятором. Для отримання носіїв струму у вакуумі використовують явище термоелектронної емісії – явище випускання електронів твердими тілами та рідинами , яке відбувається внаслідок їх нагрівання. (рис. 2)

Рис. 2

Щоб вийти з металевого електрода, електрони виконують роботу проти сил притягання з боку катода і відштовхування з боку інших електронів хмаринки. Цю роботу називають роботою виходу електронів з металу. Різниця між гарячим і холодним електродами, впаяними в закриту посудину, із якої відкачують повітря, полягає в односторонній провідності електричного струму між ними. Односторонню провідність використовують в електронних приладах з двома електродами - вакуумних діодах. Вакуумні діоди використовують для випрямлення змінного електричного струму поряд з напівпровідниковими діодами.

Питомий опір низки простих елементів (кремнію, германію, селену тощо) та деяких оксидів, сульфідів, телуридів з підвищенням температури не зростає, як у металів, а, навпаки, різко зменшується (рис. 3). Такі речовини назвали напівпровідниками.

Рис. 3

Як видно з графіка, при температурах, що наближаються до абсолютного нуля, питомий опір різко зростає, тобто при низьких температурах T напівпровідник веде себе як діелектрик.

З підвищенням температури кристала (або під час попадання на нього світла) деякі ковалентні зв'язки руйнуються, а на місці кожного розірваного зв'язку відразу утворюється вакантне місце з нестачею електрона. Його називають діркою. Дірка – це нескомпенсований позитивний заряд атома напівпровідника, що здатний переміщуватись в кристалі, як вільний електрон. Під дією зовнішнього електричного поля в напівпровіднику виникає впорядкований рух вільних електронів (електронна провідність) та переміщення дірок (діркова провідність). Провідність чистих напівпровідників, що не мають ніяких домішок, називають власною провідністю. За наявності домішок поряд із власною провідністю виникає додаткова - домішкова провідність.

Домішки, що легко віддають електрони, і, отже, збільшують кількість вільних носіїв, називають донорними домішками. Донорні домішки – це атоми з вищою валентністю ніж атоми основного напівпровідника. Напівпровідники з донорною провідністю мають більшу кількість електронів порівняно з кількістю дірок. Їх називають напівпровідниками n-типу. У них електрони є основними носіями заряду, а дірки - неосновними.

Домішки, які забезпечують збільшення концентрації дірок, називають акцепторними (приймальними). Акцепторні домішки – це атоми з нижчою валентністю ніж атоми основного напівпровідника Напівпровідники, в яких переважає діркова провідність над електронною, називають напівпровідниками р-типу. Основними носіями заряду таких напівпровідників є дірки, а неосновними - електрони.

Контакт двох напівпровідників з різною провідністю, на межі якого електрони частково переходять із напівпровідника n-типу в напівпровідник р-типу, а дірки – навпаки (рис.4), називають р-n-переходом.

Рис.4