Дополнительная

1.Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. Учебное пособие/ С.-Петербург: Издательство «Лань», 2009г. 500экз.

2.Рогачев Н.М. Курс физики. Учебное пособие// С.-Петербург: Издательство «Лань», 2010г.- 448с. 1000 экз.

3.Трофимова Т.И.Физика в таблицах.. М.: «Высшая школа». 2008г

Лекция 16 постоянный электрический ток

16.1.Электрический ток. Сила тока, э.Д.С., напряжение

Под электрическим током понимают упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов. Ток проводимости – это направленное движение зарядов в проводящих телах: электроны в металлах, электроны и дырки в полупроводниках, ионы в электролитах, ионы и электроны в газах. Конвекционный ток – это движение заряженных тел и поток электронов или других частиц в вакууме. За направление тока принято, условно, направление движения положительных зарядов. Траектории направленного движения, которых, назовем линиями тока. Касательные, проведенные к линиям тока, указывают направление скорости движения зарядов. Физическая величина, определяемая силой тока, называется плотностью тока (i). Это вектор, совпадающий по направлению с вектором скорости и численно равный заряду, проходящему через единичную площадку, за единицу времени. Вектор перпендикулярен площадке. Рассмотрим участок проводника в виде прямоугольного параллепипеда (рис. 55).

Плотность тока в различных точках, имеет одинаковое значение. Ребро численно равно скорости зарядов. Все заряды, находящиеся в данном объеме, за единицу времени проходят через площадку S=1, тогда плотность тока:

, где N – число зарядов, или

Рисунок 55 , где - концентрация зарядов.

Объем , тогда в векторной форме

Вектор плотности тока направлен по касательной к линиям тока.

Основной характеристикой электрического тока является сила тока. Это скалярная величина. Она равна заряду, переносимому носителями через заданную поверхность S (например, через поперечное сечение проводника) в единицу времени. Если за время переносится заряд , то сила тока равна:

Единица измерения в системе СИ: .

Если ток через данную поверхность S распределен равномерно, то плотность тока Единица измерения плотности тока в системе СИ , ампер на квадратный метр.

Если в проводнике постоянного сечения S содержится n электронов, которые перемещаются при средней скорости , тогда сила тока будет равна:

, где q – заряд электрона.

Ток, не изменяющийся со временем, называется постоянным, в противном случае ток называется переменным.

Природа носителей в металлах была выяснена опытами Мандельштама и Папалекси (1913 г.) Стюарта и Толмена (1916 г.), с торможением вращающейся катушки.

Для образования в проводнике электрического тока, необходимо создать внутри его электрическое поле, и поддерживать его действие, т. е. необходимо на его концах поддерживать разность потенциалов. Если потенциалы на концах проводника станут одинаковыми, тогда исчезнет электрическое поле внутри проводника и ток прекратится. Для поддержания постоянного тока необходимо иметь устройство, внутри которого происходит разделение разноименных зарядов и перенос их к концам проводника. Такое устройство называется генератором, или источником тока.

Р ассмотрим замкнутую цепь (рис.56). По цепи движется положительный заряд. Сопротивление проводников примем за нуль, т. е. потенциалы точек (1 и 2) и (3 и 4) одинаковы. Т. е напряженность Е равна нулю. В проводнике R разность потенциалов равна нулю. Следовательно, на заряд действует сила со стороны электрического поля. На участке 4-1 положительный

Рисунок 56 заряд перемещается от меньшего потенциала к большему.

Такое перемещение против сил электрического поля, осуществляется под действием, так называемых сторонних сил. Эти силы неэлектрического происхождения. Природа их разнообразна. Например, в генераторе они возникают за счет энергии магнитного поля и механической энергии вращения якоря; в аккумуляторе – за счет энергии химических реакций и т. д.Сторонние силы совершают работу А. Эта работа равна сумме работ А₁, совершаемой против сил электрического поля, внутри источника тока и , совершаемой против сил сопротивления среды источника тока.

, где , тогда

« Величина, равная работе сторонних сил, отнесенная к единице положительного заряда, при перемещении его по цепи, называется электродвижущей силой (Э. Д. С.) ».

или

Если полюса источника тока разомкнуты, тогда и

В этом случае сторонняя сила не перемещает зарядов, а только поддерживает установившееся (на полюсах) разделение зарядов. И Э. Д. С. равна разности потенциалов на полюсах при разомкнутой внешней цепи. Разность потенциалов на полюсах источника тока, замкнутого внешней электрической цепью, называется напряжением источника тока, напряжение меньше Э. Д. С. на величину . Э. Д. С. и напряжение в системе СИ, измеряются в вольтах.

На любом участке цепи существует разность потенциалов, т. е. падение напряжения (напряжение). Падение напряжения это есть произведение силы I тока на сопротивление R данного участка цепи (I·R).

Рассмотрим отрезок проводника длиной l (рис.57). Для того, чтобы в проводнике шел постоянный ток I, необходимо поддерживать постоянную разность потенциалов на концах проводника, - напряжение.

Рисунок 57 При изменении напряжения U меняется и ток I, текущий в

проводнике. В 1826 г. Ом экспериментально установил прямую пропорциональность между этими величинами.

или , где

к - коэффициент пропорциональности, называемый электропроводимостью, или проводимостью проводника.