11. Постоянный электрический ток и его характеристики. Закон Ома для участка цепи.

Электри́ческий ток — упорядоченное нескомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).

Постоянный ток — ток, направление и величина которого слабо меняется во времени.

Переменный ток — это ток, направление и величина которого меняется во времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.

Время, за которое происходит один такой цикл (время, включающее изменение тока в обе стороны), называется периодом переменного тока. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц соответствует одному периоду в секунду.

Переменный ток высокой частоты вытесняется на поверхность проводника, этот эффект называется скин-эффектом.

Закон Ома для участка цепи. Немецкий физик Георг Ом (1787—1854) в 1826 г. обнаружил, что отношение напряжения U между концами металлического проводника, являющегося участком электрической цепи, к силе тока I в цепи есть величина постоянная:

. (43.1)

Эту величину R называют электрическим сопротивлением проводника.

Единица электрического сопротивления в СИ — ом (Ом). Электрическим сопротивлением 1 Ом обладает такой участок цепи, на котором при силе тока 1 А напряжение равно 1 В:

.

Опыт показывает, что электрическое сопротивление проводника прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади S поперечного сечения:

. (43.2)

Постоянный для данного вещества параметр называется удельным электрическим сопротивлением вещества.

Экспериментально установленную зависимость силы тока I от напряжения U и электрического сопротивления R участка цепи называют законом Ома для участка цепи:

. (43.3)

12. Строение силы эдс. Закон ома для замкнутой цепи.

Электродвижущая сила (ЭДС) — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.

ЭДС можно выразить через напряжённость электрического поля сторонних сил ( ). В замкнутом контуре ( ) тогда ЭДС будет равна:

, где — элемент длины контура.

ЭДС так же, как и напряжение, измеряется в вольтах. Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил не во всем контуре, а только на данном участке. ЭДС гальванического элемента есть работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому. Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами тока вне самого источника равна нулю.

Рассмотрим всю замкнутую электрическую цепь, включая и источник тока, и выясним на опыте, от чего зависит ток в этой цепи. Замкнем источник тока, например элемент Даниеля (§75), на внешнюю цепь, содержащую амперметр и реостат, и будем перемещать движок реостата, меняя тем самым сопротивление внешней цепи. Мы обнаружим, что с уменьшением сопротивления внешней цепи ток будет увеличиваться.

Установим теперь реостат так, чтобы сопротивление внешней цепи было незначительным, и будем изменять глубину погружения цинковой пластины элемента. Ток будет увеличиваться по мере погружения пластины.

Для понимания этого результата вспомним, что напряжение на разомкнутом элементе, т. е. его э. д. с, совершенно не зависит от геометрических размеров и формы элемента (§76). Следовательно, при изменении глубины погружения пластины э: д. с. источника не меняется. В чем же причина изменения тока? В § 76 мы видели, что ток идет как по внешней цепи, так и внутри источника. Но сам источник представляет тоже определенное сопротивление току. Это сопротивление носит название внутреннего сопротивления источника. В гальванических элементах оно слагается из сопротивления его электродов и главным образом из сопротивления столба электролита между ними. Погружая цинковую пластину на различную глубину, мы изменяем сечение этого столба и вместе с ним внутреннее сопротивление элемента. Мы видим, что сила тока зависит также от внутреннего сопротивления источника тока.

Полную цепь можно рассматривать как последовательное соединение сопротивления внешней цепи и внутреннего сопротивления источника тока. Полное сопротивление цепи представляет собой сумму внутреннего сопротивления источника и сопротивления внешней цепи. Заменим элемент каким-либо другим, имеющим такое же внутреннее сопротивление, но другую э. д. с. Мы обнаружим, что ток при этом изменится.

Таким образом, ток в цепи зависит от э. д. с. источника и от полного сопротивления цепи.

Рис. 126. Измерение тока в цепи при изменении внутреннего сопротивления элемента

Количественный закон, связывающий эти величины, представляет закон Ома для замкнутой цепи: ток в цепи, содержащей источник тока, прямо пропорционален э. д. с. источника и обратно пропорционален полному сопротивлению цепи.

Если обозначить э. д. с. источника через ξ, его внутреннее сопротивление через r, сопротивление внешней цепи через R, а ток через I, то закон Ома представится следующей формулой:

(80.1)

Мы видим, что ток, который способен дать источник, зависит не только от э. д. с. источника и сопротивления внешней цепи, но еще и от внутреннего сопротивления. Сказанное относится, конечно, не только к гальваническим элементам, но и к любым источникам тока, например к аккумуляторам или генераторам постоянного тока.