- •Конспект лекций по физике
- •Раздел 3 электричество
- •Часть 1
- •Электростатика Электростатическое поле в вакууме. Электрические заряды. Закон Кулона
- •Напряженность электростатического поля
- •Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме
- •Применение теоремы Гаусса к расчету некоторых электростатических полей в вакууме
- •Работа по перемещению заряда в электрическом поле. Потенциальность электростатического поля.
- •Потенциал электростатического поля
- •Напряженность как градиент потенциала
- •Разность потенциалов некоторых полей
- •Электрическое поле в веществе. Электрический диполь
- •Диэлектрики в электростатическом поле
- •Электрическое смещение. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике
- •Проводники в электростатическом поле
- •Электрическая емкость. Электрическая емкость уединенного проводника
- •Конденсаторы
- •Соединение конденсаторов в батарею
- •Энергия электростатического поля
- •Постоянный электрический ток. Электрический ток. Сила тока. Плотность тока
- •Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение
- •Закон Ома для участка цепи. Сопротивление цепи
- •Закон Ома для неоднородного участка цепи и для полной (замкнутой) цепи
- •Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля - Ленца
- •Зависимость сопротивления от температуры. Явление сверхпроводимости
- •Электрические цепи с последовательным и параллельным соединением потребителей
Постоянный электрический ток. Электрический ток. Сила тока. Плотность тока
Если в двух точках проводника искусственно поддерживать разные потенциалы, то внутри проводника будет существовать электрическое поле и непрерывное движение зарядов.
Направленное движение свободных зарядов в проводнике под действием сил электрического поля называется электрическим током.
Носителями зарядов в любых проводниках являются свободные электроны и ионы. Протекание тока в веществе всегда сопровождается увеличением внутренней энергии вещества ( нагреванием).
Средняя скорость направленного движения носителей зарядов (при постоянной напряженности поля в проводнике) прямо пропорциональна напряженности :
Коэффициент пропорциональности " " называется подвижностью носителей заряда и выражает зависимость скорости направленного движения носителей зарядов от рода вещества проводника и внешних условий (в частности, от температуры). Средняя скорость направленного движения электронов в меди составляет порядка 1 мм/с.
За направление тока условно принимают направленное движение положительных зарядов.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока – скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом , прошедшим через поперечное соединение проводника за единицу времени.
Размерность силы тока = 1А (Ампер)
Ток, сила и направление которого не изменяются со временем, называется постоянным. Сила постоянного тока:
Плотность тока — физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока. Модуль плотности тока:
Размерность плотности тока: [ ] =
Рисунок 19. К расчету силы тока
Если (Рисунок 19) — средняя скорость направленного движения зарядов в проводнике, - концентрация зарядов и каждый носитель имеет заряд , то за время через поперечное сечение проводника переносится заряд
Сила тока (скалярная величина): .
Учитывая, что скорость , а , где напряжение, приложенное к концам проводника длиной , получим:
Плотность тока - векторная величина:
Вектор плотности тока совпадает с направлением скорости направленного движения положительных зарядов.
Сила тока сквозь произвольную поверхность определяется как поток вектора через эту поверхность, то есть:
где , а единичный вектор нормали к площадке , составляющей с вектором угол .
Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение
Для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектрического происхождения. Такие устройства называются источниками тока. Силы неэлектрического
происхождения, действующие на заряды со стороны источника тока, называются сторонними .
С
Рисунок 20. Движение электрических
зарядов в цепях
химической реакций, а в генераторе – за счет механической энергии вращения ротора генератора.
Участок цепи (С), в котором заряды движутся в сторону действия электрических сил, является потребителем электрической энергии и называется внешней цепью.
Участок цепи (Д), в котором заряды двигаются в сторону действия сторонних сил, является источником электрической энергии и называется внутренней цепью.
Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении положительного единичного заряда q0, называется электродвижущей силой (ЭДС) , действующей в цепи.
ЭДС — величина скалярная.
Размерность ЭДС - [ ] = 1В (Вольт).
Сторонняя сила , действующая на заряд :
, где напряженность поля сторонних сил.
Р
Из последней формулы следует, что ЭДС, действующая в замкнутой цепи, не что иное, как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил.
ЭДС, действующая на участке 1 - 2: .
На заряд кроме сторонних сил действуют силы электростатического поля
Результирующая сила, действующая в цепи на заряд :
Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом , на участке 1 - 2:
Напряжением на участке 1 - 2 , содержащем ЭДС, называется скалярная физическая величина:
Если = 0, то =
Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна 0, так как . Поэтому для замкнутой цепи: .
Контрольные вопросы
Что такое электрический ток и какое направление тока принято в технике?
Дайте определение силы тока, плотности тока и напишите формулы, по которым рассчитываются эти величины.
В каких единицах измеряются сила и плотность электрического тока?
Расскажите о внешней и внутренней цепи электрического тока.
Расскажите о сторонних силах и дайте определение электродвижущей силы.
Что называется напряжением на участке цепи 1 - 2?