Електричним струмом називають направлений рух заряджених частинок

Для того, щоб по провіднику 3 електрони рухались у певному напрямку (у звичайних умовах вони рухаються хаотично), потрібно його кінці під'єднати до двох тіл, одне з яких заряджене позитивно (до потенціалу φ₁), а друге – негативно (до потенціалу φ₂) (рис.ІІІ.10). Рис. ІІІ.10

Внаслідок відштовхування від тіла 2 і притягання до тіла 1 електрони в провіднику 3 почнуть рухатись у напрямку 2 ® 3 ® 1.

Величина заряду, що переноситься через поперечний переріз провідника за 1 с, називається силою електричного струму.

Якщо за деякий час t через поперечний переріз переноситься заряд q, то сила струму І:

І = . (ІІІ.7)

За одиницю вимірювання сили струму прийняли 1 ампер (1 А).

Сила струму дорівнює 1 А, якщо за 1 с через поперечний переріз провідника переноситься заряд, рівний 1 Кл.

Якщо носіями струму є електрони (нагадаємо, що заряд електрона q_e Кл), то для того, щоб сумарний перенесений заряд дорівнював 1 Кл, а сила струму – 1 А, необхідно, щоб через поперечний переріз пройшло штук електронів.

Історично за напрямок струму прийняли напрямок руху позитивних зарядів. Це було зроблено ще до того, як стало відомо, що в металах носіями заряду є негативно заряджені електрони. (Тому на схемах напрямок струму є протилежним реальному напрямку руху електронів у металевих провідниках).

Електричний струм постійний, коли напрямок і сила струму І з часом не змінюються, і змінний – коли змінюються.

Очевидно, що через деякий час провідники 1 і 2 розрядяться (стануть електронейтральними) і струм у провіднику 3 припиниться. Струм не припиняється, якщо провідники 1 і 2 є частиною деякого пристрою, що підтримує незмінність зарядів (потенціалів) цих провідників. Такі пристрої називають джерелами (генераторами) струму, а провідники 1 і 2 – полюсами (клемами) генератора.

Для того, щоб потенціал тіл 1 і 2 не змінювався з часом, у генераторі повинні діяти сили, які заставляють позитивні заряди рухатись до позитивно зарядженого тіла 1, а негативні – до негативно зарядженого тіла 2. Ці сили називають сторонніми електророздільними силами і, зрозуміло, їх природа не електрична. В акумуляторах і гальванічних елементах вони обумовлені енергією хімічних реакцій, у фотоелементах – енергією світла тощо. Для переміщення в тілі генератора негативних зарядів до негативного полюса, а позитивних – до позитивного, повинна виконуватись робота А₁ проти сил електричного поля А₁ = q (φ₁ – φ₂) (див.ІІІ.3). Окрім цього, має виконуватись і деяка робота А_{2 ПО} подоланню опору матеріалу генератора руху зарядів у ньому. Тоді повна робота А сторонніх сил є:

А = А₁ + А₂ = q (φ₁ – φ₂) + А₂, (ІІІ.8)

де q – сумарний заряд частинок (позитивних і негативних), що переносяться до полюсів генератора.

Характеристикою джерел струму служить поняття електрорушійної сили.

Електрорушійною силою Єª ℇ генератора струму називають роботу, яку виконують сторонні електрорушійні сили щодо переміщення одиничного заряду між його полюсами:

Є = , або Є = (φ₁ – φ₂) + . (ІІІ.9)

Якщо клеми генератора не замкнуті зовнішнім електричним колом, то електророздільні сили не переміщують заряди в тілі генератора, а лише підтримують незмінність потенціалів φ₁ та φ₂ і А₂ = 0.

Тоді:

Є = φ₁ – φ₂, або Є = U. (ІІІ.10)

Отже, електрорушійна сила Єджерела струму чисельно дорівнює напрузі між його клемами, не замкнутими зовнішнім колом.

ІІІ.7 Опір провідників. Закон Ома для ділянки кола.

Робота і потужність струму

При направленому русі в провідниках І роду електрони весь час наштовхуються на атоми і молекули провідника. Внаслідок цього зменшується швидкість їх направленого руху, а значить і зменшується сила струму І, тобто кількість електронів, що переноситься через поперечний переріз провідника за 1 с. Властивість провідників перешкоджати направленому руху зарядів називають опором R. Очевидно, що чим більша довжина провідника, тим його опір R більший, а чим більша площа S його поперечного перерізу, тим опір менший. Досвід показує:

R = , (ІІІ.11)

де ρ – питомий опір провідника, який залежить від типу його молекул, і їх взаємного розміщення в просторі.

Питомий опір речовини ρ (вимірюється в омах, помножених на метр) дорівнює вираженому в омах опору куба з ребром 1 м із певної речовини при струмі, паралельному одному із ребер куба.

Числове значення сили струму в провіднику визначають, користуючись експериментально встановленим законом Ома для ділянки кола:

Сила струму І в провіднику прямо пропорційна падінню напруги U на кінцях провідника і обернено пропорційна його опору R:

І = . (ІІІ.12)

Звідси:

R = . (ІІІ.13)

Величину опору провідників вимірюють в омах.

Опір провідника дорівнює 1 ому (1 Ом), якщо при падінні напруги на ньому, рівній 1 В, сила струму дорівнює 1 А.

1 Ом = 1 .

Вище неодноразово відмічалось, що робота А по переміщенню заряду q в електричному полі:

А = q (φ₁ ­- φ₂), або

А = q U.

Врахуємо, що q = Іt, тоді А = І U t, а з урахуванням закону Ома:

А = І U t = . (ІІІ.14)

Швидкість виконання роботи електричного струму, як і будь-якої роботи, характеризують поняттям потужності: . З урахуванням (ІІІ.14) для P маємо:

P = І U = . (ІІІ.15)

Робота електричного струму та його потужність, як і механічні робота та потужність, вимірюються у джоулях і ватах, відповідно.

ІІІ.8 Закон Ома для замкнутого кола

Нехай електричне коло складається із джерела струму з внутрішнім опором r та електрорушійною силою Є і провідника, який з’єднує полюси генератора і має опір R (рис. ІІІ.11). Для такого кола згідно з формулою (ІІІ.9):

Є ,

а з урахуванням того, що різниця потенціалів дорівнює напрузі U:

Є (ІІІ.16)

Використовуючи формули (ІІІ.7), (ІІІ,12) і (ІІІ.13), рівняння (ІІІ.16) приймає вигляд:

Є .

Звідси:

, (ІІІ.17)

де: – повний опір електричного кола.

Рис. ІІІ.11

Таким чином, закон Ома для замкнутого кола:

Сила електричного струму в замкнутому електричному колі пропорційна електрорушійній силі генератора і обернено пропорційна повному опору кола:

.

Дата добавления: 2015-05-23