Закон Ома. Сопротивление проводников

Закон Джоуля-Ленца.

Если ток проходит по неподвижному металлическому проводнику, то, при отсутствии механической работы и хим. превращений, вся работа тока идет на нагревание провод-ника. Действительно, под действием поля свободные электроны приобретают скорость упорядоченного движения и дополн. кинетическ. энергию. При соударении электрона с ионом решетки эта энергия полностью передается решетке и идет на увеличение внутренн. энергии металла. В результате энергия хаотического движения ионов около положения равновесия возрастает, следовательно, увеличивается и внутренн. энергия проводника. Температура проводника повышается. После замыкания цепи процесс становится стационарным и температура со временем перестает изменяться. К проводнику поступает энергия за счет осуществления работы электрического поля. Внутренн. энергия проводника остается неизменной, так как проводник отдает окружающим телам количество теплоты, равное работе тока. В таком случае количество выделившейся теплоты равно работе, совершаемой током. По закону сохранения энергии имеем: .(12.17).

Используя выражения (12.17), (12.16), (12.10), получаем: .(12.18). Выражение (12.18) представляет собой закон Джоуля - Ленца. Тепловое действие тока находит широкое применение в технике: лампы накаливания, бытовые нагревательные приборы, электрическая дуга и др. Работа тока лежит также в основе передачи электроэнергии на большие расстояния, используется при решении ряда задач электроэнергетики.

Г. Ом (1787-1854 г.г.) экспериментально установил, что сила тока , протекающего по однородному металлическому проводнику, пропорциональна напряжению на концах проводника: ,(12.10); - электрическое сопротивление проводника. Уравнение (12.10) выражает закон Ома для участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению проводника. Электрическое сопротивление – физическая величина, характеризующая свойство проводника уменьшать скорость упорядоченного движения свободных носителей зарядов в проводнике.

1 Ом(единица сопротивления)–сопротивление такого проводника, в кот. при напряжении в 1 В протекает ток 1 А.

Величина: ,(12.17), называется электрической проводимостью проводника. Единица проводимости – сименс. 1 См – проводимость проводника сопротивлением 1 Ом. Физический смысл наличия сопротивления в проводниках можно объяснить следующим образом (рис. 12.3). Рис. 12.3. При своем движении в проводнике электроны взаимодействуют с ионами кристаллической решетки металла, отдавая им при столкновениях кинетическую энергию, приобретенную при свободном пробеге. Под действием электрического поля происходит все более упорядоченное движение электронов. В результате, упорядоченное движение электронов можно рассматривать как равномерное движение с некоторой постоянной средней скоростью. Скорость упорядоченного движения электронов при этих столкновениях уменьшается и, следовательно, уменьшается заряд, переносимый электронами через поперечное сечение проводника за одну секунду. Проводник оказывает сопротивление прохождению электрического тока.

Для однородного линейного проводника сопротивление прямо пропорционально его длине и обратно пропор-ционально его поперечному сечению : (12.12); - удельное электрическое сопротивление.

Коэффициент характеризует материал проводника. Единица удельного электрического сопротивления - Ом×метр, (Ом×м). Наименьшим удельным электрическим сопротивлением обладают серебро (1,6×10^-8 Ом×м) и медь (1,7×10^-8 Ом×м), алюминиевые провода имеют =2,6×10^-8 Ом×м. Величина, обратная удельному электрическому сопротивлению: ,(12.13), называется удельной электрической проводимостью вещества проводника. Единицей удельной электрической проводимости является – сименс, деленный на сантиметр, (См/см).

Опыт показывает, что в первом приближении изменение удельного сопротивления, а значит, и сопротивления, с температурой описывается линейным законом: (12.14);где - соответственно удельные сопротивления и сопротивления проводника при и С, - температурный коэффициент сопротивления, для чистых металлов близкий 1/273 К^-1.

Увеличение сопротивления проводников с возрастанием температуры можно объяснить следующим образом. При увеличении температуры растет скорость хаотического движения электронов и амплитуда колебаний ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки. Свободные электроны чаще сталкиваются с ионами решетки. Скорость упорядоченного движения их уменьшается, сопротивление растет. В первом приближении температурная зависимость сопро-тивлений может быть представлена: , (12.15); - термодинамическая температура. Было обнаружено, что сопротивление многих металлов ( и др.) при очень низких температурах (0,14-20 К), называемых критическими, характерных для каждого вещества, скачкообразно уменьшается до нуля, т. е. металл становится абсолютным проводником. Это явление названо сверхпроводимостью. Это явлениебыло открыто в 1911 году Х. Каммерлинг-Оннесом.

Дата добавления: 2017-01-14