Постоянный электрический ток

Электрическим током называют поток свободных заряженных частиц, возникающих в веществе под действием внешнего поля (внешней разности потенциалов). Вещества, в которых может протекать электрический ток при нормальных условиях, называют проводниками.

Основной характеристикой тока является сила тока. Она является скалярной величиной и соответствует количеству заряда, переносимого через некоторую поверхность за единицу времени под действием внешнего поля (при наличии внешней разности потенциалов). За направление тока исторически принято направление движения положительно заряженных частиц. Сила тока, а, следовательно, и ток являются постоянными, если за единицу времени через одно и то же поперечное сечение протекает одинаковое количество заряда. Дивергенция от плотности постоянного тока всегда равна нулю. Это означает что поток заряда, протекающего через поперечную поверхность за единицу времени, не меняется, и линии постоянного тока являются замкнутыми.

Кроме тока поток заряженных частиц характеризуется плотностью тока. Она является векторной величиной и совпадает по направлению со скоростью заряженных частиц. Плотность тока представляет собой свободный заряд, протекающий через единицу поверхности в единицу времени. Скорость, которую приобретают свободные заряды под действием внешней разности потенциалов, называют дрейфовой.

У металлов как проводников первого рода имеется только один тип проводимости – электронный, у электролитов как проводников второго рода два типа: электронный и ионный.

Для того чтобы в цепи не исчезал электрический ток, необходимо на ее концах поддерживать постоянную разность потенциалов. Для этого применяют специальные устройства – генераторы, которые разделяют электрические заряды, действуя против сил электростатического поля. Силы, действующие в генераторе, следовательно, не могут иметь электростатическую природу. Поэтому называются сторонними. Они могут являться электромагнитными, механическими, химическими и т.д. Работу сторонних сил над точечным единичным зарядом называют электродвижущей силой (ЭДС). Полная работа есть сумма работы сторонних и электростатических сил. Полную работу, совершаемую над единичным зарядом на некотором участке, называют падением напряжения.

Участок (электрическую цепь), на котором действуют сторонние силы, называют неоднородным, а на котором не действуют – однородным.

Всякий проводящий материал обладает определенным сопротивлением. Сопротивление зависит только от геометрии этого материала и его природы и температуры. С ростом температуры сопротивление проводника растет, а полупроводника – падает. У металлов сопротивление падает с ростом поперечного сечения и при уменьшении длины проводника.

Элемент, характеризующийся определенным сопротивлением, называют резистором. С помощью различного соединения резисторов можно изменять сопротивление участка или электрической цепи в целом. Так, параллельное соединение (шунтирование) уменьшает сопротивление участка, а последовательное – увеличивает.

У большой группы металлов и сплавов сопротивление при некоторой критической температуре, отличной от нуля, может обращаться в нуль. Это явление было открыто Камерлинг-Оннесом для ртути и получило название сверхпроводимости. Сверхпроводимость существует также и цинка, олова, алюминия, свинца и т.д. Состояние сверхпроводимости может быть разрушено действием на проводник магнитного поля.

Электрические цепи бывают разветвленными и неразветвленными. Вторые состоят лишь из одного электрического контура, а первые из двух и более. При описании неразветвленных цепей применяются законы Ома для однородных и неоднородных участков, а при описании разветвленных цепей, помимо законов Ома используют и правила Кирхгофа для узлов и контуров.

Постоянный ток, протекающий по проводнику, может оказывать следующие воздействия на окружающую среду:

тепловое,

магнитное,

химическое.

Основные соотношения:

Определение силы тока:

Определение плотности тока: ,

где - поперечное сечение проводника.

Связь между плотностью тока и дрейфовой скоростью: ,

где - соответственно заряд, концентрация и дрейфовая скорость носителей (в случае «+» - положительных, а в случае «-» - отрицательных)

Уравнение непрерывности:

Дивергенция плотности постоянного тока:

Определение электродвижущей силы (ЭДС): ,

где - работа сторонних не электростатических сил.

Полная работа в неоднородной электрической цепи:

Работа электростатических сил:

Определение для падения напряжения:

Падение напряжения на неоднородном участке цепи:

Закон Ома для однородного участка цепи:

Закон Ома для неоднородного участка цепи: ,

где - внутреннее сопротивление источника (генератора)

Закон Ома для однородного участка цепи

в дифференциальной форме: ,

где - электропроводность, а - удельное сопротивление.

Зависимость сопротивления проводника

от геометрии и природы: ,

где - длина проводника, а - его поперечное сечение.

Соединение резисторов (проводников):

последовательное:

параллельное: ,

где - число резисторов в соединении.

Правила Кирхгофа:

для узлов: ,

где - токи входящие и выходящие из узла. Положительные токи входят, а отрицательные - выходят. - число проводников с токами в узле;

для контуров: ,

где - падения напряжения на участках контура, а - ЭДС, действующие в контуре (- их количество).

Мощность тока:

Определение удельной мощности тока:

Связь удельной мощности с плотностью тока: ,

где - напряженности электростатического поля и сторонних сил соответственно.

Закон Джоуля – Ленца в интегральной форме:

Определение удельной тепловой мощности тока:

Связь удельной тепловой мощности с плотностью тока:

Справочный материал к тестированию по теме:

Дата добавления: 2014-01-20