Файл: 753.pdf

Силойтоканазывается физическая величина, равная отношениюзаряда, переносимому черезпоперечное сечениепроводниказа некоторый промежуток временикдлительностиэтогопромежутка:

Если ток не является постоянным, силу тока определяют следующим образом:

За положительное направление тока принимают направление движения положительных зарядов. Силу тока в СИ изме-

ряют в амперах. Один ампер - это основная единица в СИ, она определяется по силе магнитного взаимодействия токов. За еди-

ницу принимают силу такого неизменного тока, который, протекая по двум параллельным проводникам ничтожно малого кругового сечения, находящимся на расстоянии 1 м друг относительно друга в вакууме, вызывает взаимодействие между ними с силой 2 10-7 Н на каждый метр длины. Через единицу силы тока определяются другие электрические единицы, например

1 Кл = 1А с.

Электрический ток может быть распределен по сечению проводника неравномерно. Плотность тока в любой точке сечения проводника определяется как отношение силы тока dI через расположенную в окрестности этой точки перпендикулярно направлению тока площадку к величине этой площадки:

Вектор плотности тока совпадает с направлением движения положительных носителей.

Для поддержания тока в замкнутой цепи необходимо наличие сил неэлектростатической природы (сторонних сил), способных совершать работу по переносу заряда в замкнутой цепи. Известно, что электрическое поле неподвижных зарядов не может заставить заряд перемещаться по замкнутому пути (см. раздел 1.5). Сторонние силы действуют обычно лишь на части замкнутой цепи − в источнике тока. Происхождение этих сил в разных источниках различно. В гальванических элементах и аккумуляторах эти силы имеют химическую природу, в фотоэлементах разделение зарядов происходит в результате действия света на полупро-

39

водник, в генераторах − за счет движения проводников в магнитном поле. Чем больший заряд перемещается по проводнику, тем большая работа совершается.

Электродвижущая сила (ЭДС) источника − физическая величина, численно равная работе, которую совершают сторонние силы при перемещении единого положительного заряда по замкнутому контуру:

Стороннюю силуr rF*, действующую на заряд q, можно представить в виде F* = E * q . Векторную величину E* называют напряженностью поля сторонних сил. Работа сторонних сил по перемещению заряда q на участке цепи 1-2 равна

Аналогичный интеграл, вычисленный по замкнутому контуру,

Таким образом, ЭДС, действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил.

При движении заряда по проводнику на него могут действовать как силы электростатического происхождения FE, так и сторонние силы. Результирующая сила, действующая на заряд, равна Fr = FrE + Fr* = q (ErE + Er* ). Полная работа по перемещению единич-

ного положительного заряда на участке 1-2 под действием этой

Величина, численно равная работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется напряжением U на данном

40

Напряжение, как и ЭДС и разность потенциалов, измеряется в вольтах.

Рассмотрим частные случаи, вытекающие из (2.6). Если на участке цепи отсутствуют источники ЭДС: E 1,2=0 , то напряжение

равно разности потенциалов на концах участка цепи. Если ток равен нулю (цепь разомкнута), то разность потенциалов на концах участка цепи равна ЭДС с обратным знаком.

Вопросы

1.В каких единицах в СИ измеряются сила тока, ЭДС, напряжение?

2.Почему электрическое поле неподвижных зарядов не может создать тока в замкнутой цепи?

3.Чем напряжение отличается от разности потенциалов? В каком случае эти величины одинаковы?

4.Если для существования тока в проводнике необходимо наличие поля, то будут ли разные точки проводника иметь одинаковый потенциал?

5.Во внешней цепи электроны движутся от отрицательного полюса к положительному. Внутри же гальванического элемента электроны движутся к отрицательному электроду. Как это объяснить?

6.Электродвижущая сила – это силовая характеристика источника тока или энергетическая?

7.Как можно просто измерить ЭДС элемента, имея прибор для измерения разности потенциалов (вольтметр)? Какие требования предъявляются в этом случае к вольтметру?

2.2.Закон Ома. Сопротивление. Последовательное и параллельное соединение проводников

Немецкий физик Георг Симон Ом (1787-1854) эксперимен-

тально доказал, что сила электрического тока в металлическом проводнике прямо пропорциональна напряжению на участке цепи 1-2 и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка:

где U1,2 определяется из формулы (2.6).

Это утверждение называют законом Ома. Обнаруженная Омом закономерность, строго говоря, состоит в утверждении, что

41

сила тока в металлическом проводнике пропорциональна напряжению. Это утверждение в общем случае несправедливо применительно к таким веществам, как газы, электролиты, полупроводники и т. п. Закон Ома поэтому не относится к таким фундаментальным законам природы, как законы Ньютона, начала термодинамики или закон Кулона. Он лишь характеризует определенные материалы - металлические и подобные им проводники.

Закон Ома для однородного участка цепи. Если участок цепи не содержит ЭДС, выражение для закона Ома упрощается:

Сопротивление проводника - физическая величина, характеризующая электрические свойства проводника. Сопротивление проводника может быть определено экспериментально с помо-

щью закона Ома через значения тока и напряжения: R = ∆Iϕ . Со-

противление измеряют в омах. 1Ом =1В/А. Сопротивление однородного проводника цилиндрической формы:

где l − длина, S − площадь поперечного сечения проводника,

ρ − удельное сопротивление проводника (сопротивление одно-

родного цилиндрического проводника, изготовленного из данного материала, имеющего единичную длину и единичную площадь поперечного сечения). Удельное сопротивление зависит от рода вещества, а также от внешних условий, например, температуры.

Закон Ома в дифференциальной форме. Найдем связь между векторами плотности тока j и напряженности

цилиндрическийr объем с образующими, параллельными вектору j (рис 2.1). Через поперечное сечение цилиндра течет ток jdS, напряжение на концах цилиндра EdL, сопротивление цилиндра ρdL/S. Подставив эти значения в формулу

42