| |
|
|
 |
Определение: Направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц называется электрическим током. |
Если речь идет о движении микрочастиц, то говорят о токе проводимости. А, если о движении макрочастиц, то говорят о токе конвекции.
Исторически сложилось, что за направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.
Для характеристики постоянного тока вводят две физические величины: векторную – плотность тока и скалярную – сила тока.
|
Определение: Плотностью тока называется физическая величина, определяющая заряд, прошедший через площадку dS за время dt следующим образом. 
|
Пусть все частицы одинаковые и имеют заряд q и скорость υ, которая называется средней или упорядоченной или дрейфовой скоростью.
|
Определение: Силой тока называется поток плотности тока через какую-либо поверхность. 
|
Силу тока можно определять как заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время Δt. Данное выражение используется для определения единицы заряда.
|
Определение: 1 Ампер – единица СИ электрического тока, равная силе такого неизменяющегося тока, который при прохождении по двум бесконечно длинным проводникам ничтожно малой площади поперечного сечения вызывает силу взаимодействия между ними 2·10-7 Н на 1 м длины. |
Плотность тока измеряется в А/м2.
Непосредственно наблюдать электрический ток нельзя. О его существовании судят по макроскопическим проявлениям.
Магнитное |
Тепловое |
Химическое |
 Измерительные приборы, определяющие ток. |
 Приборы нагревательных элементов. |
Происходят химические превращения при протекании тока. Электролиз. |
Закон сохранения заряда утверждает, что в замкнутой системе заряд сохраняется. Если система не замкнута, то заряд может изменяться.
Данное уравнение называется уравнением непрерывности в интегральной форме. Производная по времени связана с временной зависимостью заряда. Данное уравнение считается постулатом. По смыслу – это закон изменения заряда.
Используя понятие объемной плотности заряда и формулу Остроградского-Гаусса
получаем
– уравнение непрерывности в дифференциальной форме.
Если ток постоянный, то 
, следовательно, линии плотности тока являются замкнутыми.
Если есть ток, значит, есть движение зарядов, следовательно, есть сила, которая заставляет двигаться заряды, есть ток, есть напряженность, которая направлена вдоль тока. В общем случае напряженность направлена под углом к поверхности. Если есть напряженность, то градиент потенциала вдоль проводника не равен нулю, следовательно, потенциал вдоль проводника изменяется. Говорят о падении потенциала.
Плотность тока и напряженность вдоль проводника взаимосвязаны между собой. Разумно предположить, что это самая простая связь, т.е. линейная.
где σ – удельная электропроводность.
Данный закон является постулатом.
Для металлов закон выполняется почти всегда, для полуметаллов начинаются отклонения при очень больших плотностях тока. Для других линейную связь можно заменить тензорной и закон Ома замыкает уравнения Максвелла.
Из этого соотношения следует, что линии плотности тока и линии напряженности при постоянном токе совпадают, а, следовательно, распределение полей можно изучать по распределению тока (метод электролитической ванны).
Наряду с удельной электропроводностью, вводят понятие удельного сопротивления.
Сила тока I вдоль проводника не изменяется.
Интеграл в левой части назовем сопротивлением проводника между точками 1 и 2.
– напряжение между точками электрической цепи.
– закон Ома в интегральной форме.
Сопротивление зависит от геометрии и от вещества, из которого сделан проводник.
Для цилиндрического проводника одинакового поперечного сечения оно вычисляется особенно просто.
Измерив сопротивление, можно вычислить ёмкость и наоборот.
Данное устройство иногда называется конденсатором с утечкой.
По физическому смыслу, удельное сопротивление – это сопротивление куба вещества с ребром 1 м, если подводящие провода подключены к центрам противоположных граней.
Приведем таблицу удельных сопротивлений
Медь | 1,72·10-8Ом·м |
Серебро | 1,6·10-8Ом·м |
Алюминий | 2,6·10-8Ом·м |
Свинец | 2,0·10-6Ом·м |
Графит | 3·10-5Ом·м |
Германий | 0,6Ом·м |
Стекло | 10+9Ом·м |
Зависимость сопротивления достаточно сложная, поэтому будем говорить о зависимости удельного сопротивления от температуры.
Для характеристики этой зависимости вводят понятие температурного коэффициента.
В небольшом диапазоне температур можно считать, что α=const.
гдеρ0 – удельное сопротивление при температуре Т0.
Если считать геометрию проводника неизменной, то
Приведем таблицу температурных коэффициентов
Медь | 0,0043 |
Серебро | 0,0040 |
Графит | -0,005 |
Стекло | -0,1 |
Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) может быть положительным или отрицательным.
Кроме того, может наблюдаться явление сверхпроводимости, т.е. падение до нуля сопротивления при сверхнизких температурах. Явление объясняется с квантовых позиций.
При протекании по проводнику электрического тока, совершается работа.
Здесь q – прошедший заряд.
Если нет сторонних потерь энергии, то эта работа полностью переходит в тепло:
(количество теплоты)
Q – тепло Джоуля – Ленца.
В общем виде это выражение выглядит следующим образом:
Это закон Джоуля – Ленца в интегральной форме.
Рассмотрим тепло, выделяющееся в бесконечно малом объеме проводника за бесконечно малое время dt.
–закон Джоуля – Ленца в дифференциальной форме.
| |
|
|