Постоянный электрический ток. Сила тока, напряжение, электрическое сопротивление. Зависимость сопротивления от температуры. Сверхпроводимость. Закон Ома для участка цепи без ЭДС

К представлению об электрическом токе можно подойти с разных позиций. Одна из них — макроскопическая, другая — опирается на анализ механизма проводимости. Например, течение жидкости по трубам можно рассматривать как непрерывное движение вещества, но можно проанализировать его и с точки зрения движения частиц жидкости.

Первое представление об электрическом токе возникло на том этапе развития физики, когда механизм проводимости еще не был известен. Именно тогда и возникла физическая величина — сила тока , которая показывает, какой электрический заряд проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени. Сила тока . Единица силы тока — ампер (А): .

Из определения силы тока следуют две особенности этой величины. Одна из них — это независимость силы тока от поперечного сечения проводника, по которому ток протекает. Вторая — независимость силы тока от пространственного расположения элементов цепи, в чем вы не раз могли убедиться: как бы ни перемещали проводники, это не влияет на силу тока. Ток называется постоянным, если сила тока не изменяется с течением времени.

Таким образом, представление об электрическом токе, его силе возникло тогда, когда еще не было ясно, что это такое.

Исследование электропроводимости различных веществ показало, что в разных веществах различные заряженные свободные частицы движутся под действием электрического поля в процессе протекания тока. Например, в металлах — это электроны, в жидкостях — это положительные и отрицательные ионы, в полупроводниках — электроны и «дырки». Различны не только типы частиц, но и характер их взаимодействия с веществом, в котором идет ток. Так, свободные электроны в металлах некоторое время движутся свободно между узлами кристаллической решетки, затем сталкиваются с ионами, расположенными в узлах. В электролитах ионы взаимодействуют друг с другом и с атомами жидкости.

Но для всех веществ есть общее свойство: частицы при отсутствии поля движутся хаотически, при возникновении поля к скорости хаотического движения добавляется очень небольшая величина скорости либо в направлении поля (для положительных частиц), либо в направлении, противоположном полю (для отрицательных частиц). Эта добавочная скорость называется скоростью дрейфа . Средняя скорость хаотического движения — сотни метров в секунду, скорость дрейфа — несколько миллиметров в секунду. Однако именно эта маленькая добавка и объясняет все действия тока.

Для любых веществ можно получить формулу для расчета силы тока: , где — концентрация заряженных частиц, — заряд одной частицы, — площадь поперечного сечения.

Таким образом, электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц.

Может показаться, что эта формула противоречит утверждению о независимости силы тока от площади поперечного сечения проводника. Но эта независимость — экспериментальный факт. Объяснить же его можно тем, что скорость дрейфа больше там, где сечение меньше, а через большее сечение частицы дрейфуют медленнее.

Опытный факт состоит в том, что при приложении к проводнику постоянной разности потенциалов по нему идет постоянный ток. Этот факт противоречит, на первый взгляд, формуле . Действительно, при постоянной разности потенциалов в веществе создается поле с постоянной напряженностью поля . Следовательно, на свободные частицы действует постоянная сила и скорость их должна увеличиваться. Получается, что при постоянном напряжении сила тока должна увеличиваться пропорционально времени. Этого не происходит потому, что при протекании тока в веществе возникает электрическое сопротивление. Именно оно обеспечивает постоянство силы тока при постоянной разности потенциалов.

Для измерения сопротивления необходимо исследовать зависимость силы тока от напряжения. График такой зависимости называется воль-тамперной характеристикой. Возможны три типа вольт-амперной характеристики (рис. 40).

Вольт-амперная характеристика 1 является линейной. Аналитическая зависимость силы тока от напряжения называется законом Ома для участка цепи.

После того как эксперимент показал, что сила тока пропорциональна напряжению, можно измерить сопротивление, для чего надо взять любую пару значении и и найти их отношение: . Единица сопротивления — ом (Ом): .Если эксперимент показал, что на вольт-амперной характеристике есть только небольшой линейный участок ( на характеристиках 2 и 3), то сопротивление только на этом участке можно найти как отношение .

31.Последовательное и параллельное соединения проводников.

Различают последовательное и параллельное соединения проводников. При последовательном соединении (рис. 43, а) через все резисторы проходит один и тот же ток. При параллельном соединении (рис. 43, б) на всех резисторах создано одно и то же напряжение. При смешанном соединении (рис. 43, в) используются и последовательное, и параллельное соединения проводников.

При последовательном соединении электрическая цепь не имеет разветвлений. Все проводники включают в цепь поочередно друг за другом. На рисунке 44 показано последовательное соединение двух проводников 1 и 2, имеющих сопротивления и . Это могут быть две лампы, две обмотки электродвигателя и т.д.

Сила постоянного тока в обоих проводниках одинакова: , так как в проводниках электрический заряд в случае постоянного тока не накапливается и через любое сечение проводника за определенный интервал времени проходит один и тот же заряд.

Напряжение (или разность потенциалов) на концах рассматриваемого участка цепи складывается из напряжений на первом и втором проводниках:

.

Применяя закон Ома для участка цепи , можно доказать, что полное сопротивление при последовательном соединении равно сумме сопротивлений отдельных проводников.

Действительно, из формулы получим . После сокращения окажется, что . Аналогичную формулу можно применить для любого числа последовательно соединенных проводников.

Напряжения на проводниках и их сопротивления при последовательном соединении связаны соотношением: .

Параллельное соединение.

На рисунке 38 показано параллельное соединение двух проводников 1 и 2 с сопротивлениями и . В этом случае электрический ток разветвляется на две части. Силу тока в первом и втором проводниках обозначим через и . Так как в точке разветвления проводников (в точке А) электрический заряд не накапливается, то заряд, поступающий в единицу времени в эту точку, равен заряду, уходящему из нее за это же время.Следовательно,

.

Напряжение на проводниках, соединенных параллельно, одно и то же.

В осветительной сети поддерживается напряжение 220 или 127 В. На это напряжение рассчитаны приборы, потребляющие электрическую энергию. Поэтому параллельное соединение — самый распространенный способ соединения различных потребителей. Н этом случае выход из строя одного прибора не отражается на работе остальных, тогда как при последовательном соединении выход из строя одного прибора размыкает всю цепь.

Применяя закон Ома для участка цепи с сопротивлениями и , можно доказать, что величина, обратная полному сопротивлению участка АВ, равна сумме величин, обратных сопротивлениям отдельных проводников.

Действительно, заменим в формуле тока для параллельного соединения проводников значение силы тока, пользуясь законом Ома: . После сокращения получим

.

Отсюда следует, что Формулы, аналогичные (1) и (2), можно применять к соединению любого числа проводников. Силы тока проводниках и их сопротивление при параллельном соединении связаны соотношением .

Для того чтобы измерить напряжение на участке цепи с сопротивлением , к нему параллельно подключают вольтметр. Напряжение на вольтметре будет совпадать с напряжением на участке цепи

Поиск по сайту: