Теоретичні відомості. Електричним струмом провідності називається впорядкований рух заряджених частинок – носіїв заряду

Електричним струмом провідності називається впорядкований рух заряджених частинок – носіїв заряду. Струм провідності має місце в тому випадку, якщо в середовищі є електричне поле та носії струму, які здатні переміщуватись в ньому. Носіями струму можуть бути електрони, позитивні та негативні іони та інші заряджені частинки.

Електричний струм характеризується напрямком та силою. За напрямок струму прийнято напрямок руху додатних заряджених частинок. Силою струму І називається фізична величина, яка чисельно рівна першій похідній від заряду, що переноситься через поперечний переріз провідника, по часу:

(1)

Вона показує який заряд переноситься через поперечний переріз провідника за одиницю часу. Якщо сила струму та його напрям протягом часу не змінюються, то струм називається постійним. Сила постійного струму визначається співвідношенням:

, (2)

де q – абсолютна величина заряду, що переноситься через поперечний переріз провідника, t – час, за який переноситься заряд.

В СІ одиниці сили струму А (ампер) та часу с (секунда) є основними, а одиниця заряду Кл (кулон) визначається як заряд, що переноситься через поперечний переріз провідника за 1 с при силі струму в 1 А, отже

1 Кл =1 А·1 с

Згідно закону Ома, який був встановлений дослідним шляхом, сила струму, що протікає в провіднику, прямо пропорційна напрузі на провіднику:

(3)

Графічно залежність I=f(U) зображується прямою, що проходить через початок координат (рис. 1) і називається вольт-амперною характеристикою (ВАХ).

Величина , яка є коефіцієнтом пропорційності, називається електропровідністю провідника, а величина R – його електричним опором. В СІ опір вимірюється в Ом (омах). 1 Ом це опір такого провідника, в якому при напрузі в 1 В тече струм силою в 1 А, тобто

Рис. 1.

Електропровідність в СІ вимірюється в См (сіменсах). 1 См – це електропровідність провідника опором в 1 Ом, тобто

Електричний опір залежить від форми, розмірів і матеріалу провідника. Для однорідного провідника циліндричної форми

, (4)

де l - довжина провідника, S - площа поперечного перерізу провідника, ρ - питомий опір матеріалу провідника. З формули (4) слідує, що

, (5)

тобто питомий опір ρ чисельно збігається з опором R провідника одиничної довжини з одиничною площею поперечного перерізу і вимірюється в СІ в Ом·м.

Величина

, (6)

обернена питомому опору, називається питомою електропровідністю. В СІ вона вимірюється в Ом^-1 м^-1=См м^-1.

При протіканні струму через різні ділянки перерізу провідника за одиницю часу може переноситися різний по величині заряд.

Для характеристики розподілу сили струму по площі поперечного перерізу провідника та напрямку струму використовується величина , яка називається вектором густини електричного струму. За числовим значенням

, (7)

де - сила струму, що протікає через елемент площі поперечного перерізу .

Величина вектора густини струму показує, яка сила струму припадає на одиницю площі поперечного перерізу провідника. У СІ густина струму вимірюється в .

Закон Ома (3) справедливий для конкретного провідника з опором R і називається інтегральним законом Ома для ділянки кола, яка не містить е.р.с. (для однорідної ділянки кола). Якщо на ділянці кола крім напруги U, діє електрорушійна сила ε, то вона є неоднорідною. У цьому випадку сила струму

, (8)

де R – зовнішній опір кола, r – внутрішній опір джерела струму.

Формула (8) є математичним записом закону Ома для неоднорідної ділянки кола. Величина ε може мати знак плюс або мінус залежно від того, збільшує або зменшує вона струм на цій ділянці кола.

Для замкнутого кола закон Ома має вигляд

, (9)

де ε - діюча в колі е.р.с.

Для будь-якої точки струмопровідного середовища, незалежно від форми та розмірів провідника (від його загального опору), застосовується закон Ома в диференціальній формі, аналітичний запис якого вийде на підставі формул (3), (4) та (7).

Якщо довжина провідника і площа його поперечного перерізу нескінченно малі, то

, (10)

, (11)

де φ₁ –φ₂ різниця потенціалів точок, що перебувають на відстані (напруга між точками). Але , де - нескінченно мала зміна потенціалу. Тоді

(12)

Якщо напруженість електричного поля , то, розділивши ліву та праву частини виразу (11) на , отримаємо:

(13)

Враховуючи те, що напрямки векторів і однакові, то обидва ці вектори мають напрямок руху позитивно заряджених часток, тобто

, (14)

що являє собою диференціальну форму закону Ома.

Основна її суть полягає у прямій пропорційності між густиною струму та напруженістю електричного поля в тому випадку, якщо питома електропровідність є постійною величиною.

Так як густина струму дорівнює заряду, що переноситься за одиницю часу через одиницю площі поперечного перерізу провідника, то

, (15)

де e - заряд електрона; n - концентрація носіїв струму (їхня кількість в одиниці об’єму); - швидкість направленого руху носіїв струму.

Із співставлення формул (13) і (15) виходить, що

або , (16)

де - рухливість носіїв струму. Чисельно рухливість збігається із швидкістю носіїв струму при одиничній напруженості електричного поля та вимірюється в СІ в При малій напруженості електричного поля (не більше 10⁶ ) і постійній температурі закон Ома справедливий для провідних напівпровідникових зразків. При цих умовах концентрація носіїв і електропровідність не змінюються, а збільшення струму при збільшенні напруги є наслідком зростання швидкості направленого руху носіїв при підвищенні напруженості електричного поля.

Невиконання зазначених умов веде до порушення прямої пропорційності між σ і μ (або між σ і Е). Так, наприклад, підвищення температури напівпровідникового зразка викликає збільшення концентрації носіїв струму, що викликає збільшення електропровідності та більш швидке зростання струму в порівнянні з ростом напруги.

3. Контрольні питання.

1. Що таке електричний струм?

2. Що називається силою струму? Які одиниці її вимірювання?

3. Який зміст закону Ома і як він зображується графічно?

4. Записати та пояснити закон Ома в інтегральній формі для однорідної та неоднорідної ділянок кола.

5. Що називається густиною струму і які одиниці її вимірювання?

6 Як пов'язана густина струму із швидкістю направленого руху носіїв струму?

7. Записати та пояснити закон Ома в диференціальній формі.

8. Як пояснюється зростання сили струму при збільшенні напруги у випадку постійної температури та незалежності електропровідності від напруженості поля?

9. У чому фізичний зміст тангенса кута нахилу залежності і як у даній роботі за допомогою нього визначаються параметри зразка?

Поиск по сайту: