Лекция №2 Электрическая цепь и её элементы Э.д.с. источника тока и её связь с внешним и внутренним напряжением в цепи.

Электрическая цепь и её элементы Э.д.с. источника тока и её связь с внешним и внутренним напряжением в цепи.

Носителями тока в метал­лах являются свободные электроны. Наряду со сво­бодными электронами в металлах имеются положи­ тельные заряды - ионы, расположенные в узлах кри­сталлической решетки и не принимающие участия в переносе тока. При отсутствии внешнего электри­ческого поля свободные электроны движутся хао­тически (беспорядочно) и ток в металле равен нулю. При наличии электрического поля они приобрета­ют дополнительное упорядоченное движение (дрейф) против поля, создавая электрический ток. Электрическим током называется упорядочен­ное движение электрических зарядов, а сами заря­ды - носителями тока. Например, в металлах и полупроводниках носителями тока являются элек­троны, в жидких проводниках (электролитах) по­ложительные и отрицательные ионы, а в ионизиро­ванных газах - как ионы, так и электроны. Ток, возникающий внутри твердого, жидкого или газо­образного проводника, называется током проводи­мости. За направление электрического тока услов­но принято направление упорядоченного движения положительных зарядов. Для возникновения тока необходимо наличие электрической цепи. Электрическая цепь - это со­стоящий из проводников замкнутый путь для тока, т. е. для направленного движения электрических зарядов. Для поддержания тока в цепи нужен ис­точник электрической энергии. Он преобразует ка­ кую-либо форму энергии (например, химическую или механическую) в электрическую. Полученная от источника электрическая энергия преобразуется в другие формы энергии в различных ее приемниках (потребителях). Источником электрической энергии может быть батарея гальванических элементов (химических ис­точников тока) или генератор, преобразующий ме­ханическую энергию в электрическую. В роли при-­ емников электрической энергии могут выступать резисторы (реостаты), электрические лампочки, электролитические ванны, электродвигатели и мно­гие другие устройства, которые преобразуют элект­рическую энергию в другие виды энергии. Количественной характеристикой электричес­кого тока является сила тока (I). Силой тока назы­вают скалярную величину численно равную заря­ду Q, проходящему через поперечное сечение про­ водника за единицу времени. Если сила и направление тока не изменяются со временем, то сила тока равна:

I=Q/t (2.1)

где Q - заряд, который переносится через попереч­ное сечение проводника за время t. В системе СИ единицей силы тока является ам­пер (А). При токе в 1 А через полное сечение про­водника за 1 с проходит заряд 1 Кл. Также использу­ют и более мелкие единицы: 1 миллиампер (мА) =10^-3 А и 1 микроампер = 10^-6 А. Какие же силы тока встречаются на практике? Человек начинает ощущать проходящий через его тело ток, когда сила тока достигает 0,005 А. Ток величиной около 0,05 А уже опасен для жизни.

Сила тока в лампочках накаливания от 0,2 до 1 А, в утю­гах и электрокаминах - от 5 до 8 А, а в электродви­гателях трамваев и троллейбусов - свыше 100 А. Для количественной характеристики электричес­кого тока используют также плотность тока, кото­ рая равна величине заряда, проходящего в единицу времени через единицу поверхности, перпендику­лярной направлению движения зарядов:

δ = IS (2.4)

Плотность тока - это вектор, направление кото­рого совпадает с направлением скорости движения заряженных частиц. Для металлических проводни­ков плотность тока измеряется в амперах на квад­ратный метр (А/м). Если плотность тока и сила тока не меняются во времени, то мы говорим, что в проводнике течет постоянный, или стационарный, ток. Для посто­янного тока сила тока одинакова во всех сечениях проводника. Если сила тока не остается постоян­ной, то мы говорим об изменяющемся токе. Част­ным случаем изменяющегося тока является пере­менный синусоидальный ток, который называют просто переменным током. Когда мы включаем электрическую лампочку, то она загорается сразу, независимо от длины проводов, соединяющих ее с выключателем. Это вовсе не озна­чает, что электроны начали двигаться с огромной скоростью и очень быстро достигли лампочки. Скорость поступательного движения свободных электронов в металлах довольно мала - она называется скоростью дрейфа и составляет доли миллиметра в секунду. Так почему же лампочка загорается сразу? Дело в том, что скорость распространения электрического взаи­модействия очень велика - она практически равна скорости света в вакууме, т. е. 300000 км/с. При замыкании электрической цепи все содержащиеся в проводнике свободные электроны почти одновре­менно приходят в движение, и ток начинает идти через лампочку. При этом через лампочку сначала проходят ближайшие к ней электроны. Здесь умес­тна аналогия с водопроводом: когда вы открываете кран, из него начинает течь вода из ближайших труб, а частицы воды из водонапорной станции дой­дут до вас совсем не скоро. Электроны в проводниках движутся не свободно, а испытывают соударения с ионами кристалличес­кой решетки, что тормозит их поступательное дви­жение. Это противодействие проводника направлен­ ному движению зарядов, т.е. электрическому току, называется сопротивлением проводника. Оно обо­значается буквой r или R. Взаимодействуя с ионами-электроны передают решетке избыточную кинетическую энергию, кото­рую они приобретают во время свободного пробега. За счет этого амплитуда колебаний ионов решетки увеличивается, и температура металла возрастает.

В 1826 г. Георг Ом (1787-1854) экспериментально установил, что сила тока на участке цепи пря­мо пропорциональна напряжению, приложенному к концам этого участка, и обратно пропорциональна его сопротивлению:

I=U/R (2.5)

Сопротивление проводника зависит от материа­ла, из которого изготовлен проводник, его размеров и геометрической формы, а также от температуры. Для однородного проводника постоянного сечения

R= ρ l/S (2.6)

где ρ - удельное сопротивление, т.е. сопротивление проводника единичной длины с единичной площа­дью поперечного сечения, l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения. Сопротивление измеряется в омах (Ом). 1 Ом - это сопротивление проводника, по которому течет ток с силой 1 А при напряжении между его концами 1 В. На прак­тике сопротивление также измеряют в килоомах (1 кОм = 10³ Ом) и в мегаомах (1 МОм = Ом). Удельное сопротивление служит для характерис­тики различных проводящих материалов. Это со­ противление между гранями куба с ребром в 1м, изготовленного из данного материала. Единица удельного сопротивления – Ом*мм²/м Значения удельных сопротивлений для некоторых проводящих материалов приведены в таблице2.1. Мы видим, что наименьшим удельным сопротив­лением обладают серебро, медь и алюминий. Поэто­му для изготовления электрических проводов ис­пользуют медь и алюминий (серебро из-за его высо­кой стоимости используется только для тонкослойного покрытия проводов в высокочастотной элект­ронике). Для изготовления нагревательных прибо­ров используются сплавы с высоким удельным со­ противлением, например нихром.

Устройство, обладающее сопротивлением и ис­пользуемое для ограничения тока в электрической цепи или в приемнике электроэнергии, называется резистором. Резисторы бывают с постоянным и с переменным (регулируемым) сопротивлением. Величина g, обратная сопротивлению, называ­ется проводимостью:

g = 1/ρ (2.7)

Единицей проводимости в системе СИ является сименс (1 См = 1 Oм^). Величина X, обратная удельному сопротивлению, называется удельной проводимостью:

I= ER+r. (2.28)

Это закон Ома для замкнутой цепи: сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС ис­точника тока и обратно пропорциональна сумме со­ противлений внешнего и внутреннего участков цепи. Сумму внешнего и внутреннего сопротивлений (R + г ) называют полным сопротивлением цепи.

Вопросы для повторения

I.Что такое электрический ток?

2. Что такое сила и плотность тока? В каких единицах они измеряются?

3. Какова причина электрического сопротивле­ния?

4. В каких единицах измеряется сопротивление?

5. От чего зависит сопротивление проводника?

6. Что такое удельное сопротивление?

7. Что такое проводимость и удельная проводи­мость?

8.Какой формулой описывается зависимость сопротивления проводников от температуры?

9. Чему равно общее сопротивление последова­тельно соединенных проводников?

10. Чему равно общее сопротивление параллельно соединенных проводников?

11. Как распределяются токи в параллельно со­ единенных проводниках?

12. Запишите формулы для вычисления работы и мощности электрического тока.

13. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца.

14. Что такое потеря напряжения в линии?

15. Как влияет напряжение в линии электропере­дачи на потери мощности в проводах? 16. Что такое ЭДС источника тока?

17. Сформулируйте закон Ома для замкнутой цепи.

18. Сформулируйте первое правило Кирхгофа.

19. Сформулируйте второе правило Кирхгофа.

20. Сформулируйте правило знаков при использо­вании правил Кирхгофа.

21. Что такое шунтирование?

22. Чему равны ЭДС и внутреннее сопротивление батареи при последовательном соединении источ­ников тока?

23. Чему равны ЭДС и внутреннее сопротивление батареи при параллельном соединении источни­ков тока?