ОУД 09. Физика 911 группа 13.04.2020

Тема: Законы постоянного тока.

Неподвижные электрические заряды редко используются на практике. Для того, чтобы заставить электрические заряды служить нам, их нужно привести в движение – создать электрический ток. Электрический ток освещает квартиры, приводит в движение станки, создает радиоволны, циркулирует во всех электронно-вычислительных машинах. Мы начнем с наиболее простого случая движения заряженных частиц – рассмотрим постоянный электрический ток.

1. Сила тока и плотность тока

При движении заряженных частиц в проводнике происходит перенос электрического заряда с одного места в другое. Однако если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в металле, то переноса заряда не происходит (рис. 1, а). Электрический заряд перемещается через поперечное сечение проводника лишь в том случае, если наряду с беспорядочным движением электроны участвуют в упорядоченном движении (рис. 1, б). В этом случае говорят, что в проводнике устанавливается электрический ток.

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Электрический ток возникает при упорядоченном перемещении свободных электронов или ионов.

Если перемещать нейтральное в целом тело, то, несмотря на упорядоченное движение огромного числа электронов и атомных ядер, электрический ток не возникнет. Полный заряд, переносимый через любое сечение, будет при этом равным нулю, так как заряды разных знаков перемещаются с одинаковой средней скоростью.

Электрический ток имеет определенное направление. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Отсюда следует, что направление тока совпадает с направлением вектора напряженности электрического поля. Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц. (такой выбор направления тока не очень удачен, так как в большинстве случаев ток представляет собой упорядоченное движение электронов - отрицательно заряженных частиц. Выбор направления тока был сделан в то время, когда о свободных электронах в металле еще ничего не знали).

Действие тока. Движение частиц в проводнике мы непосредственно не видим. О наличии электрического тока приходится судить по тем действиям или явлениям, которые его сопровождают.

Во – первых, проводник, по которому течет ток, нагревается.

Во – вторых, электрический ток может изменять химический состав проводника, например, выделять его химические составные части (медь из раствора медного купороса и т.д.).

В – третьих, ток оказывается силовое воздействие на соседние тока и намагниченные тела. Это действие тока называется магнитным. Так, магнитная стрелка вблизи проводника с током поворачивается. Магнитное действие тока в отличие от химического и теплового является основным, так как проявляется у всех без исключения проводников. Химическое действие тока наблюдется лишь у растворов и расплавов электролитов, а нагревание отсутствует у сверхпроводников.

Сила тока. Если в цепи устанавливается электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника все время переносится электрический заряд. Заряд, перенесенный в единицы времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока. Если через поперечное сечение проводника за время ∆t переносится заряд ∆q, то среднее значение силы тока равно:

Таким образом, средняя сила тока равна отношению заряда ∆q, прошедшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени ∆t, к этому промежутку времени. Если сила тока со временем не меняется, то ток называется постоянным.

Сила тока в данный момент времени определяется также по формуле (1), но промежуток времени ∆t в таком случае должен быть очень мал.

Если ток переменный, то сила тока, подобно заряду, - величина переменная. Она может быть, как положительной, так и отрицательной. Знак силы тока зависит от того, какое из направлений вдоль проводника принять за положительное. Сила тока I 0, если направление тока совпадает с условно выбранным положительным направлением вдоль проводника. В противном случае I

С вязь силы тока со скоростью направленного движения частиц. Пусть цилиндрический проводник (рис.2) имеет поперечное сечение площадью S. За положительное направление в проводнике примем направление слева направо. Заряд каждой частицы будем считать равным q₀. В объеме проводника, ограниченном поперечными сечениями 1 и 2 с расстоянием ∆l между ними, содержится nS∆l частиц, где n – концентрация частиц (носителей тока). Их общий заряд в выбранном объеме q = q₀nS∆l. Если частицы движутся слева направо со средней скоростью , то за время все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через поперечное сечение 2. Поэтому сила тока равна:

В СИ единицей силы тока является ампер (а). эту единицу устанавливают на основе магнитного взаимодействия токов. Измеряют силу тока амперметрами. Принцип устройства этих приборов основан на магнитном действии тока.

Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике. Найдем скорость упорядоченного перемещения электронов в металлическом проводнике. Согласно формуле (2):

где е – модуль заряда электрона. Пусть, например, сила тока I = 1 А, а площадь поперечного сечения проводника S = 10^-6 м². Модуль заряда электрона е = 1,6 ∙ 10^-19 Кл. Число электронов в 1 м³ меди равно числу атомов в этом объеме, так как один и валентных электронов каждого атома меди коллективизирован и является свободным. Это число есть n = 8,5 ∙ 10²⁸ м^-3. Следовательно,

Как видите, скорость упорядоченного перемещения электронов очень мала.

1. Условия, необходимые для существования электрического тока.

Для возникновения и существования постоянного электрического тока в веществе необходимо, во – первых, наличие свободных заряженных частиц. Если положительные и отрицательные заряды связаны друг с другом в атомах или молекулах, то их перемещение не приведет к появлению электрического тока. Но наличия свободных зарядов еще недостаточно для возникновения тока.

Для создания и поддержания упорядоченного движения заряженных частиц необходима, во – вторых, сила, действующая на них в определенном направлении. Если сила перестанет действовать, то упорядоченное движение заряженных частиц прекратится из-за электрического сопротивления, оказываемого их движению ионами кристаллической решетки металлов или нейтральными молекулами электролитов.

На заряженные частицы, как мы знаем, действует электрическое поле сс силой:

Обычно именно электрическое поле внутри проводника служит причиной, вызывающей и поддерживающей упорядоченное движение заряженных частиц. Только в статическом случае, когда заряды покоятся, электрическое поле внутри проводника равно нулю.

Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между концами проводника, в соответствии с формулой

существует разность потенциалов. Когда разность потенциалов не меняется во времени, в проводнике устанавливается постоянный электрический ток. Вдоль проводника потенциал уменьшается от максимального значения на одном конце проводника до минимального на другом, так как положительный заряд под действием сил поля перемещается в сторону убывания потенциала.

Задания: ответить на вопросы

1. Что называют электрическим током?

2. Что такое сила тока (формула)?

3. Какое направление тока принимают за положительное?

4. Законспектировать условия, необходимые для существования электрического тока (слово в слово).