Электрический ток. Закон Ома

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле то на свободные заряды q в проводнике будет действовать сила В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника будет равно нулю .

Однако, в проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 1.8.1) за интервал времени Δt, к этому интервалу времени:

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным.

Рисунок 1.8.1.Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике и ток I. S – площадь поперечного сечения проводника, – электрическое поле

В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А). Единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током.

Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно во времени. Следовательно, электрическое поле в цепи постоянного тока имеет характер замороженного электростатического поля. Но при перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю . Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачивания жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

Физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.

Цепь постоянного тока можно разбить на отдельные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (т. е. участки, не содержащие источников тока), называются однородными. Участки, включающие источники тока, называются неоднородными.

При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы. Работа электростатических сил равна разности потенциалов Δφ₁₂ = φ₁ – φ₂ между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Работа сторонних сил равна по определению электродвижущей силе ₁₂, действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна

U12 = φ1 – φ2 + 12.

Величину U₁₂ принято называть напряжением на участке цепи 1–2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов:

Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:

где R = const.
Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Данное соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при токах достаточно большой силы наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующей форме:

IR = U12 = φ1 – φ2 + = Δφ12 + .

Это соотношение принято называть обобщенным законом Ома или законом Ома для неоднородного участка цепи.

На рис. 1.8.2 изображена замкнутая цепь постоянного тока. Участок цепи (cd) является однородным.

Рисунок 1.8.2. Цепь постоянного тока

По закону Ома

Участок (ab) содержит источник тока с ЭДС, равной .

По закону Ома для неоднородного участка,

Ir = Δφab + .

Сложив оба равенства, получим:

I (R + r) = Δφcd + Δφab + .

Но Δφ_cd = Δφ_ba = – Δφ_ab. Поэтому

Эта формула выражет закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.

Сопротивление r неоднородного участка на рис. 1.8.2 можно рассматривать как внутреннее сопротивление источника тока. В этом случае участок (ab) на рис. 1.8.2 является внутренним участком источника. Если точки a и b замкнуть проводником, сопротивление которого мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника (R << r), тогда в цепи потечет ток короткого замыкания

Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой и внутренним сопротивлением r. У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.

В ряде случаев для предотвращения опасных значений силы тока короткого замыкания к источнику последовательно подсоединяется некоторое внешнее сопротивление. Тогда сопротивление r равно сумме внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления, и при коротком замыкании сила тока не окажется чрезмерно большой.

Если внешняя цепь разомкнута, то Δφ_ba = – Δφ_ab = , т. е. разность потенциалов на полюсах разомкнутой батареи равна ее ЭДС.

Если внешнее нагрузочное сопротивление R включено и через батарею протекает ток I, разность потенциалов на ее полюсах становится равной

Δφba = – Ir.

На рис. 1.8.3 дано схематическое изображение источника постоянного тока с ЭДС равной и внутренним сопротивлением r в трех режимах: «холостой ход», работа на нагрузку и режим короткого замыкания (к. з.). Указаны напряженность электрического поля внутри батареи и силы, действующие на положительные заряды: – электрическая сила и – сторонняя сила. В режиме короткого замыкания электрическое поле внутри батареи исчезает.

Рисунок 1.8.3. Схематическое изображение источника постоянного тока: 1 – батарея разомкнута; 2 – батарея замкнута на внешнее сопротивление R; 3 – режим короткого замыкания

Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры.

Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением R_B. Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Для цепи, изображенной на рис. 1.8.4, это условие записывается в виде:

Это условие означает, что ток I_B = Δφ_cd / R_B, протекающий через вольтметр, много меньше тока I = Δφ_cd / R₁, который протекает по тестируемому участку цепи.
Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.

Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением R_A. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи. Для цепи на рис. 1.8.4 сопротивление амперметра должно удовлетворять условию

чтобы при включении амперметра ток в цепи не изменялся.
Измерительные приборы – вольтметры и амперметры – бывают двух видов: стрелочные (аналоговые) и цифровые. Цифровые электроизмерительные приборы представляют собой сложные электронные устройства. Обычно цифровые приборы обеспечивают более высокую точность измерений.

Рисунок 1.8.4. Включение амперметра (А) и вольтметра (В) в электрическую цепь

Электрический ток и закон Ома

Определение 1

Электрический ток характеризуется упорядоченным (направленным) передвижением заряженных частиц под влиянием электрического поля. Такими частицами выступают ионы, протоны и электроны.

Действие электрического тока

При помещении изолированного проводника в электрическое поле $\vec{E}$ произойдет воздействие на свободные заряды $q$ силы:

$\vec{E}=q\vec{E}$

Результатом такого воздействия становится возникновение в проводнике кратковременного перемещения свободных зарядов. Данный процесс завершится, если собственное электрическое поле возникших на поверхности проводника зарядов полностью компенсирует внешнее поле. При этом внутри проводника результирующее электростатическое поле будет иметь нулевое значение.

В проводниках при определенном условии становится возможным возникновение непрерывного упорядоченного движения свободных носителей электрозаряда. Это движение называют электрическим током. В качестве направления электрического тока принимается направление движения свободных положительных зарядов.

Существование электрического тока в проводнике требует создания в нем электрического поля. В качестве количественной меры электрического тока выступает сила тока $I$:

$I=\frac{\Delta q}{\Delta t}$

При условии неизменности силы тока и его направления, он будет называться постоянным. При этом возникновение постоянного электротока становится возможным только в замкнутой цепи. В различных точках такой цепи электрическое поле будет неизменным во времени.

Существование постоянного тока требует наличия в электрической цепи устройства, которое способно создавать и поддерживать на участках цепи разности потенциалов. Это происходит благодаря работе сил неэлектростатического происхождения.

Определение 2

Сторонними называются те силы неэлектростатического происхождения, которые действуют со стороны источников тока. их воздействие осуществляется на свободные носители заряда.

Движение электрических зарядов под воздействием сторонних сил происходит внутри источника тока в противодействие силам электростатического поля. Благодаря этому в замкнутой цепи поддерживается постоянный электроток. При перемещающихся электрозарядах по цепи постоянного тока, воздействующие сторонние силы совершают работу. Электродвижущая сила источника (ЭДС) рассчитывается по формуле:

$\delta=\frac{A_ст}{q}$

ЭДС, таким образом, ЭДС определяется работой, которая совершается сторонними силами при перемещении положительного единичного заряда. Электродвижущая сила, подобно разности потенциалов, измеряется в вольтах(В).

Замечание 1

Работа сторонних сил (при перемещении положительного единичного заряда по замкнутой цепи постоянного тока) характеризуется суммой ЭДС, действующих в данной цепи. Работа электростатического поля при этом будет иметь нулевое значение.

Цепь постоянного тока возможно разбить на отдельные участки. Те участки, на которых сторонние силы не действуют (не содержащие источников тока), считаются однородными. Участки, которые включают источники тока, считаются неоднородными.

При условии перемещения единичного положительного заряда по определенному участку цепи, работа будет совершаться не только электростатическими (кулоновскими) силами, но и сторонними.

Работа электростатических сил характеризуется разностью потенциалов $\Delta ф_12=φ_1-φ_2$ между начальной (1) и конечной (2) точками на неоднородном участке.

Работа сторонних сил равнозначна электродвижущей силе $\delta_12$, которая действует на отдельном участке. Таким образом, полная работа определяется формулой:

$U_12=ф_1-ф_2+\delta_12$

Величину $U_12$ принято считать напряжением на участке цепи (1-2). В случае с однородным участком, напряжение будет определяться разностью потенциалов:

$U_12=ф_1-ф_2$

Сопротивление и закон Ома

В 1826 г. физик Г. Ом экспериментальным способом установил пропорциональность силы тока, текущего по однородному металлопроводнику, напряжению на его концах.

$I=\frac{1}{R}U$

$RI=U$

Величину $R$ называют в физике электрическим сопротивлением. Проводник с таким сопротивлением называется резистором. Вышеприведенная формула характеризует закон Ома при однородном участке цепи. Согласно этому закону, в проводнике сила тока будет прямо пропорциональной напряжению с обратной пропорциональностью сопротивлению проводника.

Проводники, которые подчиняются закону Ома, называют линейными. Графически зависимость силы тока и напряжения изображается в виде прямой линии через начало координат.

Многие устройства и материалы не подчиняются закону Ома. К таковым относятся:

• газоразрядная лампа;
• полупроводниковый диод.

Отклонение от закона Ома наблюдается и у металлических проводников при токах довольно большой силы. Это объясняется усилением электрического сопротивления при увеличении температуры. Данный закон для участка цепи с ЭДС записывается в такой форме:

$IR=U-12=ф_1-ф_2+\delta=\delta ф_12+\delta$

Это соотношение называется обобщенным (для неоднородного участка цепи).

Закон Ома для полной цепи

Для полной цепи закон Ома звучит так: сила тока в ней равнозначна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений в однородном и неоднородном участках.

Сопротивление для неоднородного участка характеризуется внутренним сопротивлением источника тока. Сила тока при коротком замыкании считается максимально возможной силой, которая может быть получена от данного источника с внутренним сопротивлением и электродвижущей силой.

При малом внутреннем сопротивлении ток короткого замыкания может оказаться очень большим, что спровоцирует разрушение источника или электрической цепи. У свинцовых аккумуляторов, например, задействованных в автомобилях, сила тока такого замыкания может составить несколько сотен ампер.

Особо опасными короткие замыкания будут в осветительных сетях, которые питаются от подстанций (тысячи ампер). Во избежание разрушительного воздействия таких токов в цепь включают специальные предохранители.

В определенных случаях с целью предотвращения опасности силы тока короткого замыкания, к источнику подсоединяют в последовательном порядке внешнее сопротивление. При разомкнутости внешней цепи, разность потенциалов на полюсах батареи равнозначна ее ЭДС.

В ситуации, если внешнее нагрузочное включено, а через батарею течет ток, на ее полюсах разность потенциалов определяется формулой:

$\Delta ф_ba=\delta-Ir$

Основные законы электричества | РоботоТехника Ардуино

Основной закон электричества ► Закона Ома. Без его понятия невозможно дальнейшее изучение и понимание электронных схем и сборке устройств на Ардуино.

Электричество

— совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов. Термин ввел английский ученный Уильям Гилберт в 1600 году. Ток возникает в результате целенаправленного движения заряженных частиц под воздействием электрического поля. Электрический ток может свободно передаваться через материалы, называемых проводниками.

Понятия: электричество, ток, напряжение

Первый материальный носитель электричества – электрон, открыл Джозеф Томсон в 1897 году. Электрон – это элементарная частица, которая имеет отрицательный заряд, благодаря электронам возможны электрические процессы в веществах. Чтобы заставить перемещаться заряженные частицы от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или –

напряжение.

Одна и та же электрическая схема, изображена в двух вариациях — рисованная и принципиальная

Электрический ток – это  направленное движение заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен. Частицы, переносящие электрические заряды, есть не во всех веществах, те в которых они есть, называются 

проводниками и полупроводниками. А вещества, в которых таких частиц нет – диэлектриками.

Электрическое сопротивление – физическая величина, определяющая свойство проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению тока. Единица измерения сопротивления – Ом (обозначается также греческой буквой омега Ω), в формулах сопротивление обозначается буквой R. Сопротивление зависит от материала, сечения и длины проводника. Сопротивление – это обратное понятие проводимости.

Основной закон электричества

Без знания и понимания основного закона электричества — Закона Ома, невозможно дальнейшее изучение и понимание электронных схем и устройств. Безусловно, электрический ток, напряжение и сопротивление связаны между собой. А взаимосвязь между ними описывается законом Ома. Для понимания формулы закона Ома для участка цепи, ее можно представить в виде треугольника (смотри фото ниже).

Закон Ома — главный закон электричества

Главный электрический закон – закон Ома для участка цепи

Закон Ома: «Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи».

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению

На иллюстрации видно, что человечек «Вольт» (напряжение) толкает через проводник человечка «Ампера» (ток). При этом человечек «Ом» (сопротивление) стягивает проводник, мешая прохождению тока. Получается, что чем сильнее сопротивление сжимает проводник, тем тяжелее проходить току («сила тока обратно пропорциональна сопротивлению»). При этом, чем сильнее напряжение, тем больше сила тока на участке.

Последовательное и параллельное соединение

При последовательном подключении потребителей электроэнергии, например ламп накаливания или резисторов, сила тока в каждом потребителе одинаковая, а напряжение будет будет падать (снижаться) на каждом из потребителей. При последовательном соединении сопротивления всех потребителей складываются.

При последовательном соединении сопротивления складываются

Последовательное соединение резисторов используют в делителе напряжения. При параллельном подключении потребителей электроэнергии, к каждому потребителю прикладывается одинаковое напряжение, а сила тока в каждом из потребителей будет отличаться. Каждый потребляет ток в соответствии с собственным сопротивлением.

Общее сопротивление цепи, состоящей из двух потребителей

Подавляющее количество электроэнергии сегодня производится на электростанциях (атомные, тепловые, гидроэлектростанции), вырабатывающих электроэнергию с помощью генераторов и передают ее по линиям электропередач на большие расстояния. В качестве альтернативных источников энергии все больше используют возобновляемые источники — энергию солнца, ветра, приливов и отливов и т.д.

электрический ток закон ома электрический ток закон ома

Из учебного курса физики известно, что электрический ток представляет собой упорядоченное перемещение электронных зарядов. Необходимым условием для проявления электротока является наличие электрического поля и присутствие незанятых носителей заряда. Сгенерировать простое поле можно взяв два разноименно заряженных предмета, объединив их шунтом. При этом в продолжении короткого периода будет обеспечено прохождение тока. В случае, если его сила (I) со временем не будет изменяться, то, следовательно, мы имеем дело с постоянным электрическим током. Величина силы тока находится в зависимости от заряда и интервала длительности процесса.

Протекание тока по металлическому проводнику не обусловлено химическими процессами как в случае с электролитами. Носителями заряда являются свободные электроны. Основополагающим законом, описывающим взаимосвязь характеристик электрической цепи, таких как напряжение, сопротивление и сила тока является – закон Ома. Формула была получена опытным путем и имеет вид:

I = U/R, в которой I – сила тока, U – разность потенциалов или напряжение, а R – соответственно сопротивление.

Это упрощенное выражение, которое не учитывает ряд дополнительных параметров, например, таких, как собственное сопротивление источника электричества, тем не менее, оно позволяет в достаточной степени рассчитать и определить взаимосвязь характеристик. Из формулы видна прямая зависимость силы тока от напряжения, а также обратная зависимость от сопротивления. Последняя позволяет наглядно уяснить понятия сверхпроводимости металлов. Это тот случай, когда при снижении температуры металлического проводника его сопротивление стремится к нулю. Таким образом потери будут минимальны, а сила тока будет стремительно возрастать.

Следующий момент, который имеет практическое значение, и виден из закона Ома, это то что, при падении сопротивления ток мгновенно достигает максимального значения. Это в свою очередь приводит к нагреву проводника. Количество высвобождаемого при этом тепла (Q) будет равно произведению квадрата силы тока (I) на сопротивление (R) и время (T). Данную зависимость описывает закон Джоуля-Ленца, имеющий вид; Q=I²RT. Применив несложные математические преобразования можно наглядно получить следующий его вид Q=U²T/R=U*T*I. Таким образом при уменьшении сопротивления и увеличении протекания тока по металлическому проводнику количество теплоты может достигнуть критических значений. Вследствие этого возможно его расплавление или перегорание. Данный эффект известен как короткое замыкание цепи.

Способность проводника нагреваться при прохождении через него электрического тока широко применяется в практических целях. Наглядными примерами использования этого эффекта являются электронагревательные приборы. Также применение резисторов с малым сопротивлением обеспечивает безопасную эксплуатацию электрооборудования при резком скачке напряжения. В данном случае плавкие вставки просто перегорают. Но при этом остальные элементы цепи остаются в неповрежденном состоянии.

Для неоднородной электрической цепи постоянного тока закон Ома, принимает несколько иной вид, где общее сопротивление будет являться суммой сопротивлений определенного участка цепи или элемента в нее включенного.

Электролит представляет собой расплав или раствор, в котором электрический заряд переносится не свободными электронами, а разно заряженными ионами. Как и варианте с металлами для существования электрического тока в растворах необходимо наличие электрического поля. При подключении электродов к источнику питания в электролите возникает движение ионов: отрицательные будут перемещаться к аноду, а положительные к катоду. На этом принципе основан эффект электролиза, когда на поверхности электрода наблюдается осаждение химических элементов, входящих в состав расплава иди раствора. Для электролитов справедлив закон Ома во всех своих моментах.

Если рассматривать жидкость как проводник, то при прохождении электрического тока, необходимым условием будет являться наличие свободных молекул или ионов. Распространенное утверждение что вода проводит электричество неверно в случае если электроды помещены в дистиллированный ее вариант. Но при внесении в воду любых примесей, наблюдается течение электрического тока из-за свободных элементов.

 

В заключение можно упомянуть еще об одном виде веществ, которые по своей кристаллической природе не являются металлами, но в то же время могут проводить электрический ток при возникновении определенных условий. Речь идет о полупроводниках. В отличие от металлов в которых удельное сопротивление с ростом температуры увеличивается, в полупроводниках наблюдается обратный результат. Эта тема настолько многогранна, что заслуживает отдельной статьи.

«Электрический ток. Закон Ома»

Электрический ток. Закон Ома

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле то на свободные заряды q в проводнике будет действовать сила В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника будет равно нулю

Однако, в проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 1.8.1) за интервал времени Δt, к этому интервалу времени:

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным.

Рисунок 1.8.1.

Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике и ток I. S – площадь поперечного сечения проводника, – электрическое поле

В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А). Единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током (см. § 1.16).

Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно во времени. Следовательно, электрическое поле в цепи постоянного тока имеет характер замороженного электростатического поля. Но при перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю (см. § 1.4). Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называютсясторонними силами.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачивания жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

Физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.

Цепь постоянного тока можно разбить на отдельные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (т. е. участки, не содержащие источников тока), называются однородными. Участки, включающие источники тока, называются неоднородными.

При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы. Работа электростатических сил равна разности потенциалов Δφ₁₂ = φ₁ – φ₂ между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Работа сторонних сил равна по определению электродвижущей силе ₁₂, действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна

U₁₂ = φ₁ – φ₂ + ₁₂.

Величину U₁₂ принято называть напряжением на участке цепи 1–2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов:

U₁₂ = φ₁ – φ₂.

Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:

где R = const.

Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называетсярезистором. Данное соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например,полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при токах достаточно большой силы наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующей форме:

IR = U₁₂ = φ₁ – φ₂ + = Δφ₁₂ + .

Это соотношение принято называть обобщенным законом Ома или законом Ома для неоднородного участка цепи.

На рис. 1.8.2 изображена замкнутая цепь постоянного тока. Участок цепи (cd) является однородным.

Рисунок 1.8.2.

Цепь постоянного тока

По закону Ома

IR = Δφ_cd.

Участок (ab) содержит источник тока с ЭДС, равной .

По закону Ома для неоднородного участка,

Ir = Δφ_ab + .

Сложив оба равенства, получим:

I (R + r) = Δφ_cd + Δφ_ab + .

Но Δφ_cd = Δφ_ba = – Δφ_ab. Поэтому

Эта формула выражет закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.

Сопротивление r неоднородного участка на рис. 1.8.2 можно рассматривать как внутреннее сопротивление источника тока. В этом случае участок (ab) на рис. 1.8.2 является внутренним участком источника. Если точки a и b замкнуть проводником, сопротивление которого мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника (R << r), тогда в цепи потечет ток короткого замыкания

Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой и внутренним сопротивлением r. У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.

В ряде случаев для предотвращения опасных значений силы тока короткого замыкания к источнику последовательно подсоединяется некоторое внешнее сопротивление. Тогда сопротивление r равно сумме внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления, и при коротком замыкании сила тока не окажется чрезмерно большой.

Если внешняя цепь разомкнута, то Δφ_ba = – Δφ_ab = , т. е. разность потенциалов на полюсах разомкнутой батареи равна ее ЭДС.

Если внешнее нагрузочное сопротивление R включено и через батарею протекает ток I, разность потенциалов на ее полюсах становится равной

Δφ_ba = – Ir.

На рис. 1.8.3 дано схематическое изображение источника постоянного тока с ЭДС равной и внутренним сопротивлением r в трех режимах: «холостой ход», работа на нагрузку и режим короткого замыкания (к. з.). Указаны напряженность электрического поля внутри батареи и силы, действующие на положительные заряды: – электрическая сила и – сторонняя сила. В режиме короткого замыкания электрическое поле внутри батареи исчезает.

Рисунок 1.8.3.

Схематическое изображение источника постоянного тока: 1 – батарея разомкнута; 2 – батарея замкнута на внешнее сопротивление R; 3 – режим короткого замыкания

Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры.

Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением R_B. Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Для цепи, изображенной на рис. 1.8.4, это условие записывается в виде:

R_B >> R₁.

Это условие означает, что ток I_B = Δφ_cd / R_B, протекающий через вольтметр, много меньше тока I = Δφ_cd / R₁, который протекает по тестируемому участку цепи.

Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.

Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением R_A. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи. Для цепи на рис. 1.8.4 сопротивление амперметра должно удовлетворять условию

R_A << (r + R₁ + R₂),

чтобы при включении амперметра ток в цепи не изменялся.

Измерительные приборы – вольтметры и амперметры – бывают двух видов: стрелочные (аналоговые) и цифровые. Цифровые электроизмерительные приборы представляют собой сложные электронные устройства. Обычно цифровые приборы обеспечивают более высокую точность измерений.

Рисунок 1.8.4.

Включение амперметра (А) и вольтметра (В) в электрическую цепь

Последовательное и параллельное соединение проводников

Проводники в электрических цепях могут соединяться последовательно и параллельно.

При последовательном соединении проводников (рис. 1.9.1) сила тока во всех проводниках одинакова:

I₁ = I₂ = I.

Рисунок 1.9.1.

Последовательное соединение проводников

По закону Ома, напряжения U₁ и U₂ на проводниках равны

U₁ = IR₁, U₂ = IR₂.

Общее напряжение U на обоих проводниках равно сумме напряжений U₁ и U₂:

U = U₁ + U₂ = I(R₁ + R₂) = IR,

где R – электрическое сопротивление всей цепи. Отсюда следует:

R = R₁ + R₂.

При последовательном соединении полное сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных проводников.

Этот результат справедлив для любого числа последовательно соединенных проводников.

При параллельном соединении (рис. 1.9.2) напряжения U₁ и U₂ на обоих проводниках одинаковы:

U₁ = U₂ = U.

Сумма токов I₁ + I₂, протекающих по обоим проводникам, равна току в неразветвленной цепи:

I = I₁ + I₂.

Этот результат следует из того, что в точках разветвления токов (узлы A и B) в цепи постоянного тока не могут накапливаться заряды. Например, к узлу A за время Δt подтекает заряд IΔt, а утекает от узла за то же время заряд I₁Δt + I₂Δt. Следовательно, I = I₁ + I₂.

Рисунок 1.9.2.

Параллельное соединение проводников

Записывая на основании закона Ома

где R – электрическое сопротивление всей цепи, получим

При параллельном соединении проводников величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников.

Этот результат справедлив для любого числа параллельно включенных проводников.

Формулы для последовательного и параллельного соединения проводников позволяют во многих случаях рассчитывать сопротивление сложной цепи, состоящей из многих резисторов. На рис. 1.9.3 приведен пример такой сложной цепи и указана последовательность вычислений.

Рисунок 1.9.3.

Расчет сопротивления сложной цепи. Сопротивления всех проводников указаны в омах (Ом)

Следует отметить, что далеко не все сложные цепи, состоящие из проводников с различными сопротивлениями, могут быть рассчитаны с помощью формул для последовательного и параллельного соединения. На рис. 1.9.4 приведен пример электрической цепи, которую нельзя рассчитать указанным выше методом.