Постоянный электрический ток. Плотность тока. Условия существования тока.Уравнение неразрывности.
Постоянный электрический ток – электрический ток, не изменяющийся со временем ни по силе, ни по направлению.
Упорядоченное движение свободных носителей зарядов возникает под действием сил электрического поля и характеризуется средней скоростью u. В то же самое время носители зарядов находятся в тепловом хаотическом движении со средней скоростьюv.
При наличии электрического тока нарушается равновесное распределение зарядов в проводнике: поверхность проводника уже не является эквипотенциальной и силовые линии электрического поля не направлены перпендикулярно ей. Для движения зарядов необходимо, чтобы на поверхности проводника тангенциальная составляющая напряженности электрического поля не равнялась нулю. Такое электрическое поле создается поверхностными зарядами, плотность которых изменяется по длине проводника (имеется градиент поверхностной плотности заряда). Внутри проводника поверхностными зарядами создается электрическое поле, силовые линии которого повторяют форму проводника.
Необходимыми условиями для существования постоянного тока являются:
– наличие свободных носителей зарядов, которые могли бы перемещаться на макроскопическое расстояние;
– наличие замкнутой проводящей цепи;
– наличие электрического поля, энергия которого затрачивалась бы на перемещение электрических зарядов. Для того, чтобы ток был длительным, энергия поля должна все время пополняться, то есть, нужен источник электрической энергии.
|
|
|
Плотность тока – это векторная величина, определяется по формуле
это выражение называется уравнением непрерывности и представляет собой закон сохранения заряда. В случае постоянных токов распределение зарядов стационарно, т. е. 
= 0, так что уравнение непрерывности принимает вид:
. (4.5)
Воспользовавшись теоремой Гаусса, можем записать
.
Ввиду произвольности объема интегрирования V отсюда следует, что
Закон Ома для участка цепи и неоднородного участка цепи. Параллельное и последовательное соединение сопротивлений. ЭДС.
Закон Ома для участка цепи и неоднородного участка цепи.
Закон Ома для участка цепи – полученный экспериментальным (эмпирическим) путём закон, который устанавливает связь силы тока на участке цепи с напряжением на концах этого участка и его сопротивлением. Строгая формулировка закона Ома для участка цепи записывается так: сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению на её участке и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка. 
, где
I – сила тока в проводнике [А]; U – электрическое напряжение (разность потенциалов) [В];R – электрическое сопротивление (или просто сопротивление) проводника [Ом].
|
|
|
На практике видно, что для поддержания стабильного тока в замкнутой цепи необходимы силы принципиально иной природы, нежели кулоновские, тогда наблюдается случай, когда на участке цепи на свободные электрические заряды одновременно действуют как силы электрического поля, так и сторонние силы (любые неконсервативные силы, действующие на заряд, за исключением сил электрического сопротивления (кулоновских сил)). Такой участок называется неоднородным участком цепи
Напряженность поля в любой точке цепи равна векторной сумме поля кулоновских сил и поля сторонних сил: 
Сформулируем закон Ома для неоднородного участка цепи - Сила тока прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна его полному сопротивлению:
, где I – сила тока, U12 – напряжение на участке, R – полное сопротивление цепи.
Параллельное и последовательное соединение сопротивлений.
Последовательное соединение сопротивлений
Возьмем три постоянных сопротивления R1, R2 и R3 и включим их в цепь так, чтобы конец первого сопротивления R1 был соединен с началом второго сопротивления R2, конец второго — с началом третьего R3, а к началу первого сопротивления и к концу третьего подведем проводники от источника тока.
|
|
|
Как определить общее сопротивление цепи, если все включенные в нее последовательно сопротивления мы уже знаем? Используя положение, что напряжение U на зажимах источника тока равно сумме падений напряжений на участках цепи, мы можем написать:
U = U1 + U2 + U3, где U1 = IR1 U2 = IR2 и U3 = IR3 или IR = IR1 + IR2 + IR3.
Вынеся в правой части равенства I за скобки, получим IR = I(R1 + R2 + R3).
Поделив теперь обе части равенства на I, будем окончательно иметь R = R1 + R2 + R3
Таким образом, мы пришли к выводу, что при последовательном соединении сопротивлений общее сопротивление всей цепи равно сумме сопротивлений отдельных участков.
Параллельное соединение сопротивлений
Возьмем два постоянных сопротивления R1 и R2 и соединим их так, чтобы начала этих сопротивлений были включены в одну общую точку а, а концы — в другую общую точку б. Соединив затем точки а и б с источником тока, получим замкнутую электрическую цепь. Такое соединение сопротивлений называется параллельным соединением.
От положительного полюса источника тока по соединительному проводнику ток дойдет до точки а. В точке а он разветвится, так как здесь сама цепь разветвляется на две отдельные ветви: первую ветвь с сопротивлением R1 и вторую — с сопротивлением R2. Обозначим токи в этих ветвях соответственно через I1 и I2. Каждый из этих токов пойдет по своей ветви до точки б. В этой точке произойдет слияние токов в один общий ток, который и придет к отрицательному полюсу источника тока.
|
|
|
Итак, мы пришли к важному выводу, заключающемуся в том, что при параллельном соединении сопротивлений общий ток цепи разветвляется на токи, обратно пропорциональные величинам сопротивлении параллельных ветвей. Иначе говоря, чем больше сопротивление ветви, тем меньший ток потечет через нее, и, наоборот, чем меньше сопротивление ветви, тем больший ток потечет через эту ветвь.
ЭДС (Электродвижущая сила) — физическая величина, характеризующая работу сторонних сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура. E=A/q, где:
A –работа в джоулях; q — заряд в кулонах. Величина ЭДС в системе СИ измеряется в вольтах (В).
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 758; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!