Электрический ток. Сила тока. Электродвижущая сила. Напряжение.
Электрическим током называется направленное (упорядоченное) движение электрических зарядов. Сами эти частицы называются носителями тока.
Ток может идти в твёрдых телах, жидкостях и газах. Если среда является проводником с большим количеством свободных электронов, то течение электрического тока осуществляется за счёт дрейфа этих электронов. Дрейф электронов в проводниках, не связанный с перемещением вещества, называют током проводимости. К току проводимости относится упорядоченное движение электронов в проводниках, ионов в электролитах, электронов и дырок в полупроводниках, ионов и электронов в газах. Упорядоченное перемещение электрических зарядов, связанное с перемещением в пространстве заряженного тела, называют конвекционным током.
За направление тока принят дрейф положительных зарядов (электроны проводимости всегда движутся в направлении, противоположном направлению тока (от «+» к «-»)). Это может показаться неудобным, но зато теперь не нужно различать направление тока в проводнике и электростатического поля, вызывающего этот ток: эти направления всегда совпадают.
Сила тока – скалярная величина, равная отношению количества электричества dq, которое за время dt переносится через данное сечение проводника, ко времени dt:
Постоянным током называют электрический ток, сила и направление которого с течением времени не изменяются. Для постоянного тока
|
|
|
где q - электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение проводника.
Единица силы тока – ампер (А).
Определим скорость, с которой осуществляется дрейф электронов в проводнике с током.
Путь за время Δt через сечение проводника S прошло N электронов с суммарным зарядом Δq = Nе. Если скорость направленного движения электронов равна υ, то за время Δt все они окажутся в пределах участка длиной ℓ = υ Δt и объёмом V=Sℓ. Таким образом,
выразив здесь число носителей тока через их концентрацию (N = nV= nSℓ)
Отношение силы тока І к площади поперечного сечения проводника S, перпендикулярного направленню тока – есть векторная величина называемая плотностью тока.
Тогда скорость электронов в проводнике можно записать 
, отсюда
Плотность тока может быть вычислена по формуле
j = ne‹υ›
Таким образом, плотность тока в проводнике пропорциональна концентрации свободных электронов в нём и скорости их движения.
Вектор j направлен вдоль направления тока, т.е. совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов.
Сила тока сквозь произвольную поверхность S определяется как поток вектора j, т.е.
где dS = n∙dS (n = единичный вектор нормали к площадке dS, составляющей с вектором j угол α ).
|
|
|
Электрическое поле постоянного тока называется стационарным. В отличии от электростатического поля стационарное электрическое поле создаётся движущимися зарядами. Однако распределение этих зарядов в проводнике с постоянным током не меняется со временем: на место уходящих электрических зарядов непрерывно приходят новые. Поэтому электрическое поле, создаваемое этими зарядами, оказывается почти таким же, как и поле неподвижных зарядов.
Отличаются же они тем, что электростатическое поле внутри проводника отсутствует, в то время как стационарное поле постоянных токов существует и внутри проводников (иначе по ним не шёл бы ток).
Если в проводнике создать электрическое поле и не принять мер для его поддержания, то, как было уже установлено, перемещение носителей заряда приведет очень быстро к тому, что поле внутри проводника исчезнет и, следовательно, ток прекратиться. Для того чтобы поддерживать ток достаточно долго, нужно от конца проводника с меньшим потенциалом (носители тока предполагаются положительными) непрерывно отводить приносимые сюда заряды, а к концу с большим потенциалом непрерывно их подводить. Т.е. необходимо осуществить круговорот зарядов, при котором они двигались бы по замкнутому пути. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля, как известно равна нулю. Поэтому в замкнутой цепи наряду с участками, на которых положительные заряды движутся в сторону убывания потенциала, должны иметься участки, на которых перенос положительных зарядов происходит в направлении возрастания потенциала, т.е. против сил электростатического поля. Перемещение, зарядов на этих участках возможно лишь с помощью сил не электростатического происхождения, называемых сторонними силами.
|
|
|
Таким образом, для поддержания тока необходимы сторонние силы, действующие либо на всем протяжении цепи, либо на отдельных ее участках. Они могут быть обусловлены химическими процессами, диффузией носителей заряда в неоднородной среде или через границу двух разнородных, веществ, электрическими (но не электростатическими) полями, порожденными меняющимися во времени магнитными полями и т.д.
Например, в гальванических элементах и аккумуляторах происхождение сторонних сил – химическое. В генераторах электрического тока сторонние силы – это силы Лоренца, действующие со стороны магнитного поля.
|
|
|
Устройства, обеспечивающие возникновение и действие сторонних сил, называют источниками тока. В этих устройствах происходит разделение разноимённых зарядов. Под действием сторонних сил электрические заряды внутри источника тока движутся в направлении, противоположном действию сил электрического поля. В результате этого на полюсах источника тока поддерживается постоянная разность потенциалов.
Подобно тому, как насос сообщает энергию воде, поднимая её вверх, источник тока сообщает энергию заряженным частицам. Как для работы насоса, поднимающего воду, так и для работы источника тока необходима энергия. В зависимости от типа источника тока, в нём происходит преобразование механической, внутренней или ещё какой-либо энергии в электрическую. В зависимости от вида энергии, которая внутри источника тока преобразуется в электрическую энергию, различают механические, химические, тепловые источники тока.
Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов.
Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (э.д.с.) ε, действующей в цепи.
Сторонняя сила Fст, действующая на заряд q0, может быть выражена как
Fст = Eст q0,
где Eст – напряжённость поля сторонних сил. Работа же сторонних сил по перемещению заряда q0 на замкнутом участке цепи равна
Разделив на q0, получим выражение для э.д.с., действующей в цепи:
т.е. эдс, действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряжённости поля сторонних сил. ЭДС, действующая на участке 1-2, равна
На заряд q0 помимо сторонних сил действует также силы электростатического поля Fэ = E q0. Таким образом, результирующая сила, действующая в цепи на заряд q0, равна
F =Fст + Fэ = q0(Ест + Eэ)
Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом q0 на участке 1-2, равна
Используя выражения 
и 
, можем записать
А12 = q0ε12 + q0 (φ1-φ2)
Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю, поэтому в данном случае А12 = q0ε12
Напряжением U на участке 1-2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем кулоновских и сторонних сил при перемещении положительного единичного заряда на данном участке цепи.
U12 = ε12 + (φ1-φ2)
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 363; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!