Оглавление:
Электрический ток — это упорядоченное движение электрических зарядов.
В металлах носителями зарядов являются свободные электроны, в электролитах — положительные и отрицательные ионы, в полупроводниках — электроны и дырки, в газах — ионы обоих знаков и электроны.
За направление тока в проводнике принято направление положительных зарядов. Во внешней части цепи, к которой относятся все ее участки, кроме источника тока, ток течет от плюса к минусу, во внутренней части, т. е. внутри источника тока, — от минуса к плюсу.
Участок цепи внутри источника тока называют внутренней частью цепи, а всю остальную часть цепи, в которую входят потребители тока, измерительные приборы, приборы управления и соединительные провода, — внешней частью цепи.
Силой тока I называется отношение заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени прохождения этого заряда f:
Сила тока — скалярная величина. Единица силы тока в СИ — ампер (А). Это основная единица СИ.
Сила тока в металлическом проводнике равна произведению концентрации свободных электронов n, модуля элементарного заряда е, скорости упорядоченного движения свободных электронов по проводнику v и площади поперечного сечения проводника S:
Силу тока в цепи измеряют с помощью приборов — амперметров. Амперметр включается в цепь последовательно тому участку, в котором измеряют силу тока.
Плотность тока j — это отношение силы тока к площади поперечного сечения проводника, по которому идет ток:
плотность тока равна произведению концентрации свободных электронов, модуля элементарного заряда и скорости упорядоченного движения свободных электронов по проводнику:
Плотность тока — векторная величина. Вектор плотности тока направлен в сторону упорядоченного движения положительных зарядов по проводнику.
Проводник оказывает сопротивление электрическому току. Сопротивление проводника R равно отношению напряжения U на проводнике к силе тока I в нем:
Сопротивление — скалярная и всегда положительная величина. Единица сопротивления в СИ — Ом.
Сопротивление линейных проводников прямо пропорционально их длине I и обратно пропорционально площади поперечного сечения S:
Здесь 
— удельное сопротивление вещества проводника.
Удельное сопротивление — скалярная положительная величина. Оно зависит от вещества и температуры проводника.
С повышением температуры проводника усиливаются тепловые колебания ионов решетки, поэтому сопротивление проводника прохождению тока возрастает. Зависимость сопротивления металлов от температуры выражают формулы
Закон Ома
Основным законом электродинамики является закон Ома. Закон Ома для проводника (участка цепи): сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению проводника:
Проводники, для которых выполняется закон Ома, называются резисторами. Все металлические проводники — резисторы. Вольтамперной характеристикой резистора, т.е. графиком зависимости силы тока в резисторе от приложенного к нему напряжения, является прямая линия (рис. 198). Котангенс ее угла наклона а к оси напряжений численно равен сопротивлению резистора:
Проводники можно соединять последовательно и параллельно (рис. 199).
При последовательном соединении проводников (рис. 199, а): R,
1) сила тока во всех проводниках одинакова;
2) общее напряжение равно сумме напряжений на отдельных проводниках:
3) общее сопротивление равно сумме сопротивлений отдельных проводников:
Если все проводники имеют одинаковое сопротивление, то
Напряжения на двух последовательных проводниках прямо пропорциональны их сопротивлениям:
— для двух последовательных проводников.
При параллельном соединении проводников (рис. 199, б):
1) напряжения на всех проводниках одинаковы;
2) сила тока в общем (неразветвленном) участке цепи равна сумме сил токов в отдельных проводниках:
3) величина, обратная общему сопротивлению, равна сумме величин, обратных сопротивлениям отдельных проводников:
Если все N проводников, соединенных параллельно, имеют одинаковое сопротивление, то силу тока в общей части цепи и их общее сопротивление определяют формулы:
Общее сопротивление двух параллельных проводников можно вычислить по формуле
а трех — по формуле
Силы токов в двух параллельных проводниках обратно пропорциональны их сопротивлениям:
Напряжение на параллельных ветвях можно найти, умножив:
а) силу общего тока на общее сопротивление всего параллельного участка;
б) умножив силу тока в любой параллельной ветви на ее сопротивление;
Если вам попадется схема, подобная той, что на рис. 200, а, обратите внимание, есть ли симметрия между сопротивлениями слева и справа от перемычки ab, а также между верхними и нижними сопротивлениями. Если есть, то точки а и b имеют одинаковый потенциал 
и, значит, разность потенциалов между ними равна нулю. Поэтому ток по перемычке сопротивлением R идти не будет и ее можно из схемы исключить (рис. 200, б), значительно упростив расчет общего сопротивления:
Запомните: все концы проводников с одинаковыми потенциалами можно соединить в один узел или, наоборот, развести, получив более простую схему, общее сопротивление которой останется прежним.
Если в некоторый участок цепи включен конденсатор, то постоянный ток по этому участку идти не будет, но на обкладках конденсатора возникнет разность потенциалов, равная разности потенциалов на концах этого участка.
Если проводник представляет собой сплав разных металлов, равномерно распределенных по его объему, то его можно представить как параллельное соединение проводников из каждого металла в отдельности. При этом длина каждого из таких проводников равна длине проводника из сплава, а площадь поперечного сечения проводника из сплава равна сумме площадей поперечных сечений проводников из отдельных металлов, входящих сплав. Например, если проводник из сплава меди и стали имеет длину l и площадь поперечного сечения S, то его сопротивление R можно определить через сопротивления медного и стального участков следующим образом:
и, кроме того, 
.
Амперметр — прибор для измерения силы тока. Поскольку сила тока одинакова при последовательном соединении проводников, амперметр включают последовательно тому участку цепи, в котором измеряют силу тока.
Каждый амперметр рассчитан на некоторую максимальную силу тока, которую нельзя превысить, иначе прибор «сгорит», испортится. Максимально возможную для данного амперметра силу тока обычно указывают на корпусе прибора и в его паспорте. Но иногда необходимо измерить большую силу тока, чем та, на которую данный амперметр рассчитан, а другого прибора под рукой нет. Для этого достаточно подключить к нему параллельно определенное сопротивление, которое называют шунтом, а саму эту операцию — шунтированием прибора.
Пусть амперметр имеет сопротивление 
и рассчитан на измерение токов не более , а требуется измерить ток силой 
, который в N раз больше тока 
,
Если ток пустить непосредственно в амперметр, то прибор испортится. Чтобы этого не случилось, часть тока отводят в параллельный амперметру шунт Ш (рис. 201),
сопротивление которого 
подбирают таким, чтобы амперметр мог измерять токи до .
Сопротивление шунта рассчитывают по формуле
Вольтметр — это прибор, предназначенный для измерения напряжения в цепи. Поскольку напряжение одинаково при параллельном соединении проводников, вольтметр подключается параллельно тому участку, на котором напряжение измеряется.
Максимальное напряжение, на которое рассчитан данный вольтметр, указывается в его паспорте и на корпусе
прибора. Но иногда нужно измерить напряжение, большее, чем максимальное напряжение, на которое рассчитан данный вольтметр. Чтобы при этом прибор не «сгорел» , к нему подключают последовательно сопротивление (резистор), которое так и называют «добавочное сопротивление» (рис. 202).
Пусть максимально допустимое напряжение на вольтметре 
, а нам надо измерить напряжение 
на участке цепи ab, к которому вольтметр подключен и которое в N раз больше :
т.е. мы хотим в N раз увеличить цену деления шкалы прибора.
Чтобы вольтметр мог измерить напряжение, в N раз большее напряжения, на которое он рассчитан, добавочное сопротивление, подключенное к нему последовательно, должно быть в N — 1 раз больше сопротивления самого вольтметра:
В источнике тока на свободные заряды помимо сил Кулона действуют также и силы неэлектростатического происхождения (химического в гальванических элементах и аккумуляторах, механического и магнитного в генераторах тока и т.д.). Эти силы получили название сторонних сил.
Сторонние силы — это силы неэлектростатического происхождения, способные поддерживать разность потенциалов на концах проводника.
В источнике тока сторонние силы FCT совершают работу разделения зарядов на полюсах источника. Именно эти силы понуждают положительные заряды двигаться к положительному полюсу источника, отталкивающему их. Для характеристики способности сторонних сил совершать большую или меньшую работу перемещения зарядов введено понятие электродвижущей силы (ЭДС).
Электродвижущая сила 
равна отношению работы сторонних сил 
к величине перемещаемого ими заряда q:
ЭДС — скалярная алгебраическая величина, т.е. она может быть положительной или отрицательной. ЭДС источника считается положительной, если обходя контур, содержащий несколько источников тока, в произвольно выбранном направлении, мы переходим внутри источника (в узком промежутке между толстой и короткой черточкой, обозначающей отрицательный полюс источника, и длинной тонкой, обозначающей его положительный полюс) в сторону повышения потенциала, т.е. от толстой короткой (минуса) к длинной тонкой (плюсу).
На рис. 203 изображен контур, в который включены три источника тока с ЭДС 
. Стрелкой внутри контура показано направление произвольного обхода контура, т.е. мы обходим контур по часовой стрелке. При этом в источнике тока с ЭДС 
мы переходим в сторону повышения потенциала, т.е. от минуса к плюсу, поэтому ЭДС этого источника тока положительна. В источнике тока с ЭДС 
мы, наоборот, двигаемся в сторону понижения потенциала, переходя от плюса к минусу, поэтому ЭДС этого источника отрицательна. По тем же причинам ЭДС 
тоже отрицательна.
Результирующая ЭДС контура равна алгебраической сумме ЭДС каждого источника. Поэтому ЭДС контура, изображенного на рис. 203,равна:
Единица ЭДС в СИ та же, что и единица потенциала и напряжения, т.е. вольт (В).
ЭДС источника равна разности потенциалов на его полюсах при разомкнутой внешней цепи. Поэтому для измерения ЭДС источника надо разомкнуть цепь, в которую он включен, и подключить вольтметр к его полюсам.
Если на данном участке цепи не действует ЭДС, т.е. если там нет источника тока, то
Напряжение на участке цепи, не содержащем ЭДС, равно разности потенциалов на концах этого участка.
ЭДС источника тока равно сумме напряжений на всех участках замкнутой цепи.
Вольтметр, подключенный к полюсам источника тока при замкнутой цепи, показывает общее напряжение на всей внешней части цепи.
— закон Ома для полной (замкнутой) цепи.
Закон Ома для полной (или замкнутой) цепи: сила тока в цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи.
Если цепь содержит N одинаковых источников тока, соединенных последовательно, т.е. разноименными полюсами (рис. 204, а), то и ЭДС, и внутреннее сопротивление такой батареи увеличиваются в N раз по сравнению с ЭДС и внутренним сопротивлением одного источника тока. Тогда формула закона Ома для замкнутой цепи с N последовательно соединенными одинаковыми источниками примет вид:
Одинаковыми считаются источники тока с одинаковыми ЭДС и внутренними сопротивлениями.
Если цепь содержит N одинаковых источников тока, соединенных параллельно, т.е. одноименными полюсами (рис. 204, б), то ЭДС такой батареи равна ЭДС одного элемента, а внутреннее сопротивление уменьшается в N раз по сравнению с внутренним сопротивлением одного элемента. Тогда закон Ома для цепи, содержащей N одинаковых источников тока, соединенных параллельно, примет вид:
Если полюса источника тока замкнуты проводником с пренебрежимо малым сопротивлением, т.е. если цепь не содержит внешнего сопротивления (нагрузки) R, то такое соединение концов цепи называется коротким замыканием. При коротком замыкании закон Ома для полной цепи примет вид:
при 
— сила тока короткого замыкания.
В схеме с последовательными и параллельными проводниками (рис. 205) советуем вывести из плюса источника тока общий ток — его можно обозначить 
— и вести его, не меняя индекса, до первого узла. Узел — это место, где соединено более двух проводников. Далее этот ток разветвляется по параллельным проводникам и индекс его меняется.
Советуем теперь индекс силы тока в параллельной ветви ставить таким же, как и индекс сопротивления, по которому этот ток течет.
В последнем узле токи, текущие по параллельным ветвям, стекаются в общий ток, который течет и через источник тока. Силы токов в параллельных проводниках одинаковы только тогда, когда одинаковы сопротивления этих проводников. Сумма сил токов, входящих в узел, равна сумме сил токов, выходящих из узла.
В формуле закона Ома для замкнутой цепи сопротивление R — это всегда общее сопротивление всей внешней части цепи, а сила тока I — это сила тока только в неразветвленном участке цепи, но не в отдельных параллельных ветвях.
В любой электрической цепи энергия источника тока превращается в потребителях в иные виды энергии, и при этом электрический ток совершает ту или иную работу. Работа тока на данном участке цепи
Работа тока на данном участке цепи равна произведению напряжения на этом участке, силы тока в нем и времени прохождения тока.
Единица работы в СИ — джоуль (Дж): 1 Дж = 1 В • А • с.
Формулу работы тока можно записать еще и так:
Быстрота совершения током работы на данном участке цепи характеризуется мощностью тока Р. Мощность тока равна отношению работы ко времени, за которое она совершена:
С учетом приведенных выше формул формулу мощности тока можно выразить так:
При прохождении тока по проводнику положительные ионы в узлах кристаллических решеток проводника за счет энергии тока начинают сильнее колебаться, что сопровождается увеличением внутренней энергии проводника, т.е. его нагреванием. При этом энергия тока выделяется в виде теплоты, которую называют джоулевым теплом.
Закон Джоуля — Ленца
Закон Джоуля — Ленца: количество теплоты, выделившейся в проводнике при прохождении по нему электрического тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока:
Закон Джоуля — Ленца можно записать иначе, воспользовавшись законом Ома для участка цепи:
КПД электрической цепи г) можно определить отношением напряжения U на участке, где совершается полезная работа или полезно используется тепловая энергия, к ЭДС 8 источника тока:
или
Здесь R — сопротивление всей внешней части цепи, а r — сопротивление источника тока (внутреннее сопротивление).
Электролитами называют вещества, распадающиеся в жидком состоянии на ионы. К ним относятся кислоты, соли и основания, а также их расплавы. Ток в электролите — это упорядоченное движение ионов противоположного знака под действием электрического поля в электролите.
Явление выделения вещества на электродах при прохождении в электролите электрического тока называется электролизом.
Закон Фарадея
Английский ученый М. Фарадей, изучая экспериментально явление электролиза разных веществ, открыл закон, получивший название первого закона Фарадея для электролиза: масса вещества т, выделившегося на электроде при электролизе, прямо пропорциональна заряду q, прошедшему через электролит:
Коэффициент пропорциональности k в этой формуле называется электрохимическим эквивалентом вещества, выделяющегося на электроде.
Электрохимический эквивалент — скалярная положительная величина. Его единица измерения в СИ — кг/Кл.
Величина электрохимического эквивалента разных веществ приводится в справочниках и задачниках по физике.
Поскольку из определения силы тока следует, что
то, подставив это выражение вместо q в предыдущую формулу, получим другую запись первого закона Фарадея для электролиза:
Здесь I — сила тока в электролите, t — время его прохождения, т.е. время электролиза.
Другая формулировка первого закона Фарадея для электролиза: масса вещества, выделившегося на электроде при электролизе, прямо пропорциональна силе тока в электролите и времени его прохождения.
При электролизе выделение вещества происходит одновременно на обоих электродах. Поскольку при этом на катоде и аноде выделяются разные вещества, их массы различны, так как различны их электрохимические эквиваленты.
Иная запись закона Фарадея для электролиза:
Это выражение иногда называют объединенным законом Фарадея для электролиза. Его формулировка: масса вещества т, выделившегося на электроде при электролизе, прямо пропорциональна молярной массе М этого вещества, силе тока в электролите I, времени электролиза t и обратно пропорциональна валентности n этого вещества. Здесь 
Кл/моль — число Фарадея.
Если в задаче на электролиз что-либо сказано о толщине h выделяемого на электроде вещества, то его массу т можно выразить через плотность р и объем V, а объем — через толщину и площадь покрытия S:
Металлы относят к проводникам первого рода. В них при прохождении тока не происходит переноса вещества. К таким же проводникам относятся полупроводники. К проводникам второго рода, в которых при прохождении тока переносится вещество, относят электролиты и газы.
Полупроводники — это вещества, у которых удельное сопротивление больше, чем у металлов, но меньше, чем у диэлектриков. При низких температурах химически чистый полупроводник является диэлектриком — он не проводит электрический ток. При высоких температурах за счет энергии нагревателя в полупроводнике возникают свободные носители зарядов — электроны и дырки, которые могут перемещаться по полупроводнику под действием электрического поля. При этом дырки ведут себя как положительные заряды. Проводимость химически чистых полупроводников называется электроннодырочной проводимостью.
С повышением температуры сопротивление полупроводника уменьшается из-за увеличения числа электронов и дырок. В этом состоит основное отличие полупроводников от металлов, у которых при нагревании сопротивление увеличивается.
Примесной проводимостью называют проводимость полупроводника с примесью, имеющей иную валентность, чем основной полупроводник. Если валентность примеси больше валентности основного полупроводника, то примесь называется донором, а проводимость — донорной или проводимостью n-типа. При донорной проводимости носителями зарядов являются свободные электроны.
Если валентность примеси меньше валентности основного полупроводника, то примесь называется акцептором, а проводимость — акцепторной или проводимостью p-типа. При акцепторной проводимости носителями зарядов являются дырки.
Место спая двух полупроводников с разными типами проводимости называется р-п-переходом. Основное свойство р-п перехода — повышенное сопротивление по сравнению с остальными частями полупроводников.
Если через р-п переход текут основные носители зарядов, то ток называется прямым, а если через р-п-переход текут неосновные носители зарядов, то ток называется обратным и он значительно меньше прямого тока. Свойство полупроводника с р-п-переходом пропускать прямой ток большой силы и значительно уменьшать силу обратного тока используется для выпрямления переменного тока.
На рис. 206 а) изображена схема для однополупериодного выпрямления переменного тока полупроводниковым диодом D, а на рис. 206, б) — схема двухполупериодного выпрямления с помощью четырех полупроводниковых диодов. Сплошными стрелками показано направление тока, текущего в течение одного полупериода переменного тока, а штриховыми — в течение второго полупериода.
Газ при нормальных условиях не проводит электрический ток. Чтобы газ стал проводником тока, его надо ионизировать — разбить нейтральные молекулы и атомы газа на заряженные частицы. Ионизаторами могут быть пламя газовой горелки, пучки быстрых электронов, гамма-лучи. Если в ионизированный газ поместить электроды и подключить их к полюсам источника тока, то по газу пойдет электрический ток. Это явление называют газовым разрядом.
Ток в газе — это упорядоченное движение электронов и ионов обоих знаков под действием электрического поля между электродами, внесенными в ионизированный газ.
В технике под высоким вакуумом понимают такое состояние газа в сосуде, когда оставшиеся в нем атом или молекула могут пролететь от стенки сосуда до противоположной стенки, не испытав ни одного соударения со встречными атомами или молекулами. Такой вакуум создается в вакуумных приборах, например, в вакуумных диодах, триодах, электронно-лучевых трубках и т. п.
Источником зарядов в таких устройствах служит накаленный электрод, испускающий термоэлектроны. Испускание накаленным металлом свободных электронов называется термоэлектронной эмиссией.
Если при этом на накаленный электрод подать минус, т.е. сделать его катодом, а на расположенный напротив электрод подать плюс, т.е. сделать его анодом, то в вакууме пойдет ток.
Ток в вакууме — это упорядоченное движение заряженных частиц под действием электрического поля между катодом и анодом. Как правило, такими частицами являются электроны. Электронная лампа с накаленным катодом и расположенным напротив анодом называется двухэлектродной электронной лампой или вакуумным диодом. Ее схематическое изображение показано на рис. 207.
Вакуумный диод применяют для выпрямления переменного тока.
Эта теория со страницы подробного решения задач по физике, там расположена теория и подробное решения задач по всем темам физики:
Возможно вам будут полезны эти страницы:
