Постійний електричний струм (стр. 1 из 2)
РЕФЕРАТ
на тему:”ПОСТІЙНИЙ ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ”
План
1. Провідники й ізолятори. Електричний струм. Умови існування струму. Сторонні сили.
2. Закон Джоуля-Ленца в інтегральній формі. Опір провідників. Потужність струму.
3. Закони Ома для ділянки кола, неоднорідної ділянки кола і замкнутого кола. Правила Кірхгофа.
4. Закони Ома й Джоуля-Ленца в диференціальній формі. Густина електричного струму в провідниках.
1. Провідники і ізолятори. Електричний струм. Умови існування струму. Сторонні сили
До провідників відносять будь-які речовини, які мають вільні електричні заряди незалежно від агрегатного стану і від умов оточуючого середовища. Деякі речовини стають провідниками лише при підвищенні температури, а при досить високих температурах практично всі речовини є провідниками.
Ізолятори – це речовини, які при звичайних умовах не мають вільних зарядів, або їх число можна вважати безмежно малим.
Електричний струм – це направлений рух електричних зарядів, які приводяться в рух електричним полем або рухаються на протидію електричному полю. Чисельно електричний струм характеризують швидкістю переміщення електричних зарядів, тобто
I =
.Електричний струм вимірюється в амперах (А). Струм в 1А відповідає заряду в 1Кл, який переноситься через поперечний переріз провідника за час в 1с.
Одиниця електричного струму в 1А є основною одиницею системи СІ, а тому має більш загальне визначення, яке буде розглянуте пізніше.
Для існування електричного струму необхідне виконання певних умов, серед яких:
а) наявність провідника;
б) наявність джерела електрорушійної сили;
в) наявність замкнутого кола.
Невиконання цих умов, або будь-якої із них, робить неможливим виникнення електричного струму в провіднику.
У джерелі струму перерозподіл зарядів на його клемах здійснюється за допомогою сторонніх сил, тобто сил неелектричного походження.
У випадку замкнутого провідника сили електричного походження роботи не виконують. Робота таких сил дорівнює нулю. Перерозподіл зарядів у джерелі здійснюється переважно силами хімічного, магнітного, механічного, й іншого походження. У цьому випадку в джерелі одночасно існують два електричні поля:
- зовнішнє поле
, утворене різницею потенціалів між клемами джерела;- внутрішнє, або поле сторонніх сил
* 
, яке діє лише у джерелі (рис.10.1). 
Рис.10.1
Струм І існує у зовнішній ділянці кола і створюється полем 
. Струм 
існує у джерелі і створюється полем сторонніх сил 
.
На будь-який заряд у цьому випадку діятиме сила, величина якої дорівнює
= 
. (10.1.1)Під дією цієї сили виконується елементарна робота
= 
. (10.1.2)З урахуванням (10.1.1) елементарна робота
буде дорівнювати: 
, (10.1.3)де
- теорема про циркуляцію вектора .Тому величину
- називають електрорушійною силою джерела струму, тобто 
. (10.1.4)Електрорушійна сила джерела струму чисельно дорівнює роботі переміщення точкового електричного заряду сторонніми силами в замкнутому колі, включаючи і саме джерело, до величини цього заряду, тобто
(10.1.5)Причиною виникнення е. р. с. джерела струму може бути також змінне в часі магнітне поле, що видно із одного із рівнянь Максвелла
, (10.1.6)де
- змінне в часі магнітне поле; 
- потік змінного в часі магнітного поля крізь довільну замкнуту поверхню в перпендикулярному напрямку до цієї поверхні. Це та інші рівняння Максвелла будуть розглянуті в наступній лекції.2. Закон Джоуля-Ленца в інтегральній формі. Опір провідників. Потужність струму
Найпростішою формою дії струму в провіднику є його теплова дія. Дослідним шляхом установлено, що:
а) кількість теплової енергії, яка виділяється у провіднику, прямо пропорційна часу дії струму, тобто dQ ~ dt;
б) величина теплової енергії струму пропорційна квадрату струму в провіднику, тобто dQ ~ І2.
З урахуванням цих двох дослідних фактів можна зробити висновок, що кількість теплової енергії, яка ввиділяється у провіднику завдяки дії електричного струму, пропорційна квадрату струму й часу його протікання, тобто
dQ ~ I2dt . (10.2.1)
Якщо у співвідношення (10.2.1) ввести коефіцієнт пропорційності, то одержимо рівність
dQ = RI2dt. (10.2.2)
Рівність (10.2.2) називають законом Джоуля-Ленца в інтегральній формі. Коефіцієнт пропорційності в цьому законі називають електричним опором провідника.
З рівності (10.2.2) опір провідника буде дорівнювати
, (10.2.3)де dQ – кількість теплової енергії, яка переноситься електричним струмом; І2 – квадрат величини електричного струму; dt – час проходження струму.
Розмірність електричного опору відповідно до (10.2.3) має значення
.Опір провідників вимірюється в омах (Ом).
Встановимо фізичну суть опору провідника, який має вільні електричні заряди, що у випадку відсутності електричного поля рухаються хаотично між вузлами кристалічної гратки з досить великими швидкостями. Середнє значення швидкості хаотичного руху електронів у металевому провіднику приблизно дорівнює 106 м/с.
Температура на швидкість хаотичного руху носіїв струму в провіднику практично не впливає.
Рис.10.2
На рис.10.2 схематично показано ділянку кристалічної структури. Простір між вузлами кристалічної гратки заповнений вільними електронами.
Електричний опір провідника чисельно дорівнює роботі, яка виконується сторонніми силами джерела струму для подолання хаотичності руху вільних електронів, взаємодії їх один з одним і з вузлами кристалічної гратки.
Слід відмітити, що найбільше енергії джерела струму витрачається на подолання взаємодії носіїв струму з позитивно зарядженими вузлами кристалічної гратки. В меншій мірі енергія джерела витрачається на подолання хаотичності руху й взаємодії носіїв між собою.
У масштабах країни на подолання електричного опору в лініях електропередач витрачається до 25% виробленої електричної енергії.
Опір провідників зростає при їх нагріванні. Пояснити це зростання опору можна збільшенням амплітуди коливань вузлів кристалічної гратки, і як наслідок, зростанням частоти захоплення вузлами кристалічної гратки вільних електричних зарядів. На хаотичність руху носіїв і взаємодію їх один з одним зростання температури практично не впливає (буде пояснено в 3-й частині курсу фізики).
Вираз для потужності електричного струму можна отримати із рівності (10.2.2).
У випадку нерухомого провідника робота струму дорівнює тепловій енергії, тому потужність струму буде дорівнювати
. (10.2.4)З цієї рівності видно, що величина потужності струму пропорційна квадрату струму, що протікає в колі.
3. Закони Ома для ділянки кола, неоднорідної ділянки кола й замкнутого кола. Правила Кірхгофа
Розглянемо неоднорідну ділянку кола, опір якої дорівнює R + r (рис.10.3).
Рис.10.3
На кінцях такої ділянки створена різниця потенціалів 1 - 2. Робота переміщення заряду dq вздовж цієї ділянки дорівнює
, (10.3.1)де
- електрорушійна сила джерела струму; 
- різниця потенціалів на кінцях провідника.Якщо ж провідник нерухомий, то цю ж роботу можна виразити із закону Джоуля-Ленца, тобто
, (10.3.2)де
- загальний опір ділянки кола й джерела струму; І – величина струму в ділянці кола; dt – час проходження струму.