Курс физики (стр. 51 из 157)
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Для постоянного тока
где Q — электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение провод ника. Единица силы тока — ампер (А).
Физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока, называется плотностью тока:
Выразим силу и плотность тока через скорость ‹v› упорядоченного движения зарядов в проводнике. Если концентрация носителей тока равна n и каждый носитель имеет элементарный заряд е (что не обязательно для ионов), то за время ∆t через поперечное сечение S проводника переносится заряд
∆Q=ne〈v〉Sdt. Сила тока
а плотность тока(96.1)
Плотность тока — вектор, ориентированный по направлению тока, т. е. направление вектора j совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов. Единица плотности тока — ампер на метр в квадрате
(А/м2).
Сила тока сквозь произвольную поверхность S определяется как поток вектора J, т. е.
(96.2)где dS = ndS (n — единичный вектор нормали к площадке dS, составляющей с век тором j угол α).
§ 97. СТОРОННИЕ СИЛЫ. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА И НАПРЯЖЕНИЕ
Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей (они предполагаются положительными) от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Это приведет к выравниванию потенциалов во всех точках цепи и к исчезновению электрического поля. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними.
Природа сторонних сил может быть различной. Например, в гальваниче-
ских элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами; в генераторе — за счет механической энергии вращения ротора генератора и т. п. Роль источника тока в электрической цепи, образно говоря, такая же, как роль насоса, который необходим для перекачивания жидкости в гидравлической системе. Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток.
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.), действующей в цепи:
(97.1)Эта работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину ξ можно также называть электродвижущей силой источника тока, включенного в цепь. Часто, вместо того чтобы сказать: «в цепи действуют сторонние силы», говорят: «в цепи действует э. д. с.», т. с. термин «электродвижущая сила» употребляется как характеристика сторонних сил.
Э.д.с., как и потенциал, выражается в вольтах (ср. (84.9) и (97.1)).
Сторонняя сила FCT, действующая на заряд Q0. может быть выражена как
где Е — напряженность поля сторонних сил. Работа же сторонних сил по перемещению заряда Q0 на замкнутом участке цепи равна
(97.2)Разделив (97.2) на Q0, получим выражение для э. д. с., действующей в цепи:
т. е. э.д.с., действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил. Э.д.с., действующая на участке 1 -2, равна
(97.3)На заряд Q0 помимо сторонних сил действуют также силы электростатического поля Fe = Q0E. Таким образом, результирующая сила, действующая в цепи на заряд Q0, равна
Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом Q0 на участке
1—2, равна
Используя выражения (97.3) и (84.8), можем записать
(97.4)Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю (см. §
83), поэтому в данном случае A12 = Q0ξ12
Напряжением U на участке 1—2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторон них сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи. Таким образом, согласно (97.4),
Понятие напряжения является обобщением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует э.д.с., т. е. сторонние силы отсутствуют.
• Что такое сторонние силы? Какова их природа?
• Почему напряжение является обобщенным понятием разности потенциалов?
• В чем заключается физический смысл электродвижущей силы, действующей в цепи? напряжения? разности потенциалов?
• Какова связь между сопротивлением и проводимостью, удельным сопротивлением и удельной проводимостью?
§ 98. ЗАКОН ОМА. СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ
Немецкий физик Г. Ом (1787,—1854) экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. с. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:
I=U/R, (98.1)
где R — электрическое сопротивление проводника. Уравнение (98.1) выражает закон Ома для участка цепи (не содержащего источника тока): сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Формула (98.1) позволяет установить единицу сопротивления — ом (Ом): 1 Ом — сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В течет постоянный ток 1 А. Величина
называется электрической проводимостью проводника. Единица проводимости — сименс (См): 1 См — проводимость участка электрической цепи сопротивлением 1 Ом. Сопротивление проводников зависит от его размеров и формы, а также от материала, из которого проводник изготовлен. Для однородного линейного проводника сопротивление R прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади его поперечного сечения S:
l
R =ρ (98.2)
S
где ρ — коэффициент пропорциональности, характеризующий материал проводника и называемый удельным электрическим сопротивлением. Единица удельного электрического сопротивления — ом-метр (Ом⋅м). Наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро (1,6-10~8 Ом м) и медь (1,7⋅10-8 Ом⋅м). На практике наряду с медными применяются алюминиевые провода. Хотя алюминий и имеет большее, чем медь, удельное сопротивление (2,6⋅10-8 Ом⋅м), но зато обладает меньшей плотностью по сравнению с медью.
Закон Ома можно представить в дифференциальной форме. Подставив выражение для сопротивления (98.2) в закон Ома (98.1), получим
(98.3)где величина, обратная удельному сопротивлению,
называется удельной электрической проводимостью вещества проводника. Ее единица — сименс на метр (См/м). Учитывая, что U/l = E— напряженность электрического поля в проводнике, I/S = j — плотность тока, формулу (98.3) можно записать в виде
(98.4)Так как в изотропном проводнике носители тока в каждой точке движутся в направлении вектора Е, то направления j и Е совпадают. Поэтому формулу
(98.4) можно записать в виде
(98.5)Выражение (98.5) — закон Ома в дифференциальной форме, связывающий плотность тока в любой точке внутри проводника с напряженностью электрического поля в этой же точке. Это соотношение справедливо и для переменных полей.
Опыт показывает, что в первом приближении изменение удельного сопротивления, а значит и сопротивления, с температурой описывается линейным законом: