Електричний струм та електричне коло

а) електричний струм.

Перед 1800 роком вивчення електрики обмежувалося вивченням електричних зарядів у стані спокою, але добути значні електричні заряди та зберігати їх тривалий час було неможливо. У 1800 році Алессандро Вольта створив “Вольтів стовп “, пізніше названий електричною батареєю. Із створенням електричної батареї вивчення електрики значно розширилося.

У металах є велика кількість вільних електронів, які хаотично рухаються між іонами та якщо прикласти різницю потенціалів, то рух електронів стане впорядкованим. Це створить електричний струм, який визначають як електричний заряд, що пройшов через поперечний переріз провідника протягом часу t.

(16)

Результуючий струм називають постійним струмом, адже електричні заряди рухаються в одному напрямі.

б) закон Ома.

Якщо зібрати електричне коло згідно та змінювати у ньому величину сили струму, то буде змінюватись і значення напруги у колі.

Причому струм буде пропорційний напрузі: I ~ U, а відношення буде стале і його називають опором електричного кола:

(17)

Формула (17) виражає закон Ома, згідно якого струм у колі прямопропорційний напрузі та оберненопропорційний опору кола. У системі СІ електричний опір вимірюють у омах, цю одиницю назвали на честь Г. Ома, який відкрив дану залежість.

в) поняття електричного опору

Якщо до металевого провідника прикласти різницю потенціалів, то електрони, що рухаються під впливом різниці потенціалів, стикаються із іонами, молекулами чи атомами, що містяться у вузлах кристалічної решітки і розсіюються, із- за цього й виникає електричний опір. Очевидно, чим більша довжина провідника, тим більшим буде й електричний опір, тобто електричний опір пропорційний довжині: R~ l. Чим більший поперечний переріз провідника, тим опір буде меншим, бо у електронів буде більше вільного простору для руху:

R~ (18)

Якщо ввести коефіцієнт пропорційності, опір провідника буде рівний:

R= ρ (19)

Із виразу (19) видно, що опір провідника прямопропорційний добутку питомого опору на довжину провідника та оберненопропорційний площі поперечного перерізу провідника. Питомий опір є сталим для кожної речовини і його значення для деяких речовин наведені у таблиці на рисунку 15.

Дослідження довели, що опір матеріалу не є сталим та залежить від температури:

Матеріал	ρ, Ом·м	α, ̉°̉̉С-1
алюміній	2,82 · 10-8	3,9 · 10-3
графіт	3,57 · 10-8	-0,5 · 10-3
мідь	1,73· 10-8	3,93 · 10-3
золото	2,44 · 10-8	3,4 · 10-3
залізо	9,71 · 10-8	5,2 · 10-3
ртуть	94,8 · 10-8	8,9 · 10-3
платина	10,6 · 10-8	3,9 · 10-3
срібло	1,59 · 10-8	3,8 · 10-3
янтар	5 · 1014	-
скло	1013 - 1014	-
дерево	108 - 104	-

R=R₀ (1 + α Δt) (20),

де α – це температурний коефіцієнт опору.

При зниженні температури до абсолютного нуля у металах спостерігається досить цікаве явище, коли при певній (критичній) температурі опір спадає до нуля. Це явище назвали надпровідністю. Його вперше спостерігав у 1911 році голландський вчений Камерлінг Оннес, який досліджуючи плівки ртуті, спостерігав, як їх опір спадає до нуля при температурі 0,05 К. Залежність питомого опору від температури для надпровідників зображена на

Дослідження виявили, що надпровідність проявляється лише при дуже низьких температурах. Лише у 80-их роках на основі сплавів оксидів барію, лантану, ітрію та міді вдалося досягти значень критичної температури близько 90 К. Потужність у колах постійного струму рівна Р=І·U, якщо її пов"язати із опором кола, то тоді потужність у колі постійного струму буде рівна:

(21)

Втрати енергії у провіднику рівні: Е=Р·t=I²Rt, і якщо опір рівний нулю, то втрати енергії у колі відсутні. Саме тому дослідження надпровідності такі важливі. Якщо будуть створені надпровідники із високою критичною температурою, то це дасть змогу знизити вартість електроенергії, створювати економічні електродвигуни та генератори.

При послідовному з"єднанні резисторів їх сумарний опір рівний сумі опорів окремих резисторів

R= R₁+R₂+R₃+…. (22)

Опір R називають еквівалентним резистором.

На рисунку 19 зображено типове паралельне з"єднання провідників. Напруги на всіх резисторах будуть рівні, тому V=V₁=V₂=V₃, а струм І буде рівний сумі струмів на кожному резисторі: І=І₁+І₂+І₃. Тоді еквівалентний опір кола рівний:

(23)

Електрорушійна сила (ЕРС) рівна:

Ε= ІR+ Ir (24), де

R – це опір зовнішнього навантаження, а r – це внутрішній опір електричної батареї. R₁ R₂ R₃

Формула (24) виражає закон Ома для повного кола. Електрорушійна сила завжди більша за номінальну напругу електричної батареї живлення.

г) закони Кірхгофа.

Досить часто нам потрібно обчислити струм та ЕРС у колах, що містять декілька електричних батарей, а резистори з”єднані змішано, тому скористатися законом Ома у даному випадку не можна.

Для обчислення струму та напруги у колі за таких умов використовують правила Кірхгофа, яких є два.

Перше правило Кірхгофа: сума струмів, що входять у вузол рівна сумі струмів, що виходять із вузла. Цей закон, по суті, є законом збереження електричного заряду.

(25)

Друге правило Кірхгофа: сумарна зміна потенціалів у вибраному замкнутому контурі рівна нулю.

ΔV=0 (26)

Закони Кірхгофа використовують для обчислення параметрів складних електричних кіл.