Электрический ток и его действия. Сила тока. Закон Ома. Сопротивление проводника. Последовательное и параллельное соединение проводников

Заряженные частицы, двигаясь по проводнику, могут нагревать его, намагничивать и изменять его химический состав.

Упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике называют электрическим током. Кратковременный электрический ток, например, возникает в металлическом проводнике М, соединяющем два разноименно заряженных тела, А и Б, когда под действием электрического поля его свободные электроны перемещаются от тела Б к А. Однако поток электронов между телами Б и А будет уменьшать заряды этих тел, и в конце концов, они станут незаряженными, и поле, вызвавшее электрический ток, исчезнет.

Электрический ток является результатом направленного движения свободных зарядов (электронов или ионов) в проводнике. В результате хаотичного (теплового) движения этих заряженных частиц направленного переноса заряда не происходит, а значит, электрический ток не возникает. Чтобы каждый раз не упоминать, какие частицы – ионы или электроны, переносят заряд в электрическом токе, за направление электрического тока условно принимается то направление, в котором бы двигались под действием данного электрического поля положительно заряженные частицы.

Прохождение электрического тока сопровождается многочисленными явлениями или действиями, по которым можно судить о его существовании. По характеру воздействия эти явления можно разделить на тепловые, магнитные и химические:

(1) Электрический ток нагревает проводник, по которому он протекает (тепловое действие). При этом некоторые проводники, например, вольфрамовая спираль осветительной лампы нагревается так сильно (до 2500^оС), что начинает даже светиться. Другие проводники, например, медные провода, по которым ток течёт к лампе, практически не нагреваются. Тепловое действие тока не зависит от направления тока, а определяется его величиной и свойствами проводника.

(2) Электрический ток действует на намагниченные тела, например, поворачивает магнитную стрелку, первоначально ориентированную вдоль проводника с током, перпендикулярно направлению тока (магнитное действие). Следует отметить, что магнитное действие тока зависит от величины тока и его направления и не зависит от вещества, из которого сделан проводник. Поэтому считают, что магнитное действие электрического тока – это его наиболее характерная черта, которая проявляется во всех проводниках.

(3) Электрический ток, проходя через растворы или расплавы электролитов, может разлагать их на составные части в результате процесса, называемого электролизом (химическое действие). Например, при пропускании тока через воду она разлагается на водород и кислород, и пузырьки этих газов образуются на электродах, между которыми пропускают электрический ток. В металлических проводниках электрический ток не вызывает никаких химических изменений.

Чем больше электрический ток, тем большее действие на проводник он оказывает. Чтобы охарактеризовать величину тока, предположим, что проводник имеет форму цилиндра с поперечным сечением S. Силой тока I называют отношение заряда D q, переносимого этим током через поперечное сечение проводника за интервал времени D t, к величине этого интервала:

(64)

Единицей силы тока в СИ является ампер (А). При силе тока в 1 А через поперечное сечение проводника за 1 с проходит заряд в 1 Кл. Силу тока измеряют с помощью амперметров, в устройстве которых использовано магнитное действие электрического тока.

· Если сила тока не изменяется со временем, то такой электрический ток называют постоянным. Условием существования постоянного электрического тока является наличие неизменного электрического поля в проводнике, или, другими словами, постоянного напряжения между концами проводника. Чтобы электрический ток через металлический проводник не прекращался, необходимо иметь устройство, перемещающее свободные электроны, пришедшие из Б в А, обратно в Б. Такое устройство называют источником тока. Источник тока перемещает заряды на участке АБ против действующих на них электростатических сил.

Закон Ома помогает определить силу тока через проводник, давая возможность оценить тепловое, химическое и магнитное действие электрического тока.

Для существования постоянного тока в проводнике необходимо поддерживать неизменной разность потенциалов между его концами. С ростом этой разности потенциалов напряжённость поля в проводнике увеличивается, и свободные заряды проводника приобретают бóльшую скорость, а значит, растёт сила тока через проводник. Немецкий физик Г. Ом установил, что сила тока I через металлический проводник прямо пропорциональна напряжению U между его концами:

(65)

где R – постоянная величина, называемая сопротивлением данного проводника (рис. 10 а). Уравнение (40.1) называют законом Ома для участка цепи, который также оказался справедлив и для электролитов. Единицей сопротивления в СИ является Ом. Согласно (65) проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при напряжении 1 В между его концами через него течёт ток 1 А.

Работа вольтметра – прибора для измерения напряжения, основана на законе Ома. Вольтметр (см. V на рис. 10 б), как и амперметр, измеряет ток, проходящий через него. Зная сопротивление вольтметра R и силу тока I, по закону Ома определяют напряжение U между точками, к которым подключён вольтметр. Вольтметр градуируют так, чтобы он показывал напряжение в вольтах, а не ток, который через него проходит.

Сопротивление зависит от материала, из которого сделан проводник, и его размеров. Для проводника с постоянной площадью поперечного сечения S (рис. 10 в) справедливо следующее соотношение между его длиной l и сопротивлением R:

(66)

где r - постоянный коэффициент, называемый удельным сопротивлением проводника и зависящий от вещества, из которого сделан проводник. Единицей удельного сопротивления является Ом^.м. Удельное сопротивление металлов гораздо меньше, чем у диэлектриков. Так, удельное сопротивление меди и алюминия составляет 1,7^.10^-8 и 2,8^.10^-8 Ом^.м, а у фарфора и сухого дерева оно достигает 10¹³ и 10⁸ Ом^.м, соответственно.

Ток течёт по проводникам, образующих электрическую цепь. Соединение проводников 1 и 2, показанное на рис. 10 г, называют последовательным. Очевидно, что сила тока в обоих проводниках одинакова:

I ₁ = I ₂ = I. (67)

Работа по перемещению заряда из А и В на рис. 40 г равна сумме работ по его перемещению из А в Б и из Б в В, а значит,

U = U ₁ + U ₂, (68)

где U – напряжение между точками А и В. Если R ₁ и R ₂ –сопротивления проводников 1 и 2, то уравнение (68) можно переписать в следующем виде, учитывая (65) и (67):

(69)

Из сравнения (69) и (65) следует, что сопротивление R двух последовательно соединённых проводников равно:

R = R ₁ + R ₂. (70)

Параллельное соединение проводников показано на рис. 40 д. Очевидно, что сила тока I через участок цепи АБ равна:

I = I ₁ + I ₂. (71)

Учитывая (65), можно переписать уравнение (71) как:

(72)

Из сравнения (72) и (65) следует, что для сопротивления R двух параллельно соединённых проводников справедливо:

(73)

Уравнения, аналогичные (70) и (73) можно применять для любого числа последовательно и параллельно соединённых проводников, соответственно.

Рисунок 10 (а) – Иллюстрация закона Ома для проводников с сопротивлением R ₁ и R ₂; (б) – к объяснению работы вольтметра; (в) – к объяснению формулы (66); (г, д) - последовательное и параллельное соединение проводников, соответственно.

Date: 2016-08-31; view: 397; Нарушение авторских прав