«Электрический ток. Сила тока» Сопротивление.

Понятие электрический ток

Благодаря электрическому току освещаются квартиры, приводятся в движение станки и т. п.

При движении заряженных частиц в проводнике происходит перенос электрического заряда с одного места в другое. Однако если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в металле, то переноса заряда не происходит

Электрическим током - называют упорядоченное  движение заряженных частиц.

Электрический ток возникает при упорядоченном перемещении свободных электронов или ионов. Если перемещать нейтральное в це­лом тело, то, несмотря на упорядоченное движение огромного числа электронов и атомных ядер, электрический ток не возникнет.

Электрический ток имеет определенное направление. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Следовательно, направление тока совпадает с направлением вектора напряженности электрического поля.

Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Действие тока на проводник.

 Движение частиц в проводнике мы непосредственно не видим. О наличии электрического тока приходится судить по тем действиям или явлениям, которые его сопровождают.

1) тепловое - проводник, по которому течет ток, нагревается.

Тепловое действие тока можно наблюдать, например, присоединив к полюсам источника тока железную или никелиновую проволоку. Проволока нагревается и, удлинившись поэтому, слегка провисает. Её даже можно раскалить докрасна. В эл.лампах, например, тонкая вольфрамовая проволочка

2) химическое -  электрический ток может изменять химический состав проводника, например выделять его химические составные части (медь из раствора медного купороса и т. д.).

3) магнитное - ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела. Это действие тока называется магнитным. Так, магнитная стрелка вблизи проводника с током поворачивается.

Сила тока.

Если в цепи устанавливается электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника все время переносится электрический заряд. Заряд, перенесенный в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока. Если через поперечное сечение проводника за время Δt переносится заряд Δq, то среднее значение силы тока равно:

Средняя сила тока равна отношению заряда Δq, прошедшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени Δt, к этому промежутку времени.

Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным.

Знак силы тока зависит от того, какое из направлений вдоль проводника принять за положительное. Сила тока I > О, если направление тока совпадает с условно выбранным положительным направлением вдоль проводника.

В противном случае I < 0.

Связь силы тока со скоростью направленного движения частиц.

Пусть цилиндрический проводник имеет поперечное сечение площадью S.

За положительное направление в проводнике примем направление слева направо.

Заряд каждой частицы будем считать равным q₀.

В объеме проводника, ограниченном поперечными сечениями 1 к 2 с расстоянием ΔI между ними, содержится nSΔl частиц, где п — концентрация частиц (носителей тока).

Их общий заряд в выбранном объеме .

 Если частицы движутся слева направо со средней скоростью v, то а, Δ1 за время Δt=Δl/v  — все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через поперечное сечение 2.

Поэтому сила тока равна:

В СИ единицей силы тока является ампер (А).

Условия, необходимые для протекания тока

Для возникновения и существования постоянного электрического тока в веществе необходимо, во-первых, наличие свободных заряженных частиц. Если положительные и отрицательные заряды связаны друг с другом в атомах или молекулах, то их перемещение не приведет к появлению электрического тока. Но наличия свободных зарядов еще недостаточно для возникновения тока.

Для создания и поддержания упорядоченного движения заряженных частиц необходима, во-вторых, сила, действующая на них в определенном направлении. Если эта сила перестанет действовать, то упорядоченное движение заряженных частиц прекратится из-за электрического сопротивления, оказываемого их движению ионами кристаллической решетки металлов или нейтральными молекулами электролитов.

На заряженные частицы, как мы знаем, действует электрическое поле с силой

 .

Обычно именно электрическое поле внутри проводника служит причиной, вызывающей и поддерживающей упо­рядоченное движение заряженных частиц. Только в статическом случае, когда заряды покоятся, электрическое поле внутри проводника равно нулю.

Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между концами проводника, существует разность потенциалов. Когда раз­ность потенциалов не меняется во времени, в проводнике устанавливается постоянный электрический ток.

Закон Ома для участка цепи

Закон Ома для участка цепи: Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна приложенному к нему напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка R:  ,

где R - основная электрическая характеристика проводника — сопротивление. От этой величины за­висит сила тока в проводнике при заданном напряжении.

Взаимосвязь тока, напряжения и сопротивления можно назвать основным законом электротехники, он применим во всём, что связано с электричеством. На этом законе построено и работает всё - электрические сети, все возможное электрооборудование, электрические механизмы, электроника, радиотехника и т.д.
 

Вольт-амперная характеристика проводника.

Зависимость силы тока от приложенной разности потенциалов на концах проводника выражает так называемая вольт-амперная характеристика проводника.
Между силой тока и напряжением прямо пропорциональная зависимость: чем больше напряжение на участке цепи, тем больше ток

.

Сопротивление, удельное сопротивление

Что такое электрическое сопротивление? Проще всего объяснить это по аналогии с водопроводной трубой. Представьте себе, что вода — некое подобие электрического тока, образуемого направленным движением электронов в проводнике, а напряжение — аналог давления (напора) воды. Сопротивление — это та сила противодействия среды их движению, которую электронам или воде приходится преодолевать, в результате чего производится работа и выделяется теплота. Именно такая модель представлялась в 1820-е годы Георгу Ому, когда он занялся исследованием природы происходящего в электрических цепях.

В водопроводной трубе всё обстоит так, что чем выше давление воды, тем относительно большая доля энергии расходуется на преодоление сопротивления в трубах, поскольку в них усиливается турбулентность потока. Из этого исходил Ом, приступая к опытам по измерению зависимости силы тока от напряжения. И очень скоро выяснилось, что ничего подобного в электрических проводниках не происходит: сопротивление вещества вовсе не зависит от приложенного напряжения. В этом, по сути, и заключается закон Ома. Экспериментально закон Ома установлен в 1826г.

Итак, заключаем, что сила тока зависит от напряжения и сопротивления проводника, а вот сопротивление не зависит ни от силы тока, ни от напряжения.

Сопротивление зависит от материала проводника и его геометрических размеров. Сопротивление проводника длиной I с постоянной площадью поперечного сечения S равно:    

где ρ — величина, зависящая от рода вещества и его состояния (от температуры в первую очередь). Величину ρ называют удельным сопротивлением проводника.

Единицу сопротивления проводника устанавливают на основе закона Ома и называют ее Омом. Единицей удельного сопротивления является 1 Ом•м.

Приборы.

Прибор для измерения силы тока Амперметр. Включается в цепь последовательно

Если включить один амперметр в цепь до лампы, другой после, то оба они покажут одинаковую силу тока.

Прибор для измерения напряжения – Вольтметр. Подключается в цепь параллельно тому участку цепи, на котором измеряется разность потенциалов.

В отличие от амперметра вольтметр устроен так, что сила тока, проходящего через него, мала по сравнению с силой тока в цепи, поэтому вольтметр почти не изменяет напряжение между теми точками, к которым его подключают.
 Для измерения напряжения на полюсах источника тока вольтметр подключают непосредственно к зажимам источника тока так.

Примеры решения задач

Задача 1. Время разряда молнии равно 3мс. Сила тока в канале молнии около 30 000А. Какой заряд проходит по каналу молнии?

Задача 2. Если напряжение между концами проводника и его длину увеличить в три раза, то сила тока, идущего через проводник?

Задача 3. Сколько метров медного провода диаметром 2мм содержит обмотка катушки электромагнита, если при напряжении 2 в по катушке течет ток 1А? Удельное сопротивление меди 0,2 мк Ом·м

Задача 4. По проводнику сечением 1,5мм² идет ток силой 0,3 А. Считаю концентрацию свободных электронов в веществе равной 10²⁸м^-3, определить скорость направленного движения электронов.

Задача 5. Опасным для жизни человека является поражение электрическим током при силе тока более 20 мА. Какое напряжение может представлять опасность для жизни человека? Электрическое сопротивление тела человека при поврежденной коже около 1000 Ом.

Задачи для самостоятельного решения:

1. Дуговая сварка ведется током 500А при напряжении 40В. Какое количество энергии будет израсходовано за 30 мин?

2. Три лампы сопротивлением 240 Ом каждая, соединены параллельно и включены в сеть  с напряжением 120 В. Определить мощность, потребляемую всеми лампами, общий ток и энергию, израсходованную за 8 часов горения.

Домашнее задание:

Контрольные вопросы:

1. Что называют электрическим током?

2. Что такое сила тока?

3. Какое направление тока принимают за положительное?

4. Перечислите условия для существования электрического тока.

5. Запишите закон Ома для участка цепи?

Задачи:

1. Дуговая лампа включена последовательно с сопротивлением 7,3 Ом в сеть с напряжением 110В. Потребляемая лампой мощность составляет 410Вт. Определить ток в лампе и ее сопротивление в рабочем состоянии.

2. Мощность тока  в реостате 30 Вт, а напряжение на его зажимах 15 В. Определить длину ни некилиновой проволоки, пошедшей на изготовление реостата, если ее сечение 0,5 мм².