2. Электродвижущая сила. Напряжение

Для существования тока в электрической цепи (рис. 12.2) необходимо наличие устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов ( ).

Пусть в начальный момент времени  , тогда перенос положительного заряда q из точки 1 в точку 2 приведет к уменьшению разности потенциалов между ними. Для сохранения постоянной разности потенциалов необходимо перенести точно такой же заряд из точки 2 в точку 1. Если в направлении от ( ) заряды движутся под действием сил электрического поля, то в направлении от ( ) перемещение зарядов происходит против сил электрического поля, т. е. под действием так называемых сторонних сил. Эти условия выполняются в устройствах, называемых источниками тока.

Рис. 12. 2

Силы, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними. Сторонние силы действуют лишь внутри источника тока. Сторонние силы могут быть обусловлены химическими процессами (аккумуляторы), изменяющимися магнитными полями и т. д. Источник тока характеризуют электродвижущей силой.

Электродвижущей силой (ЭДС) называется физическая величина, определяемая работой , совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда

. (12.7)

ЭДС, как и потенциал, выражается в вольтах.

Электродвижущая сила, действующая на участке ( )

, (12.8)

- напряженность поля сторонних сил.

При протекании электрического тока в замкнутой цепи на свободные заряды действуют силы со стороны электрического поля и сторонние силы. Работу, совершаемую силами электрического поля по перемещению заряда , характеризует разность потенциалов ( ). Работа сторонних сил на участке равна .

Напряжением на участке называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электрических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного заряда на данном участке цепи

. (12.9)

Понятие напряжение является обобщением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует ЭДС, т. е. сторонние силы отсутствуют.

41.

3. Закон ома. Сопротивление проводников

Г. Ом (1787-1854 г.г.) экспериментально установил, что сила тока , протекающего по однородному металлическому проводнику, пропорциональна напряжению на концах проводника

, (12.10)

- электрическое сопротивление проводника.

Уравнение (12.10) выражает закон Ома для участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению проводника.

Электрическое сопротивление – физическая величина, характеризующая свойство проводника уменьшать скорость упорядоченного движения свободных носителей зарядов в проводнике.

1 Ом – (единица сопротивления) – сопротивление такого проводника, в котором при напряжении в 1 В протекает ток 1 А.

Величина

, (12.17)

называется электрической проводимостью проводника. Единица проводимости – сименс. 1 См – проводимость проводника сопротивлением 1 Ом.

Физический смысл наличия сопротивления в проводниках можно объяснить следующим образом (рис. 12.3).

Рис. 12. 3

При своем движении в проводнике электроны взаимодействуют с ионами кристаллической решетки металла, отдавая им при столкновениях кинетическую энергию, приобретенную при свободном пробеге. Под действием электрического поля происходит все более упорядоченное движение электронов. В результате, упорядоченное движение электронов можно рассматривать как равномерное движение с некоторой постоянной средней скоростью. Скорость упорядоченного движения электронов при этих столкновениях уменьшается и, следовательно, уменьшается заряд, переносимый электронами через поперечное сечение проводника за одну секунду. Проводник оказывает сопротивление прохождению электрического тока.

Для однородного линейного проводника сопротивление прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально его поперечному сечению

, (12.12)

- удельное электрическое сопротивление.

Коэффициент характеризует материал проводника. Единица удельного электрического сопротивления - Омметр, (Омм).

Наименьшим удельным электрическим сопротивлением обладают серебро (1,610^-8 Омм) и медь (1,710^-8 Омм), алюминиевые провода имеют =2,610^-8 Омм.

Величина, обратная удельному электрическому сопротивлению

, (12.13)

называется удельной электрической проводимостью вещества проводника. Единицей удельной электрической проводимости является – сименс, деленный на сантиметр, (См/см).

Опыт показывает, что в первом приближении изменение удельного сопротивления, а значит, и сопротивления, с температурой описывается линейным законом

(12.14)

где - соответственно удельные сопротивления и сопротивления проводника при и С, - температурный коэффициент сопротивления, для чистых металлов близкий К^-1.

Увеличение сопротивления проводников с возрастанием температуры можно объяснить следующим образом. При увеличении температуры растет скорость хаотического движения электронов и амплитуда колебаний ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки. Свободные электроны чаще сталкиваются с ионами решетки. Скорость упорядоченного движения их уменьшается, сопротивление растет.

В первом приближении температурная зависимость сопротивлений может быть представлена

, (12.15)

- термодинамическая температура. Было обнаружено, что сопротивление многих металлов ( и др.) при очень низких температурах (0,14-20 К), называемых критическими, характерных для каждого вещества, скачкообразно уменьшается до нуля, т. е. металл становится абсолютным проводником. Это явление названо сверхпроводимостью. Это явление было открыто в 1911 году Х. Каммерлинг-Оннесом.

42.