§2. Условия существования электрического тока. Электродвижущая сила.

Для того, чтобы в проводнике существовал постоянный ток проводимости, необходимо выполнение следующих условий:

а) напряженность электрического поля в проводнике должна быть отлична от нуля и не должна изменяться с течением времени;

б) цепь постоянного тока проводимости должна быть замкнутой;

в) на свободные электрические заряды, помимо кулоновских сил, должны действовать неэлектростатические силы, называемые сторонними силами. Сторонние силы могут быть созданы источниками тока (гальваническими элементами, аккумуляторами, электрическими генераторами и др.).

В общем случае работа по перемещению заряда по проводнику на участке от точки 1 до точки 2 в процессе протекания по нему электрического тока совершается кулоновскими и сторонними силами. Полная работа на этом участке А_1-2 равна , где — работа кулоновских сил, — работа, которая совершается за счет действия сторонних сил на участке 1-2.

Действие сторонних сил характеризуется электродвижущей силой (ЭДС), которая обозначается .

Определение. Электродвижущей силой, действующей на участке цепи 1-2, называется физическая величина, равная отношению работы сторонних сил при перемещении на этом участке положительного заряда q, к. значению этого заряда: .

§ 3. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводников. Напряжение.

Если в однородном участке цепи (т.е. участке, в котором отсутствуют сторонние силы) создать электрическое поле, то в этом участке возникнет электрический ток. Созданное электрическое поле можно охарактеризовать напряжением U, приложенным к участку цепи, или, что то же самое, разностью потенциалов φ₁ - φ₂ между концами участка (U= φ₁ - φ₂)

В 1826 г. был экспериментально установлен закон Ома.

Закон Ома: сила тока I в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению U, приложенному к участку, и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению R этого участка (проводника):

Согласно электронной теории сопротивление металлических проводников электрическому току возникает вследствие того, что носители тока - электроны проводимости при своем движении испытывают соударения с ионами кристаллической решетки. При этом движущиеся электроны передают ионам часть своей энергии, приобретенной ими при свободном пробеге в электрическом поле. Энергия, переданная ионам, превращается в энергию беспорядочного колебания ионов (увеличивается амплитуда колебания) т. е. во внутреннюю энергию. Различие в сопротивлении различных металлов объясняется различием средних свободных пробегов электронов и количества свободных электронов в единице объема металла.

Единицей сопротивления в системе единиц СИ служит ом (Ом), равный сопротивлению такого проводника, в котором при напряжении 1 В течет ток силы 1 А. Величина, обратная ому, называется сименсом (См).

В случае цилиндрического проводника сопротивление

где 1 — длина проводника, S- площадь его поперечного сечения, ρ — удельное сопротивление материала, из которого изготовлен проводник.

Числовое значение ρ равно сопротивлению проводника, длина которого равна 1 м, а площадь поперечного сечения равна 1 м2. Единица ρ носит название «ом-метр» (Ом ·Ом). Величина, обратная ρ, называется удельной электрической проводимостью материала:

Единицей проводимости σ служит сименс на метр (См/м).

Наличие примесей в металлическом проводнике увеличивает его удельное сопротивление; например, примеси в меди могут увеличить удельное сопротивление медного провода в несколько раз. В тех случаях, где требуется малое сопротивление проводов, применяется химически чистая медь. Металлические сплавы имеют значительно большее удельное сопротивление, чем чистые металлы, из которых состоят сплавы. Сплавы применяются в тех случаях, где требуется большое сопротивление проводника.

Определение. Напряжением (падением напряжения) U_1-2 на участке цепи 1-2 называется физическая величина, численно равная полной работе, которая совершается кулоновскими и сторонними силами при перемещении вдоль участка цепи единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2:

.

Обобщенный закон Ома для участка цепи принимает вид:

где R — сопротивление внешнего участка цепи, r — сопротивление источника. ЭДС берется со знаком «—», так как выбранное направление силы тока I пересекает источник от «+» к «—» (в противном случае — наоборот). Потенциалы точек (φ₁, φ₂) проставляют в формуле в порядке, соответствующем направлению тока.