4.2. Электродвижущая сила. Напряжение. Разность потенциалов.

Сто­ронние силы для поддержания тока можно охарактеризовать работой, которую они совершают над зарядами. Величина, равная работе сторонних сил, отнесенной к единице положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) . ЭДС, действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция век­тора напряженности поля сторонних сил .

ЭДС выражается в вольтах.

Напряжением (или падением напряжения) на участке цепи 1—2 называется физическая величина, численно равная работе, совершаемой результирующим полем электростатических и сторонних сил при перемещении вдоль цепи из точки 1 в точку 2 единичного положительного заряда: .

При отсутствии сторонних сил напряжение U совпадает с разностью потенциалов.

4.2. Законы постоянного тока.

В 1826 г. немецкий ученый Г.Ом экспериментально установил закон, согласно которому сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику, пропорциональна падению напряжения на проводнике: (закон Ома в интегральной форме). Однородным называется проводник, в котором не действуют сторонние силы.

Величина R называется электрическим сопротивлением проводника, оно зависит от свойств проводника и его геометрических размеров: , где - удельное сопротивление, т.е. сопротивление проводника длиной 1м² с площадью поперечного сечения 1м², — длина проводника, S — площадь поперечного сечения проводника. Сопротивление проводника представляет собой как бы меру противодействия проводника установлению в нем электрического тока. Единица сопротивления 1Ом. Проводник имеет сопротивление 1Ом, если при разности потенциалов 1В сила тока в нем 1 А.

Обобщенный закон Ома для участка цепи с ЭДС: произведение электрического сопротивления участка цепи на силу тока в нем равно сумме падения электрического потенциала на этом участке и ЭДС всех источников электрической энергии, вклю­ченных на рассматриваемом участке: .

Обобщенный закон Ома для участка цепи выражает закон сохранения и превращения энергии применительно к участку цепи электрического тока.

Закон Ома в дифференциальной форме: плотность тока проводимости пропорциональна напряженности Е электрического поля в проводнике и совпадает с ней по направлению, т.е. . Коэффициент пропорциональности называется удельной электрической проводимостью среды, а величина — удельным электрическим сопротивлением среды.

Зависимость удельного сопротивления от температуры выражается формулой , где — удельное сопротивление при , — термический коэффициент сопротивления, зависящий от свойств проводника, — температура в градусах Цельсия.

Многие металлы и сплавы при температурах ниже 25К полностью теряют сопротивление — становятся сверхпроводниками. Сверхпроводимость — это квантовое явление. При протекании тока в сверхпроводнике потери энергии не происходит. Очень сильное магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние.

Температурная зависимость:

Последовательным называется такое соединение проводников, когда конец одного проводника соединяется с началом другого. Сила тока, текущая через последовательно соединенные проводники, одинакова. Общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений всех отдельных проводников, включенных в цепь: .

Параллельным называется такое соединение проводников, когда одни концы всех проводников соединяются в один узел, другие концы — в другой. При параллельном соединении напряжение во всех проводниках одно и то же, равно разности потенциалов в узлах соединения: . Проводимость (т.е. величина, обратная сопротивлению) всех параллельно единенных проводников равна сумме проводимостей всех отдельных проводников: .

Закон Ома для полной цепи: полная замкнутая цепь состоит из внешнего сопротивления R и источника тока с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением . Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи: .