2.8. Постоянный электрический ток

Электрический ток — упорядоченное движение электрических зарядов.

За направление тока принимается направление движения положительных зарядов.

Сила тока I (А) равна отношению количества электрических зарядов q, походящих через поперечное сечение проводника за время t, к этому времени:

Плотность тока J (А/м²) — отношение силы тока к площади сечения проводника.

J = I/S

Закон Ома для участка цепи.

Сила тока I прямо пропорциональна напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению R участка цепи:

Сопротивление проводника R (Ом) прямо пропорционально длине l и обратно пропорционально площади S поперечного сечения проводника:

,

где (Омм) — удельное электрическое сопротивление, зависящее от материала и температуры проводника.

Последовательное соединение проводников (рис. 14).

		, , .
Рис. 14

Параллельное соединение проводников (рис. 15).

Рис. 15

Электродвижущая сила (ЭДС)  (В) равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по замкнутой цепи.

Сторонними называются неэлектрические силы, возникающие в источнике тока.

Закон Ома для полной цепи. Сила тока I в замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока  и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи (рис. 16):

,

где R — внешнее сопротивление цепи, r — внутреннее сопротивление источника тока.

Рис. 16

Напряжение на источнике питания (на зажимах цепи) определяется выражением:

U = I R =  – I r

При коротком замыкании сила тока равна:

Работа электрического тока A (Дж) определяется по формулам:

где t — время действия тока.

Мощность электрического тока P (Вт) определяется по формулам:

Закон Джоуля – Ленца: количество теплоты, выделившееся на проводнике с током равно:

2.9. Магнитное поле. Электромагнитная индукция

Магнитное поле — материальная субстанция, через которую осуществляется взаимодействие магнитов и электрических токов.

Вектор магнитной индукции (Тл) является силовой характеристикой магнитного поля.

Силовая линия магнитной индукции — линия, касательные к которой в каждой точке совпадают с направлением вектора .

Силовые линии направлены от северного магнитного полюса к южному.

Направление силовых линий магнитного поля прямого проводника с током определяется по правилу правого винта (правилу буравчика):

Если вращать рукоятки буравчика таким образом, чтобы он поступательно перемещался по направлению тока в проводнике, то направление вращения рукояток этого буравчика совпадает с направлением силовых линий магнитного поля.

На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера.

Величина силы Ампера F_A для прямолинейного проводника определяется законом Ампера:

F_A = IBl sin,

где I - сила тока в проводнике, l – длина проводника, В - величина магнитной индукции,  - угол между направлением тока и вектором магнитной индукции .

Направление силы Ампера определяется правилом левой руки:

если четыре сомкнутых пальца левой руки указывают направление тока, а силовые линии магнитного поля входят в ладонь, то отогнутый под прямым углом большой палец указывает направление силы Ампера.

Сила Лоренца - сила, действующая на заряд q, движущийся со скоростью в магнитном поле с индукцией .

Величина силы Лоренца:

,

где  — угол между направлением скорости заряда и вектором магнитной индукции .

Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки:

если четыре сомкнутых пальца левой руки указывают направление движения положительного заряда q , а силовые линии магнитного поля входят в ладонь, то отогнутый под прямым углом большой палец указывает направление силы Лоренца.

Если q < 0, то направление берется противоположным тому, что следует из правила левой руки.

В магнитном поле заряженная частица движется по окружности радиусом R.

Из данного условия можно найти радиус траектории движения частицы

Магнитный поток Ф (Вб), пронизывающий плоскую поверхность площадью S определяется по формуле:

Ф = BS cos,

где  — угол между направлением нормали к поверхности и вектором магнитной индукции .

Магнитный поток возникающий в катушке с электрическим током определяется по формуле:

Ф =LI,

где L (Гн) — индуктивность контура; I (А) — сила тока.

Индуктивность L контура не зависит от силы тока. Она определяется размерами и геометрической формой контура, а также магнитными свойствами среды.

Явление электромагнитной индукции — возникновение индукционного тока в проводящем контуре (замкнутом проводнике), при изменении магнитного потока сквозь поверхность, охватываемую этим контуром.

Закон электромагнитной индукции Фарадея.

ЭДС электромагнитной индукции в контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока, проходящего сквозь поверхность, охватываемую этим контуром:

Знак минус соответствует правилу Ленца.

Правило Ленца.

Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им собственный поток магнитной индукции уменьшает изменение внешнего магнитного потока.

Явление самоиндукции — возникновение ЭДС индукции в контуре, обусловленное изменением электрического тока в этом же самом контуре.

Закон самоиндукции.

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения первичного тока в контуре, взятой с обратным знаком:

Энергия магнитного поля контура с током равна половине произведения индуктивности L контура на квадрат силы тока I в этом контуре:

.