Лекція 12. Постійний електричний струм

12.1 Електричний струм, умови його існування. Сила та густина струму. Рівняння нерозривності. Закон Ома для ділянки кола в інтегральній та диференціальній формах.

Електричний струм, умови його існування

1. Приклади явища. Електричний заряд може переходити від тіла, яке має більший потенціал до тіла з меншим потенціалом. Під переходом заряду слід розуміти рух заряджених частинок.

2. Визначення. Електричний струм - це впорядкований рух заряджених частинок, який супроводжується переносом електричної енергії.

Розрізняють декілька видів електричного струму: струм провідності, струм у вакуумі, конвекційний струм, дифузний струм, струм зміщення.

Р озглянемо струм провідності. Він виникає в провідних середовищах як впорядкований рух вільних зарядів під дією електричного поля, створеного в цих середовищах.

Визначення. Струм провідності - це впорядкований рух заряджених мікрочастинок у макротілі.

3. Умови виникнення струму провідності: а) наявність вільних носіїв зарядів (зарядів, які можуть вільно рухатися); б) наявність стаціонарного електричного поля.

4. ..............................................

5. Електричний струм має напрямок. Відомий американський вчений і політичний діяч Б. Франклін запропонував за напрямок електричного струму вибрати напрямок руху позитивно заряджених частинок від точок з високим потенціалом до точок з більш низьким потенціалом (Рис. 41).

У сі провідники ділять на дві групи: провідники першого роду, у яких електричний струм не викликає хімічного впливу (метали, вугілля) в них, струм проводять валентні електрони, і провідники другого роду, у яких під дією струму відбуваються хімічні перетворення (електроліти). В електролітах струм проводять позитивні й негативні іони речовин.

Сила струму І (ф.в.)

1. Сила струму - це кількісна характеристика електричного струму.

2. Визначення. Сила струму - це фізична величина, яка чисельно дорівнює відношенню заряду, що проходить через переріз провідника, до часу проходження заряду.

3. Сила струму - це скалярна величина, але вважають, що вона напрямлена від «+» до «-».

4. I=Δq/Δt

5. [І]= А.

6. 1 Ампер - це сила струму, при проходженні якого через два паралельні провідники, які мають довжину по 1 м, і розташовані на відстані 1 м один від одного, взаємодіють між собою з силою 2∙10^-7 Н. (Рисунок 12.2)

7. Прилад для вимірювання - амперметр.

Густина струму J (ф.в.)

1. Густина струму - це характеристика електричного струму.

2. Визначення. Густина струму - це фізична величина, яка дорівнює відношенню сили струму в провіднику до площі перерізу провідника.

3. Густина струму - це векторна величина, напрямок якої збігається з напрямком руху додатних частинок у провіднику.

4. , де dІ – струм через елементарну площу dS.

5. [J] = А/м²

Зв'язок сили струму й густини струму з швидкістю впорядкованого руху зарядів

Виразимо силу й густину струму через швидкість ‹v› впорядкованого руху зарядів у провіднику. Якщо концентрація носіїв струму дорівнює n і кожен носій має елементарний заряд е, то за час dt через поперечний переріз S провідника переноситься заряд -

dq = ne‹v›Sdt. Сила струму , тоді густина струму

. Тобто , а .

Електричний опір R (ф.в.)

1. Електричний опір - це характеристика властивостей провідника.

2 . Визначення. Електричний опір - це здатність провідника протидіяти електричному струму.

3. Електричний опір - це скалярна величина.

4. , де r_ел - питомий опір провідника, l – довжина провідника, S – площа перерізу провідника (Рисунок 12.3).

5. [R] = Ом.

6. 1 Ом - це опір провідника, у якому при напрузі 1 Вольт виникає сила струму 1 Ампер.

7. Електричний опір вимірюють за допомогою омметра.

Зверніть увагу! Термін «електричний опір» часто застосовують для позначення елемента, що включається в електричний ланцюг з метою обмеження чи регулювання струму. Регульовані електричні опори називають реостатами, - нерегульовані електричні опори, що включаються послідовно з приймачами струму «додатковими опорами», а включені паралельно – «шунтами».

Питомий опір r (ф.в.)

1. Питомий опір - це характеристика електричних властивостей речовини.

2. Визначення. Питомий опір - це опір провідника довжиною 1м і площею перерізу 1 м².

3. Питомий опір - це скалярна величина.

4. Питомий опір - це таблична величина.

5. [ρ] = Ом∙м

Закон Ома для ділянки кола в інтегральній формі

1. Закон Ома для ділянки кола зв’язує між собою всі характеристики електричного кола.

2. Визначення. Сила струму в ділянці кола пропорційна напрузі на кінцях ділянки кола й обернено пропорційна опору цієї ділянки.

3. I=U/R

4. Закон застосовують тільки для тих ділянок електричного кола де відсутні джерела електричного струму.

Закон Ома для ділянки кола в диференціальній формі

Отримаємо закон Ома для ділянки кола в диференціальній формі, для цього в закон Ома підставимо замість І, U, R, відповідні вирази , ; Отримаємо . Звідки - закон Ома для ділянки кола в диференціальній формі.

Визначення. Густина струму j прямо пропорційна напруженості електричного поля Е всередині провідника.