2. Постоянный ток (2часа)

До 1800 г. разделение электрических зарядов производилось с помощью трения. Были построены ма­шины, позволяющие достигать таким способом довольно высоких потенциалов. С помощью этих машин удавалось получать силь­ные разряды, но практического значения они не имели. Только в XVIII в. стала ясной электрическая природа таких природных явлений, как молнии или огни св. Эльма. Наконец, в 1800 г. произошло событие огромного прак­тического значения. Алессандро Вольта (1745-1827) изо­брел электрическую батарею и впервые получил с ее помощью постоянный электрический ток. Это открытие знаменовало начало новой эпохи, полностью преобразившей нашу цивилизацию: вся современная электротехника основана на использовании электрического тока.

1. Электрический ток. Сила тока. Электродвижущая сила.

Электрический ток - это упорядоченное движение электрических зарядов. Для существования тока необходимо наличие в данной среде (теле) носителей тока – заряженных частиц, способных перемещаться в пределах всего тела. В металлах носителями тока являются электроны, в электролитах - ионы, в газах - ионы и электроны. Ток возникает при условии, что внутри тела существует электрическое поле.

Силой тока называется физическая величина, равная отношению заряда, переносимому через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени к длительности этого промежутка:

,

3.42

Если ток не является постоянным, силу тока определяют следующим образом:

,

3.43

За положительное направление тока принимают направление движения положительных зарядов. Силу тока в СИ измеряют в амперах. Один ампер - это основная единица в СИ, она определяется по силе магнитного взаимодействия токов. За единицу принимают силу такого неизменного тока, который, протекая по двум параллельным проводникам ничтожно малого кругового сечения, находящимся на расстоянии 1 м друг относительно друга в вакууме, вызывает взаимодействие между ними с силой 210^-7 Н на каждый метр длины. Через единицу силы тока определяются другие электрические единицы, например 1 Кл = 1Ас.

Электрический ток может быть распределен по сечению проводника неравномерно. Плотность тока в любой точке сечения проводника определяется как отношение силы тока dI через расположенную в окрестности этой точки перпендикулярно направлению тока площадку к величине этой площадки:

,

3.44

Вектор плотности тока совпадает с направлением движения положительных носителей.

Для поддержания тока в замкнутой цепи необходимо наличие сил неэлектростатической природы (сторонних сил), способных совершать работу по переносу заряда в замкнутой цепи. Известно, что электрическое поле неподвижных зарядов не может заставить заряд перемещаться по замкнутому пути (см. раздел 3.1.5). Сторонние силы действуют обычно лишь на части замкнутой цепи  в источнике тока. Происхождение этих сил в разных источниках различно. В гальванических элементах и аккумуляторах эти силы имеют химическую природу, в фотоэлементах разделение зарядов происходит в результате действия света на полупроводник, в генераторах  за счет движения проводников в магнитном поле. Чем больший заряд перемещается по проводнику, тем большая работа совершается.

Электродвижущая сила (ЭДС) источника  физическая величина, численно равная работе, которую совершают сторонние силы при перемещении единого положительного заряда по замкнутому контуру:

.

3.45

Стороннюю силу F*, действующую на заряд q, можно представить в виде . Векторную величину называют напряженностью поля сторонних сил. Работа сторонних сил по перемещению заряда q на участке цепи 1-2 равна . Разделив эту работу на заряд, получим выражение для ЭДС, действующей на участке 1-2:

,

3.46

Аналогичный интеграл, вычисленный по замкнутому контуру, даст ЭДС, действующую в этой замкнутой цепи:

,

3.47

Таким образом, ЭДС, действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил.

При движении заряда по проводнику на него могут действовать как силы электростатического происхождения F_E, так и сторонние силы. Результирующая сила, действующая на заряд, равна Полная работа по перемещению единичного положительного заряда на участке 1-2 под действием этой силы:

Величина, численно равная работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется напряжением U на данном участке цепи:

,

3.48

Напряжение, как и ЭДС и разность потенциалов, измеряется в вольтах.

Рассмотрим частные случаи, вытекающие из ( 3 .48). Если на участке цепи отсутствуют источники ЭДС: , то напряжение равно разности потенциалов на концах участка цепи. Если ток равен нулю (цепь разомкнута), то разность потенциалов на концах участка цепи равна ЭДС с обратным знаком.