17. Закон Ома для ділянки електричного кола

Найпростіше електричне коло може складатися з джерела струму, споживача опору R, з’єднувальних провідників, амперметра і вольтметра.  Закон Ома для ділянки електричного кола: на деякій ділянці кола сила струму I прямо пропорційна напрузі U і обернено пропорційна опору R ділянки: 

18. Падіння напру́ги — різниця потенціалів між кінцями ділянки електричного кола, в якому протікаєелектричний струм.

Позначається здебільшого літерою U, вимірюється у вольтах.

Падіння напруги визначається силою струму й властивостями елементів ділянки електричного кола.

Падіння напруги на резисторі із опором R дорівнює:

де I — сила струму.

Для нелінійних елементів електричного кола падіння напруги визначається їхніми вольт-амперними характеристиками.

Принципова різниця між напругою і падінням напруги у тому, що напруга прикладається до ділянки кола, в той час як падіння напруги визначається струмом через елемент. У випадку єдиного елемента на ділянці різниці немає - падіння напруги дорівнює напрузі. Однак, у випадку кількох елементів на ділянці кола, тільки сумарне падіння напруги на всіх елементах дорівнює напрузі. Розрахунок падіння напруги на кожному з елементів потребує визначення сили струму, який протікає через кожен елемент.

19. Електри́чний о́пір — властивість провідника створювати перешкоди проходженню електричного струму.

Позначається здебільшого латинською літерою R, одиниця опору в СІ - Ом.

Залежність опору від розмірів провідника

Для провідника довжиною l і поперечним перерізом S опір визначається за формулою:

де ρ — питомий опір — характеристика матеріалу, з якого виготовлений провідник. Питомий опір — це опір провідника кубічної форми з одиничними розмірами. Найменше значення ρ для срібла і золота. Ці матеріали використовують для виготовлення контактів в мікросхема.

20. Питомий опір чесельно рівний опору провідника, що має форму куба з ребром 1м, якщо струм направлений вздовж нормалі до двох протилежних граней куба.

Провідник має опір 1Ом, якщо при різниці потенціалів 1В сила струму в ньому рівна 1А.

Питомий опір металів малий; діелектрики мають дуже великий питомий опір.

Опір провідника залежить від температури :

Надпровідність - властивість деяких матеріалів володіти строго нульовим електричним опором при досягненні ними температури нижче певного значення.

Надпровідність характеризується абсолютним діамагнетизмом. У магнітному полі в надпровідному матеріалі виникають такі струми, магнітне поле яких повністю компенсує зовнішнє магнітне поле, тобто магнітне поле виштовхується із надпровідника. Завдяки цій властості виникає явище левітаціїнадпровідника над магнітом (або магніта над поверхнею надпровідника), яке отримало назву труна Магомета. Сильне магнітне поле руйнує надпровідність. Проте надпровідники розрізняються за своєю поведінкою у відносно сильних магнітних полях, у залежності від поверхневої енергії границі розділу надпровідної й нормальної фаз. У надпровідників I роду ця поверхнева енергія додатня, й надпровідність руйнується, якщо поле перевищує певний рівень, який називається критичним магнітним полем. У надпровідників II роду поверхнева енергія границі розділу нормальної та надпровідної фаз від'ємна, тож магнітне поле, коли його напруженість перевищує певне значення (воно називається першим критичним полем), починає проникати в надпровідник поступово в певних місцях, навколо яких утворюються вихрові струми (див. Абрикосівський вихор). Якщо збільшувати магнітне поле далі, то нормальних областей стає дедалі більше, й при критичному полі надпровідність руйнується повністю. Надпровідники другого роду використовуються для створення надпровідних електромагнітів.

21. Роботу, яку виконує джерело струму з ЕРС, визначають за формулою:

Енергія джерела струму перетворюється частково або повністю у внутрішню енергію провідника або в механічну енергію. Скориставшись законом Ома, роботу можна виразити через силу струму або напругу:

.

22. Потужність електричного струму дорівнює відношенню роботи А до часу t, протягом якого вона виконується:

Одиницею потужності в СІ є Ват (Вт).

Якщо по провіднику проходить струм, то провідник нагрівається. Англійський вчений Дж. П. Джоуль і російський вчений Е. Х. Ленц встановили закон (Джоуля – Ленца): кількість теплоти, що виділяється в провіднику зі струмом, пропорційна силі струму, напрузі і часу проходження струму:

При відсутності сторонніх сил:

 

23. Англійський вчений Дж. П. Джоуль і російський вчений Е. Х. Ленц встановили закон (Джоуля – Ленца): кількість теплоти, що виділяється в провіднику зі струмом, пропорційна силі струму, напрузі і часу проходження струму:

При відсутності сторонніх сил:

 .

24. Електрорушійна сила  — кількісна міра роботи сторонніх сил із переміщення заряду, характеристика джерела струму.

Позначається здебільшого літерою , вимірюється в системі СІ у Вольтах. Зазвичай електрорушійна сила скорочується в текстах до е.р.с.

Електрорушійна сила ділянки кола дорівнює енергії, яку отримує одиничний заряд, пройшовши цю ділянку кола.

Для замкненого кола

,

де  — стороння сила.

Для протікання електричним колом струму необхідно, щоб у колі були елементи, які переміщують електричні заряди, збільшуючи їхню енергію. Сили, які виконують цю функцію називаються сторонніми силами. За своєю природою сторонні сили можуть бути різноманітні: хімічні, як у електричних батареях і акумуляторах, термоелектричні, як у термопарах, чи зумовлені явищем електромагнітної індукції, як у генераторах електричного струму. Кожне джерело живлення характеризується своєю електрорушійною силою й внутрішнім опором.

Сторонні сили забезпечують розділення різнойменно заряджених частинок в джерелі підтримують певну різницю, потенціалів на полюсах, тим самим зумовлюючи рух зарядів у зовнішньому колі.Отже робота сторонніх сил дорівнює сумі робіт, що виконуються по переміщенню заряду на внутрішній і зовнішній ділянці кола.А_ст=А_вн+А_зовн.

Напруга (U) на ділянці електричного кола — фізична величина, що визначається роботою, яка виконується сумарним полем електростатичних історонніх сил при переміщенні одиничного позитивного заряду на даній ділянці кола. Поняття напруги є узагальненим поняттям різниці потенціалів: напруга на кінцях ділянки кола дорівнює різниці потенціалів в тому випадку, якщо на цій ділянці не прикладена електрорушійна сила.

Напруга вимірюється у вольтах (B).

U=W_ст/Q, де W_ст - робота сторонніх сил по переміщенню заряду, Q- одиниця заряду U=φ1-φ2, де φ1-φ2 - різниця потенціалів

Із закону Ома для неповного кола: U=I·R , де I-струм, R-опір провідника

Для вимірювання напруги використовуються прилади, які називаються вольтметрами, мілівольтметрами тощо.

25. В повному колі окрім опору навантаження є ще джерело живлення, яке має свій власний внутрішній опір. Сила струму в ньому визначається формулою

де  — електрорушійна сила,  — опір навантаження, -внутрішній опір джерела струму.

 Наслідки з закону Ома для повного кола : - Напруга на полюсах замкнутого джерела струму - Напруга на полюсах розімкнутого джерела струму - Коротке замикання джерела струму – різке зростання сили струму при зменшенні опору зовнішнього кола до 0. V.

26. Провідниками електричного струму є не тільки метали і напівпровідники. Електричний струм проводять розчини багатьох речовин у воді. Як показує досвід, чиста вода не проводить електричний струм, тобто в ній немає вільних носіїв електричних зарядів. Не проводять електричний струм і кристали кухонної солі, хлориду натрію. 

Однак розчин хлориду натрію є хорошим провідником електричного струму. 

Розчини солей, кислот і підстав, здатні проводити електричний струм, називаються електролітами. 

Проходження електричного струму через електроліт обов'язково супроводжується виділенням речовини в твердому або газоподібному стані на поверхні електродів. Виділення речовини на електродах показує, що в електролітах електричні заряди переносять заряджені атоми речовини - іони. Цей процес називається електролізом.

Майкл Фарадей на основі експериментів з різними електролітами встановив, що при електролізі маса m виділяється на електроді речовини пропорційна пройшов через електроліт заряду Δq чи силі струму I і часу Δt проходження струму: 

m = kΔq = kIΔt. 

Це рівняння називається законом електролізу. Коефіцієнт k, що залежить від виділився речовини, називається електрохімічним еквівалентом речовини. 

Провідність рідких електролітів пояснюється тим, що при розчиненні у воді нейтральні молекули солей, кислот і підстав розпадаються на негативні і позитивні іони. 

В електричному полі іони починають рухатися і створюють електричний струм.