2. Постоянный электрический ток (1)

Электрической цепью называют совокупность устройств, предназначенных для получения, передачи, преобразования и использования электрической энергии.

Электрическим током (или электрическим током проводимости, или током проводимости) называют упорядоченное, направленное движение свободных носителей электри-ческих зарядов.
Свободными носителями электрических зарядов являются:
в металлах – свободные электроны;
в электролитах - положительные и отрицательные ионы;
в газах – положительные ионы и электроны;
в полупроводниках – электроны и «дырки»;
в вакууме – электроны.

Для возникновения и существования электрического тока необходимо:
1. наличие заряженных частиц
2. наличие причин, приводящих к упоря-доченному движению этих частиц (электрическое поле, которое создается источниками тока).

Вне зависимости от природы носителей электрических зарядов
за направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц
(т. е. от полюса со знаком «+» к зажиму со знаком «–»).

Количественной характеристикой элект-рического тока является сила тока.
Силой тока называется скалярная величина, численно равная величине электрического заряда, переносимого через рассма-триваемую поверхность в единицу времени
Единица силы тока – ампер:

Если сила тока и его направление не меняется со временем, то такой ток называется постоянным
Для измерения тока в цепи использую амперметр.
Амперметр включают последовательно к участку цепи, на котором измеряют силу тока.

Для постоянного тока, текущего перпендикулярно сечению проводника:
Плотность тока j – векторная физическая величина, численно равная отношению силы тока, проходящей через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярно напра-влению тока.
Направление вектора плотности тока совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов.
Единицей плотности тока является
в электротехнике 1 А/мм2 , в физике 1 А/м2.

Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением сил электростатического происхождения (кулоновских), называют сторонними силами.
Устройство, в котором сторонние силы переносят заряд против сил электростатического поля, называется источником тока.
Природа сторонних сил может быть различной:
в гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами;
в генераторе – за счет механической энергии вращения ротора генератора.

.
Электродвижущая сила
Электродвижущей силой (ЭДС) - физическая величина, определяемая работой, которую совершают сторонние силы при перемещении единичного положительного заряда
Единицей ЭДС является: 1 В (вольт)
Работа совершается за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока.

Электрическое напряжение (или напряжение) – скалярная физическая величина, равная отношению работы по перемещению электрического заряда между двумя точками цепи к величине этого заряда.
Еще одно определение: работа, совершаемая электрическим полем при перемещении единичного заряда между двумя точками этого поля, является энергетической характеристикой поля и называ-ется электрическим напряжением.
Единица измерения напряжения в СИ — В (вольт)

Напряжение равно разности потенциалов
только в том случае, если рассматриваемый участок цепи не содержит источник тока (ЭДС = 0).
Измеряют напряжение вольтметром. Вольтметр включают параллельно к участку цепи, на котором измеряют напряжение.
Включая вольтметр в цепь, обязательно следует соединять его клемму со знаком «+» с проводом, идущим от отрицательного полюса источника, иначе вольтметр может выйти из строя.

Коэффициент пропорциональности R называется электрическим сопротивлением проводника (сопротивление)
Электрическое сопротивление — это физи-ческая величина, которая характеризует свойство проводника препятствовать прохожде-нию электрического тока.
Единица электрического сопротивления :
Ом (Ом)
Закон Ома для однородного участка цепи: сила тока, протекающего по однородному участку цепи, пропорциональна напряжению на этом участке

Величина обратная удельному сопротивлению называется удельной электрической проводимостью
Единица удельной электрической проводимости – сименс на метр (См/м)

ρ =ρ0(1+αt) R =R0(1+αt)
где ρ0, ρ - удельные сопротивления вещества проводника соответственно при 0 °C и t °C;
R0, R - сопротивления проводника при 0 °С и t °С;
α - температурный коэффициент сопротивления: К-1
Температурная зависимость сопротивления

Участок цепи, на котором не действуют сторонние силы, называется однородным (а). Участок, на котором на носители тока действуют сторонние силы, называется неоднородным (б).
Однородный и неоднородным участки цепи

.
Для однородного участка цепи
Для неоднородного участка цепи

Работа электрического тока
Единица работы: Дж (джоуль)
или

Мощность электрического тока - работа, совершаемая током за единицу времени равна
Единица мощности: Вт (ватт)

Закон Джоуля-Ленца
Единица количества теплоты: джоуль (Дж)
Закон Джоуля-Ленца
Количество теплоты, выделяемое постоянным электрическим током на участке цепи, равно произведению квадрата силы тока на время его прохождения и электрическое сопротивление этого участка цепи.

Закон Ома для неоднородного участка цепи

ε - ЭДС, действующая в цепи;
R – суммарное сопротивление всей цепи;
Rвнеш – сопротивление внешней цепи;
rвнутр – внутреннее сопротивление источника тока.

Правила Кирхгофа для разветвленных цепей

Правила Кирхгофа для разветвленных цепей
Узлом электрической цепи называется любая точка разветвления цепи, в которой сходятся не менее трех проводников с током.

Первое правило Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю:
Ток, входящий в узел считается положительным, а ток, выходящий из узла – отрицательным

Второе правило Кирхгофа: в любом замкнутом контуре алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивление соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС , встречающихся в этом контуре:

Если направление тока совпадает с направлением обхода, то ток положителен и наоборот.
Если направление обхода от «минуса» к «плюсу» источника, то ЭДС положительна и наоборот.

Алгоритм:
1. Выбрать произвольное направление токов на всех участках цепи; действительные направления токов определятся после решения задачи; если искомый ток получится положительным, то его направление было выбрано правильным, если отрицательным, то его истинное направление противоположно выбранному.

2. Выбрать произвольно направление обхода контура и строго придерживаться его. Записать произведения токов на сопротивления с учетом знаков и приравнять их сумме ЭДС. Составить уравнения по первому правилу Кирхгофа.