Постоянный электрический ток. Сила тока. Электродвижущая сила

Электрический ток –
это упорядоченное движение заряженных частиц (свободных электронов или ионов). Пpи этом чepeз пoпepeчнoe ceчeниe пpoвoдникa пepнocитcя элeктpичecкий зapяд ( пpи тeплoвoм движeнии зapяжeнныx чacтиц cуммapный пepeнeceнный элeктpичecкий зпpяд = 0, т.к. пoлoжитeльныe и oтpицaтeльныe зapяды кoмпeнcиpуютcя).

Haпpaвлeниe элeктpичecкoгo тoкa
Уcлoвнo пpинятo cчитaть нaпpaвлeниe движeния пoлoжитeльнo зapяжeнныx чacтиц ( oт + к - ).

Условия существования электрического тока в проводнике:
наличие свободных заряженных частиц;
наличие электрического поля.

Важно!
Напряженность электрического поля должна быть постоянной.
Цепь постоянного тока должна быть замкнутой.
Тепловое движение заряженных частиц нельзя назвать электрическим током, так как оно беспорядочное.

Электрический ток можно обнаружить по его действиям:
тепловому – при протекании тока проводник нагревается;
химическому – изменяется состав вещества при прохождении электрического тока (электролиз);
магнитному – электрический ток создает магнитное поле.

Сила тока –
это скалярная физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени, за которое этот заряд переносится.

Сила тока
Обозначение – ​I​, единица измерения в СИ – ампер (А) (является основной).
Вычисляется по формуле:

Если за одинаковые промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковый заряд, то ток постоянный.
Для измерения силы тока используют амперметр.
Условное обозначение на схемах:

Амперметр –
измерительный прибор для определения силы тока в электрической цепи.
При измерении силы тока амперметр включают в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором измеряют, и с соблюдением полярности. Клемму амперметра со знаком «+» нужно обязательно соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока.

Электрическая цепь

Важно!
Работающим с электрическими цепями надо знать, что для человеческого организма безопасной считается сила тока до 1 мА.
Сила тока больше 100 мА приводит к серьезным поражениям организма.

Электрическое напряжение –
скалярная физическая величина, равная отношению работы по перемещению электрического заряда между двумя точками цепи к величине этого заряда.
Обозначение – ​U​, единица измерения в СИ – вольт (В).
Формула для вычисления:

Напряжение равно разности потенциалов только в том случае, если рассматриваемый участок цепи не содержит источник тока (ЭДС = 0).
Измеряют напряжение вольтметром.
Изображение вольтметра на схеме:

Электрическая цепь

Для измерения напряжения больше, чем допустимое для данного вольтметра, используют добавочное сопротивление – резистор, включаемый последовательно с вольтметром.

Величина добавочного сопротивления

Закон Ома для участка цепи
Сила тока прямо пропорциональна напряжению на концах участка и обратно пропорциональна его сопротивлению:

Вольт-амперная характеристика

Проводник с такими свойствами называется резистором.
Угол наклона графика к оси напряжений зависит от сопротивления проводника. Тангенс угла наклона графика равен проводимости резистора.

Электрическое сопротивление –
Это свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока.
Обозначение – ​R​, единица измерения в СИ – Ом.
Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток.

Удельное сопротивление
Для характеристики электрического сопротивления различных материалов введено понятие так называемого удельного сопротивления.
Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2.
Обозначение – ​ρ​, единица измерения в СИ – Ом·м.
Каждый материал, из которого изготовляется проводник, обладает своим удельным сопротивлением.

Электрическое сопротивление проводника прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника.
Формула для вычисления:

Электродвижущая сила (ЭДС)
Для создания электрического поля в проводниках используют источник тока. Внутри источника тока происходит перераспределение зарядов, в результате которого на полюсах источника возникает избыток зарядов разных знаков.

Виды источников тока
электрофорная машина;
термопара;
фотоэлемент;
аккумулятор;
гальванический элемент.

Когда проводник соединяют с полюсами источника, то на внешнем участке цепи заряженные частицы движутся под действием электростатической силы. А внутри источника на заряды действуют сторонние и электростатические силы.
Сторонними называются силы неэлектрической природы, действующие внутри источника тока.

Под действием этих сил внутри источника происходит перемещение положительных зарядов от отрицательного полюса источника к положительному. Это перемещение происходит до тех пор, пока сторонние силы не станут равными электростатическим

Электродвижущей силой (ЭДС)
называется отношение работы сторонних сил по перемещению положительного заряда к величине этого заряда.
Обозначение – ​ε​, единица измерения в СИ – вольт (В).
где ​Δq​ – модуль перенесенного заряда.

Если электрическая цепь содержит несколько источников тока с ЭДС ​ε1,ε2,…ε​n, то суммарная ЭДС ε=ε1+ε2+…+εn.
ЭДС считается положительной, если направление обхода цепи против часовой стрелки совпадает с переходом внутри источника тока от отрицательного полюса источника к положительному полюсу.

На рисунке: ​ε1>0,ε2<0,ε3>0.​
Суммарная ЭДС: ε=ε1−ε2+ε3.

Сопротивление источника тока называется внутренним сопротивлением.
Обозначение внутреннего сопротивления
– ​r​. Единица измерения в СИ – Ом.

Полная электрическая цепь состоит из источника тока и проводников, представляющих внешнее сопротивление.

Закон Ома для полной электрической цепи
Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС, действующей в цепи, и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи:

Полное сопротивление – это сумма внутреннего сопротивления источника и сопротивления внешней цепи. Во внешней цепи ток идет по направлению электрического поля, внутри источника тока – против поля.

Важно!
Если цепь разомкнута, то ток внутри источника не проходит и ​ε=U​.
ЭДС численно равна напряжению на зажимах источника тока (разности потенциалов на полюсах источника).
Сопротивление внешней цепи больше внутреннего сопротивления источника.
Если сопротивление внешней цепи мало ​(R=0)​, то возможно короткое замыкание. Сила тока короткого замыкания: ​Iкз=εr​Возрастание силы тока приводит к резкому увеличению количества теплоты и может стать причиной пожара. Для предотвращения возгорания в электрическую цепь последовательно включают предохранители.

Соединение источников тока
Источники тока можно соединять между собой последовательно и параллельно.
При параллельном соединении положительные полюсы элементов соединяют между собой, отрицательные – между собой. Если ЭДС источников одинаковы, то общая ЭДС ​ε=ε1 (​ε1​ – ЭДС одного источника). Величина, обратная общему внутреннему сопротивлению, равна сумме величин, обратных внутренним сопротивлениям элементов: ​1r=1r1+1r2+…​ Если внутренние сопротивления источников одинаковы, то ​rобщ=r1 n​, где ​r1​ – сопротивление одного источника, ​n​ – число источников. Сила тока: ​εR+rn​.