Электрический ток и закон Ома

Действие электрического тока

При помещении изолированного проводника в электрическое поле $\vec{E}$ произойдет воздействие на свободные заряды $q$ силы:

$\vec{E}=q\vec{E}$

Результатом такого воздействия становится возникновение в проводнике кратковременного перемещения свободных зарядов. Данный процесс завершится, если собственное электрическое поле возникших на поверхности проводника зарядов полностью компенсирует внешнее поле. При этом внутри проводника результирующее электростатическое поле будет иметь нулевое значение.

В проводниках при определенном условии становится возможным возникновение непрерывного упорядоченного движения свободных носителей электрозаряда. Это движение называют электрическим током. В качестве направления электрического тока принимается направление движения свободных положительных зарядов.

Существование электрического тока в проводнике требует создания в нем электрического поля. В качестве количественной меры электрического тока выступает сила тока $I$:

$I=\frac{\Delta q}{\Delta t}$

При условии неизменности силы тока и его направления, он будет называться постоянным. При этом возникновение постоянного электротока становится возможным только в замкнутой цепи. В различных точках такой цепи электрическое поле будет неизменным во времени.

Существование постоянного тока требует наличия в электрической цепи устройства, которое способно создавать и поддерживать на участках цепи разности потенциалов. Это происходит благодаря работе сил неэлектростатического происхождения.

Движение электрических зарядов под воздействием сторонних сил происходит внутри источника тока в противодействие силам электростатического поля. Благодаря этому в замкнутой цепи поддерживается постоянный электроток. При перемещающихся электрозарядах по цепи постоянного тока, воздействующие сторонние силы совершают работу. Электродвижущая сила источника (ЭДС) рассчитывается по формуле:

$\delta=\frac{A_ст}{q}$

ЭДС, таким образом, ЭДС определяется работой, которая совершается сторонними силами при перемещении положительного единичного заряда. Электродвижущая сила, подобно разности потенциалов, измеряется в вольтах(В).

Цепь постоянного тока возможно разбить на отдельные участки. Те участки, на которых сторонние силы не действуют (не содержащие источников тока), считаются однородными. Участки, которые включают источники тока, считаются неоднородными.

При условии перемещения единичного положительного заряда по определенному участку цепи, работа будет совершаться не только электростатическими (кулоновскими) силами, но и сторонними.

Работа электростатических сил характеризуется разностью потенциалов $\Delta ф_12=φ_1-φ_2$ между начальной (1) и конечной (2) точками на неоднородном участке.

Работа сторонних сил равнозначна электродвижущей силе $\delta_12$, которая действует на отдельном участке. Таким образом, полная работа определяется формулой:

$U_12=ф_1-ф_2+\delta_12$

Величину $U_12$ принято считать напряжением на участке цепи (1-2). В случае с однородным участком, напряжение будет определяться разностью потенциалов:

$U_12=ф_1-ф_2$

Сопротивление и закон Ома

В 1826 г. физик Г. Ом экспериментальным способом установил пропорциональность силы тока, текущего по однородному металлопроводнику, напряжению на его концах.

$I=\frac{1}{R}U$

$RI=U$

Величину $R$ называют в физике электрическим сопротивлением. Проводник с таким сопротивлением называется резистором. Вышеприведенная формула характеризует закон Ома при однородном участке цепи. Согласно этому закону, в проводнике сила тока будет прямо пропорциональной напряжению с обратной пропорциональностью сопротивлению проводника.

Проводники, которые подчиняются закону Ома, называют линейными. Графически зависимость силы тока и напряжения изображается в виде прямой линии через начало координат.

Многие устройства и материалы не подчиняются закону Ома. К таковым относятся:

• газоразрядная лампа;
• полупроводниковый диод.

Отклонение от закона Ома наблюдается и у металлических проводников при токах довольно большой силы. Это объясняется усилением электрического сопротивления при увеличении температуры. Данный закон для участка цепи с ЭДС записывается в такой форме:

$IR=U-12=ф_1-ф_2+\delta=\delta ф_12+\delta$

Это соотношение называется обобщенным (для неоднородного участка цепи).

Закон Ома для полной цепи

Для полной цепи закон Ома звучит так: сила тока в ней равнозначна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений в однородном и неоднородном участках.

Сопротивление для неоднородного участка характеризуется внутренним сопротивлением источника тока. Сила тока при коротком замыкании считается максимально возможной силой, которая может быть получена от данного источника с внутренним сопротивлением и электродвижущей силой.

При малом внутреннем сопротивлении ток короткого замыкания может оказаться очень большим, что спровоцирует разрушение источника или электрической цепи. У свинцовых аккумуляторов, например, задействованных в автомобилях, сила тока такого замыкания может составить несколько сотен ампер.

Особо опасными короткие замыкания будут в осветительных сетях, которые питаются от подстанций (тысячи ампер). Во избежание разрушительного воздействия таких токов в цепь включают специальные предохранители.

В определенных случаях с целью предотвращения опасности силы тока короткого замыкания, к источнику подсоединяют в последовательном порядке внешнее сопротивление. При разомкнутости внешней цепи, разность потенциалов на полюсах батареи равнозначна ее ЭДС.

В ситуации, если внешнее нагрузочное включено, а через батарею течет ток, на ее полюсах разность потенциалов определяется формулой:

$\Delta ф_ba=\delta-Ir$