Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный социально-экономическийуниверситет
Марксовский филиал
Кафедра общих гуманитарных дисциплин
РЕФЕРАТ
По «Физике»на тему: «Электрический ток. Закон Ома»
Студента 2 курса
Специальность: «Эуп пп»
Проверила: СтариковаН.Н.
Маркс – 2010
Электрическийток. Закон Ома
Еслиизолированный проводник поместить в электрическое поле />то на свободные заряды q в проводнике будет действовать сила />В результате в проводникевозникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процессзакончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших наповерхности проводника, скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующееэлектростатическое поле внутри проводника будет равно нулю (см. § 1.5).
Однако, впроводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывноеупорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такоедвижение называется />электрическим током.За направление электрического тока принято направление движения положительныхсвободных зарядов. Для существования электрического тока в проводникенеобходимо создать в нем электрическое поле.
Количественноймерой электрического тока служит />сила тока I – скалярная физическая величина, равнаяотношению заряда Δq,переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 1.8.1) за интервалвремени Δt, к этому интервалувремени:
Если силатока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется />постоянным.
/>
Рисунок1.8.1.
Упорядоченное движениеэлектронов в металлическом проводнике и ток I. S – площадь поперечного сечения проводника, />– электрическое поле
ВМеждународной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А). Единицаизмерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двухпараллельных проводников с током (см. § 1.16).
Постоянныйэлектрический ток может быть создан только в />замкнутойцепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутымтраекториям. Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно вовремени. Следовательно, электрическое поле в цепи постоянного тока имеетхарактер замороженного электростатического поля. Но при перемещенииэлектрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работаэлектрических сил равна нулю (см. § 1.4). Поэтому для существования постоянноготока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать иподдерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройстваназываются />источниками постоянного тока.Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носителизаряда со стороны источников тока, называются />стороннимисилами.
Природасторонних сил может быть различной. В гальванических элементах илиаккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, вгенераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводниковв магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что инасос, который необходим для перекачивания жидкости в замкнутой гидравлическойсистеме. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутриисточника тока против сил электростатического поля,благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрическийток.
Приперемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы,действующие внутри источников тока, совершают работу.
Физическая величина, равная отношению работы Aст сторонних сил при перемещении зарядаq от отрицательногополюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется />электродвижущейсилой источника (ЭДС):
/>
Такимобразом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами приперемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как иразность потенциалов, измеряется в вольтах (В).
Приперемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного токаработа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работаэлектростатического поля равна нулю.
Цепьпостоянного тока можно разбить на отдельные участки. Те участки, на которых недействуют сторонние силы (т. е. участки, не содержащие источников тока),называются />однородными. Участки,включающие источники тока, называются />неоднородными.
Приперемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работусовершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы. Работаэлектростатических сил равна разности потенциалов Δφ12 = φ1– φ2 между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородногоучастка. Работа сторонних сил равна по определению электродвижущей силе />12,действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна
U12 = φ1 – φ2+ />12.
Величину U12 принято называть />напряжениемна участке цепи 1–2. В случае однородного участка напряжение равно разностипотенциалов:
U12 = φ1 – φ2.
Немецкийфизик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е.проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:
/>
где R = const.
Величину R принято называть />электрическимсопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением,называется />резистором. Данноесоотношение выражает />закон Ома для однородногоучастка цепи: сила тока в проводнике прямопропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлениюпроводника.
В СИ единицейэлектрического сопротивления проводников служит />ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, вкотором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.
Проводники,подчиняющиеся закону Ома, называются />линейными.Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются />вольт-ампернымихарактеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящейчерез начало координат. Следует отметить, что существует много материалов иустройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод илигазоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при токах достаточнобольшой силы наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так какэлектрическое сопротивление металлических проводников растет с ростомтемпературы.
Для участкацепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующей форме:
IR = U12= φ1 – φ2 + /> = Δφ12+ />.
Этосоотношение принято называть />обобщенным закономОма или />законом Ома для неоднородногоучастка цепи.
На рис. 1.8.2изображена замкнутая цепь постоянного тока. Участок цепи (cd)является однородным.
/>
Рисунок1.8.2.
Цепь постоянного тока
По закону Ома
IR = Δφcd.
Участок (ab) содержит источник тока с ЭДС, равной />.
По закону Омадля неоднородного участка,
Ir = Δφab + />.
Сложив обаравенства, получим:
I (R + r) = Δφcd + Δφab + />.
НоΔφcd = Δφba= – Δφab. Поэтому
/>
Эта формулавыражет />закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленнойна сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.
Сопротивлениеr неоднородного участка на рис. 1.8.2 можно рассматриватькак />внутреннее сопротивление источника тока.В этом случае участок (ab) на рис. 1.8.2 являетсявнутренним участком источника. Если точки a и b замкнуть проводником, сопротивление которого мало по сравнениюс внутренним сопротивлением источника (R токкороткого замыкания
/>
Сила токакороткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данногоисточника с электродвижущей силой />и внутреннимсопротивлением r. У источников с малым внутреннимсопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик и вызыватьразрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовыхаккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания можетсоставлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания восветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежатьразрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранителиили специальные автоматы защиты сетей.
В рядеслучаев для предотвращения опасных значений силы тока короткого замыкания кисточнику последовательно подсоединяется некоторое внешнее сопротивление. Тогдасопротивление r равно сумме внутреннего сопротивленияисточника и внешнего сопротивления, и при коротком замыкании сила тока неокажется чрезмерно большой.
Если внешняяцепь разомкнута, то Δφba = – Δφab = />, т. е. разностьпотенциалов на полюсах разомкнутой батареи равна ее ЭДС.
Если внешнеенагрузочное сопротивление R включено и через батареюпротекает ток I, разность потенциалов на ее полюсахстановится равной
Δφba = /> – Ir.
На рис. 1.8.3дано схематическое изображение источника постоянного тока с ЭДС равной />ивнутренним сопротивлением r в трех режимах: «холостой ход»,работа на нагрузку и режим короткого замыкания (к. з.). Указаны напряженность />электрическогополя внутри батареи и силы, действующие на положительные заряды: />– электрическая сила и />– сторонняясила. В режиме короткого замыкания электрическое поле внутри батареи исчезает.
/>
Рисунок1.8.3.
Схематическое изображениеисточника постоянного тока: 1 – батарея разомкнута; 2 – батарея замкнута навнешнее сопротивление R; 3 – режим короткого замыкания
Для измерениянапряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используютсяспециальные приборы – вольтметры и амперметры.
/>Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложеннойк его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи,на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметробладает некоторым внутренним сопротивлением RB.Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов приподключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть великопо сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Дляцепи, изображенной на рис. 1.8.4, это условие записывается в виде:
RB >> R1.
Это условиеозначает, что ток IB = Δφcd / RB, протекающийчерез вольтметр, много меньше тока I = Δφcd / R1, которыйпротекает по тестируемому участку цепи.
Посколькувнутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на егоклеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, чтовольтметр измеряет напряжение.
/>Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметрвключается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через негопроходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутреннимсопротивлением RA. В отличие от вольтметра,внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению сполным сопротивлением всей цепи. Для цепи на рис. 1.8.4 сопротивлениеамперметра должно удовлетворять условию
RA
чтобы привключении амперметра ток в цепи не изменялся.
Измерительныеприборы – вольтметры и амперметры – бывают двух видов: стрелочные (аналоговые)и цифровые. Цифровые электроизмерительные приборы представляют собой сложныеэлектронные устройства. Обычно цифровые приборы обеспечивают более высокуюточность измерений.
/>
Рисунок1.8.4.
Включение амперметра (А)и вольтметра (В) в электрическую цепьПоследовательноеи параллельное соединение проводников
Проводники вэлектрических цепях могут соединяться последовательно и параллельно.
При последовательном соединении проводников (рис. 1.9.1) сила тока во всех проводникаходинакова:
I1 = I2 = I.
/>
Рисунок1.9.1.
Последовательноесоединение проводников
По законуОма, напряжения U1 и U2на проводниках равны
U1 = IR1, U2 = IR2.
Общеенапряжение U на обоих проводниках равно сумме напряжений U1 и U2:
U = U1 + U2 = I(R1 + R2) = IR,
где R – электрическое сопротивление всей цепи. Отсюда следует:
R = R1+ R2.
При последовательном соединении полное сопротивление цепи равно суммесопротивлений отдельных проводников.
Этотрезультат справедлив для любого числа последовательно соединенных проводников.
При параллельном соединении (рис. 1.9.2) напряжения U1 иU2 на обоих проводниках одинаковы:
U1 = U2 = U.
Сумма токов I1 + I2, протекающихпо обоим проводникам, равна току в неразветвленной цепи:
I = I1 + I2.
Этотрезультат следует из того, что в точках разветвления токов (узлы Aи B) в цепи постоянного тока не могут накапливатьсязаряды. Например, к узлу A за время Δtподтекает заряд IΔt, а утекаетот узла за то же время заряд I1Δt + I2Δt.Следовательно, I = I1 + I2.
/>
Рисунок1.9.2.
Параллельное соединениепроводников
Записывая наосновании закона Ома
/>
где R – электрическое сопротивление всей цепи, получим
/>
При параллельном соединении проводников величина, обратная общемусопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельновключенных проводников.
Этотрезультат справедлив для любого числа параллельно включенных проводников.
Формулы дляпоследовательного и параллельного соединения проводников позволяют во многихслучаях рассчитывать сопротивление сложной цепи, состоящей из многихрезисторов. На рис. 1.9.3 приведен пример такой сложной цепи и указанапоследовательность вычислений.
/>
Рисунок1.9.3.
Расчет сопротивлениясложной цепи. Сопротивления всех проводников указаны в омах (Ом)
Следуетотметить, что далеко не все сложные цепи, состоящие из проводников с различнымисопротивлениями, могут быть рассчитаны с помощью формул для последовательного ипараллельного соединения. На рис. 1.9.4 приведен пример электрической цепи,которую нельзя рассчитать указанным выше методом.
/>
Рисунок1.9.4.
Пример электрическойцепи, которая не сводится к комбинации последовательно и параллельносоединенных проводников
Цепи,подобные изображенной на рис. 1.9.4, а также цепи с разветвлениями, содержащиенесколько источников, рассчитываются с помощью правил Кирхгофа.