Электрический ток. Закон Ома. Законы постоянного тока.

Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. За направление электрического тока принимают направленное движение положительных заряженных частиц. Однако в металлических проводниках ток создается движением электронов в направлении обратном току. Электрический ток может существовать в том случае, если существуют свободные носители зарядов. В металлах свободными носителями заряда являются электроны, в растворах и расплавах солей - ионы, в газах – ионы и электроны.

Отношение заряда Q, переносимого через поперечное сечение за единицу времени dt этому интервалу времени называется силой тока I.

Если сила тока со временем не изменяется, электрический ток называют постоянным.

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

l - длина проводника, S - площадь его поперечного сечения, r - удельное электрическое сопротивление вещества проводника.

Закон Ома в дифференциальной форме.

j - плотность тока; g=1/r - удельная проводимость или электропроводность вещества проводника; E – напряженность поля в проводнике.

Если известны величины зарядов положительных и отрицательных носителей q⁺ и q^-, их концентрации n⁺ и n^- и их скорости v⁺ и v^-, то плотность тока определяется следующим образом

.

Для металлов эта формула примет следующий вид

,

где e – заряд электрона, n – их концентрация, v – средняя скорость направленного движения.

Очевидно, для данного металла, плотность тока будет определятся средней скоростью движения зарядов, которая в свою очередь будет зависеть от температуры. Для жидкостей и газов с повышением температуры увеличивается и плотность тока, т.к. с ростом температуры увеличивается подвижность носителей зарядов и их концентрация. Для металлов повышение температуры приводит к раскачке узлов кристаллической решетки, что приводит к уменьшению скорости движения электронов, т.е. повышению удельного сопротивления металла. Для большинства металлов при температурах, близких к комнатной, удельное сопротивление r изменяется пропорционально абсолютной температуре T: .

При низкой температуре наблюдается отступление от этой закономерности (рис.1). В большинстве случаев зависимость r от T следует кривой 1. У некоторых металлов и сплавов при температуре порядка нескольких кельвин сопротивление скачком уменьшается до нуля (кривая 2). Это явление называется сверхпроводимостью. Т_k - критическая температура, при которой данный проводник переходит в сверхпроводящее состояние.

При последовательном соединении (рис.2) проводников суммарное соединение проводников определяется формулой

R_общ = R₁ + R₂ .

Для n одинаковых проводников

R_общ =n R .

При параллельном соединении проводников (рис.3) суммарное соединение проводников определяется формулой

или .

Для n одинаковых проводников