Постійний електричний струм.

План

1. Електричний струм. Сила струму. Густина струму.

2. Закон Ома для ділянки кола. Опір провідника.

3. Електричні кола. Послідовне і паралельне з'єднання провідників. Вимірювання сили струму і напруги.

4. Електрорушійна сила. Закон Ома для повного кола. Робота і потужність постійного струму. Закон Джоуля-Ленца.

5. Робота і потужність постійного струму

6. Правила Кірхгофа для розгалуженого кола.

7. Контактна різниця потенціалів Закони Вольта.

8. Термо — е. р.с.. Термопара. Ефект Пельтьє.

1. Електричний струм. Сила струму. Густина струму.

Електричним струмом називають упорядкований напрямлений рух заряджених частинок. Носіями зарядів під час проходження електричного струму можуть бути вільні електрони (електронна провідність) або іони (іонна провідність). Можлива також змішана провідність. За напрям струму умовно приймають напрям руху позитивних зарядів, хоча насправді в металах електричний струм зумовлений рухом електронів у напрямі, протилежному напряму струму.

Рух частинок у провіднику ми безпосередньо не бачимо. Але про наявність електричного струму можна зробити висновок за тими діями або явищами, якими він супроводиться.

По перше, провідник, по якому тече струм, нагрівається. По-друге, електричний струм може змінювати хімічний стан провідника. По-третє, струм чинить силову дію на сусідні струми і намагнічені тіла. Ця дія струму називається магнітною. Таким чином, електричний струм спричинює теплову, хімічну і магнітну дію.

Кількісними характеристиками електричного струму є сила струму, тобто заряд, що проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу:

І густина струму, що визначається зарядом, який проходить за одиницю часу через одиницю площі поперечного перерізу провідника, розташованого перпендикулярно до напряму струму:

Якщо сила струму з часом не змінюється, струм називають постійним.

У СІ одиницею сили струму є ампер (А) на честь французького вченого А. Ампера (1775—1836). Силу струму вимірюють за допомогою амперметра.

Треба відрізняти швидкість поширення вздовж провідника змін електричного поля, що дорівнює 300 000 км/с, і швидкість напрямленого руху в провіднику носіїв заряду, яка становить кілька міліметрів за секунду.

Сила струму в провіднику прямо пропорційна числу заряджених частинок, їх заряду , площі поперечного перерізу провідника і швидкості Їх напрямленого руху

Умовою існування електричного струму є наявність вільних заряджених частинок та електричного поля в провіднику, яке діє на ці частинки із силою і зумовлює їхній упорядкований рух. Напруженість поля в будь-якому перерізі провідника однакова за модулем і не залежить від його форми. Усередині провідника лінії напруженості Е паралельні поверхні провідника, поза ним — розташовані під кутом до його поверхні.

Для переміщення заряду ц по деякій ділянці провідника потрібно виконати певну роботу А. Напруга на даній ділянці чисельно дорівнює роботі по переміщенню одиничного заряду:

Напругу вимірюють за допомогою вольтметрів. Для того щоб на кінцях провідника підтримувалася стала різниця потенціалів (напруга) і по провіднику проходив постійний струм, потрібна дія сторонніх сил. Характеризує сторонні сили фізична величина, що називається електрорушійною силою (ЕРС). Вона дорівнює роботі сторонніх сил по переміщенню одиничного позитивного заряду в замкнутому електричному колі:

Напругу і ЕРС вимірюють у вольтах. Напруга на будь-якій ділянці кола, в якому діє ЕРС:

Де — різниця потенціалів на цій ділянці. Для ділянки однорідного кола, в якому відсутня ЕРС:

2. Закон Ома. Опір провідника.

На ділянці однорідного кола сила струму прямо пропорційна прикладеній напрузі і обернено пропорційна опору ділянки :

Величина Називається електропровідністю або провідністю провідника. Опір провідника залежить від його довжини, площі поперечного перерізу і властивостей матеріалу:

Де — питомий опір провідника, – довжина провідника [м], S – площа поперечного перерізу [м2]. Питомий опір чисельно дорівнює опору провідника, який має форму куба з ребром 1 м, якщо струм напрямлений уздовж нормалі до двох протилежних граней куба.

Величина називається питомою провідністю провідника. Опір вимірюють за допомогою омметрів.

У СІ одиницею опору є ом (Ом) на честь німецького вченого Г. С. Ома (1787—1854). Провідник має опір 1 Ом, якщо при різниці потенціалів 1 В сила струму в ньому 1 А. Питомий опір вимірюють в Ом-м.

Щоб змінювати опір кола, використовують спеціальні прилади, опір яких можна змінювати: реостати (важільні, опір яких змінюється стрибкоподібно, й повзункові ), магазині опорів.

Зі збільшенням температури опір більшості металів зростає. Однак опір манганіну, константану та деяких інших сплавів з підвищенням температури змінюється мало, а опір електролітів зменшується.

Температурним коефіцієнтом опору називається відношення зміни опору провідника при нагріванні на 10С до його опору при 00С:

Оскільки майже не залежить від температури, питомий опір пропорційний температурі:

Для чистих металів . У загальному випадку змінюється з температурою. Залежність опору провідників від температури використовують у термометрах опору.

3. Електричні кола. Послідовне і паралельне з'єднання провідників. Вимірювання сили струму і напруги.

Від джерела струму енергія передається по проводах до установок, які її використовують: електричної лампочки, радіоприймача і т. д. Для цього складають різні електричні кола. Електричне коло складається з джерела енергії, установок, що використовують електричну енергію, з'єднувальних проводів і вимикачів для замикання кола. Часто в електричне коло вмикають прилади, що контролюють силу струму і напругу в різних частинах кола,— амперметри й вольтметри.

Найпоширенішими й найпростішими типами з'єднання провідників є послідовне й паралельне з'єднання.

Послідовне з'єднання провідників. При послідовному з'єднанні електричне коло не має розгалужень. Усі провідники ввімкнено в коло по черзі, один за одним. На рисунку 1 показано послідовне з'єднання провідників з опорами 1,2,. Це можуть бути дві лампи, дві обмотки електродвигуна тощо.

Сила струму в обох провідниках однакова: оскільки в провідниках під час проходження постійного струму електричний заряд не нагромаджується і через будь-який переріз провідника за певний інтервал часу проходить один і той самий заряд.

Рис.1

Напруга (або різниця потенціалів) на кінцях розглядуваного кола складається з напруг на першому й на -ому провідниках:

Застосувавши закон Ома для всього кола і для ділянок з опорами 1,2, можна довести, що повний опір при послідовному з'єднанні дорівнює:

Напруга на провідниках і їхні опори при послідовному з'єднанні пов'язані співвідношенням:

Паралельне з'єднання провідників. На рисунку 2 показано паралельне з'єднання провідників з опорами 1,2,. У цьому випадку електричний струм розгалужується на частин. Силу струму в першому і -ому провідниках позначимо через . Оскільки в точці — розгалуженні провідників (таку точку називають вузлом) — електричний заряд не нагромаджується, то заряд, що надходить за одиницю часу у вузол, дорівнює заряду, що виходить з вузла за той самий час. Отже,

Напруга на кінцях провідників, з'єднаних паралельно, однакова: .

Рис.2

В освітлювальній мережі підтримується напруга 220 або 127 В. На цю напругу розраховані прилади, що використовують електричну енергію. Тому паралельне з'єднання — найпоширеніший спосіб з'єднання різних споживачів. У цьому випадку вихід з ладу одного приладу не позначається на роботі інших, тоді як при послідовному з'єднанні вихід з ладу одного приладу розмикає все коло.

Застосовуючи закон Ома для ділянок кола з опорами 1,2,, можна довести, що величина, обернена повному опору ділянки, дорівнює сумі величин, обернених опорам окремих провідників:

Звідси виходить, що для двох провідників загальний опір дорівнює: , для однакових провідників , де — число провідників з’єднаних паралельно.

Сили струму в провідниках і їхні опори при паралельному з'єднанні пов'язані співвідношенням: