Главная страница Случайная страница
Разделы сайта
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Конденсатор — двухполюсник с определённым или переменным значением ёмкости и малой проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.
|
|
Электродвижущая сила (ЭДС) — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура. Единицей ЭДС, как и напряжения является вольт. Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Электродвижущая сила гальванического элемента численно равна работе сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от отрицательного его полюса к положительному. Знак ЭДС определяется в зависимости от произвольно выбранного направления обхода того участка цепи, на котором включен данный источник тока.
[ 
] Удельной теплоёмкостью(с) называется теплоёмкость, отнесённая к единичному количеству вещества c= -удельной теплоёмкостью Q=mc*Δ T Кол-во теплоты сообщаемое системе или отдаваемое системой равно произведению массы в-ва на его удельную теплоемкость. 1)Нагревание Δ T> 0; Q> 0 2)Охлаждение Δ T< 0; Q< 0 С=4200 
Рассмотрим применение первого начала термодинамики к изопроцессам. 1) Изотермический процесс.
T=const Δ U=0 Q= Δ U+A=> Q= A
При изотермическом процессе всё кол-во теплоты, сообщаемое системе идет на совершение системой работы над внешними телами. 2)Изохорный процесс (закон Шарля)
V=const A=0 Q= Δ U+A=> Q= Δ U При изохорном процессе всё кол-во теплоты, сообщаемое системе идет на изменение её внутренней энергии.
Изохорный (изохорический) процесс — термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном объеме.
Изохорный процесс можно осуществить в газах и жидкостях, заключенных в сосуд с постоянным объемом.
При изохорном процессе объем газа не меняется (Δ V= 0), и, согласно первому началу термодинамики 
,
Δ U = Q,
т. е. изменение внутренней энергии равно количеству переданного тепла, т. к. работа (А = рΔ V=0) газом не совершается. Если газ нагревается, то Q > 0 и Δ U > 0, его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении газа Q < 0 и Δ U < 0, внутренняя энергия уменьшается.
Изотермический процесс.
Изотермический процесс графически изображается изотермой.
Изотермический процесс — это термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянной температуре. Поскольку при изотермическом процессе внутренняя энергия газа не меняется, см. формулу, (Т = const), то все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы:
Q = A', При получении газом теплоты ( Q> 0 ) он совершает положительную работу ( A' > 0 ). Если газ отдает тепло окружающей среде Q < 0 и A' < 0. В этом случае над газом совершается работа внешними силами. Для внешних сил работа положительна. Геометрически работа при изотермическом процессе определяется площадью под кривой p(V).
Изобарный процесс.
Изобарный процесс на термодинамической диаграмме изображается изобарой.
Изобарный (изобарический) процесс — термодинамический процесс, происходящий в системе с постоянным давлением р.
Примером изобарного процесса является расширение газа в цилиндре со свободно ходящим нагруженным поршнем.
При изобарном процессе, согласно формуле 
, передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии Δ U и на совершение им работы A' при постоянном давлении:
Q = Δ U + A'. Работа идеального газа определяется по графику зависимости p(V) для изобарного процесса (A' = pΔ V).
Для идеального газа при изобарном процессе объем пропорционален температуре, в реальных газах часть теплоты расходуется на изменение средней энергии взаимодействия частиц.
Адиабатический процесс.
Адиабатический процесс (адиабатный процесс) — это термодинамический процесс, происходящий в системе без теплообмена с окружающей средой (Q = 0).
Адиабатическая изоляция системы приближенно достигается в сосудах Дьюара, в так называемых адиабатных оболочках. На адиабатически изолированную систему не оказывает влияния изменение температуры окружающих тел. Ее внутренняя энергия U может меняться только за счет работы, совершаемой внешними телами над системой, или самой системой.
Согласно первому началу термодинамики (Δ U = А + Q), в адиабатной системе
Δ U = A, где A — работа внешних сил.
При адиабатном расширении газа А < 0. Следовательно,
,
что означает уменьшение температуры при адиабатном расширении. Оно приводит к тому, что давление газа уменьшается более резко, чем при изотермическом процессе. На рисунке ниже адиабата 1-2, проходящая между двумя изотермами, наглядно иллюстрирует сказанное. Площадь под адиабатой численно равна работе, совершаемой газом при его адиабатическом расширении от объема V1, до V2.
Адиабатное сжатие приводит к повышению температуры газа, т. к. в результате упругих соударений молекул газа с поршнем их средняя кинетическая энергия возрастает, в отличие от расширения, когда она уменьшается (в первом случае скорости молекул газа увеличиваются, во втором — уменьшаются).
Резкое нагревание воздуха при адиабатическом сжатии используется в двигателях Дизеля.
Уравнение теплового баланса.
В замкнутой (изолированной от внешних тел) термодинамической системе изменение внутренней энергии какого-либо тела системы Δ U1 не может приводить к изменению внутренней энергии всей системы. Следовательно,
Если внутри системы не совершается работа никакими телами, то, согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии любого тела происходит только за счет обмена теплом с другими телами этой системы: Δ Ui = Qi. Учитывая 
, получим:
, Это уравнение называется уравнением теплового баланса. Здесь Qi - количество теплоты, полученное или отданное i -ым телом. Любое из количеств теплоты Qi может означать теплоту, выделяемую или поглощаемому при плавлении какого-либо тела, сгорании топлива, испарении или конденсации пара, если такие процессы происходят с различными телами системы, и будут определятся соответствующими соотношениями.
Уравнение теплового баланса является математическим выражением закона сохранения энергии при теплообмене.
Тепловой машиной называется периодический действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла.
Любая тепловая машина работает по принципу кругового (циклического) процесса, т.е. возвращается в исходное состояние (рис. 5.1). Но чтобы при этом была совершена полезная работа, возврат должен быть произведен с наименьшими затратами.
Полезная работа равна разности работ расширения и сжатия, т.е. равна площади, ограниченной замкнутой кривой. Обязательными частями тепловой машины являются нагреватель (источник энергии), холодильник, рабочее тело (газ, пар). Зачем холодильник? Так как в тепловой машине реализуется круговой процесс, то вернуться в исходное состояние можно с меньшими затратами, если отдать часть тепла. Или если охладить пар, то его легче сжать, следовательно работа сжатия будет меньше работы расширения. Поэтому в тепловых машинах используется холодильник.
Рис. 5.3
Прямой цикл используется в тепловом двигателе – периодически действующей тепловой машине, совершающей работу за счет полученной извне теплоты. Рассмотрим схему теплового двигателя (рис. 5.3). От термостата с более высокой температурой Т1, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q1, а термостату с более низкой температурой Т2, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q2 и совершается работа A:
 .
| (5.2.1) |
Обратный цикл используется в холодильных машинах – периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой. Принцип действия холодильной машины представлен на рисунке 5.4. Системой за цикл поглощается при низкой температуре T2 количество теплоты Q2 и отдается при более высокой температуре Т1 количество теплоты Q1 за счет работы внешних сил А.
Впервые наиболее совершенный циклический процесс был предложен французским физиком и инженером Сади Карно в 1824 г. Карно прожил короткую жизнь – всего 36 лет, но оставил в науке яркий след и пример плодотворного взаимного влияния науки и техники. В своем труде " Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу" Сади Карно заложил основы теории тепловых машин.
Рассмотрим цикл Карно подробнее. Пусть газ, занимающий объем V1 и имеющий температуру Т1 (температура нагревателя), приводится в тепловой контакт с нагревателем и получает возможность изотермически расширяться и совершать работу. Газ получает при этом от нагревателя некоторое количество теплоты Q1. Этот процесс представлен на рис. 4.14а изотермой ab..
    Рис. 4.14
|
Далее газ должен быть сжат, но, как уже было отмечено, при более низкой температуре, то есть изотерма сжатия должна быть ниже изотермы расширения. Только в этом случае работа расширения будет больше работы сжатия. Но мы помним, что газ не следует охлаждать соприкосновением с более холодным телом, чтобы исключить теплопередачу без совершения работы.
Сади Карно писал: " В телах, употребляемых для развития движущей силы тепла, не должно быть ни одного изменения температуры, происходящего не от изменения объема". Другими словами, температура рабочего тела не должна изменяться без совершения работы. Значит, остается единственная возможность – охлаждать газ, предоставив ему возможность адиабатически расширяться. Поэтому изотермический процесс расширения не доводят до конца хода поршня в цилиндре. Когда объем газа становится равным 
, дно цилиндра изолируют от нагревателя; после этого газ адиабатно расширяется до объема 
, соответствующего максимальному ходу поршня в цилиндре (рис. 4.14б, криваяbc). При этом газ охлаждается до температуры Т2. Теперь охлажденный газ можно изотермически сжимать при температуре Т2. Для этого его нужно привести в контакт с телом, имеющим ту же температуру Т2 (холодильник), и сжимать газ внешней силой. Однако в этом процессе газ никогда не вернется в начальное состояние – температура его Т2 будет все время ниже Т1. Поэтому изотермическое сжатие доводят до некоторого промежуточного объема (рис. 4.14в, криваяcd). В процессе изотермического сжатия газ отдает холодильнику некоторое количество теплоты Q2, равное совершаемой над ним работе сжатия. После этого газ подвергают адиабатическому сжатию, в ходе которого его температура повышается до значения Т1 (рис. 4.14г, кривая da). После завершения цикла газ вернулся в первоначальное состояние (объем V1, температура Т1) и цикл можно повторить.
Итак, на участке abc газ совершает работу (A > 0), а на участке cda работа совершается над газом (A < 0). На участках bc и da работа совершается только за счет изменения внутренней энергии газа. Так как 
, то и 
. Таким образом, полная работа за цикл определяется разностью работ на участках ab и cd. Численно эта работа равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла abcda.
На участке ab газ получает от нагревателя количество теплоты Q1, а на участке cd он непременно должен отдать холодильнику теплоту Q2, следовательно, в полезную работу преобразуется только часть полученной газом теплоты, равная Q1 – Q2, и к.п.д. цикла равен:
 .
| (4.40) |
Итак, цикл Карно на всех стадиях процесса был проведен таким образом, что нигде не было соприкосновения тел с различной температурой. Это исключало возможность теплопередачи без совершения работы, то есть исключало переход беспорядочного движения молекул одного тела в беспорядочное движение молекул других тел. Именно по этой причине идеальный обратимый цикл Карно характеризуется наибольшим значением к.п.д. в заданном интервале температур нагревателя и холодильника. По сути дела, к.п.д. цикла Карно определяет теоретический предел возможных значений к.п.д. тепловой машины для данного температурного интервала.
Как показал С. Карно, к.п.д. предложенного им цикла может быть выражен через температуры нагревателя Т1 и холодильника Т2. Он оказывается равным
 .
| (4.41) |
В реальных двигателях не удается осуществить цикл, состоящий из идеальных изотерм и адиабат. Дело в том, что процессы в двигателях происходят быстро, и изотермичность процессов нарушается – понижение температуры в результате элементарного расширения " не успевает" скомпенсироваться повышением температуры за счет контакта с нагревателем. Кроме того, материалы, из которых изготавливаются стенки цилиндра и поршень, не являются идеальными изоляторами и по этой причине нарушается адиабатичность процессов. Поэтому к.п.д. реальных циклов всегда ниже, чем к.п.д. идеального цикла Карно.
Вместе с тем рассмотрение идеального цикла Карно имеет большое значение, поскольку указывает пути повышения к.п.д. тепловых двигателей. Из формулы (4.41) видно, что к.п.д. двигателей тем больше, чем выше температура нагревателя и чем ниже температура холодильника.
В современных двигателях к.п.д. обычно увеличивают за счет повышения температуры нагревателя. В мощных паровых турбинах в настоящее время используется пар, температура которого достигает 600º С. В газовых турбинах температура газа достигает 900º С. Дальнейшее повышение температуры нагревателя ограничивается жаростойкостью используемых материалов.
|
а основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:
Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:
|
Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: 
Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.
Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.
Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).
Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения.
Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:
|
где 
– электрическая постоянная.
В системе СИ элементарный заряд e равен:
| e = 1, 602177·10–19 Кл ≈ 1, 6·10–19 Кл. |
Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.
Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.
Электрическое поле – возникает вокруг любых зарядов или заряженных тел и действует на заряды или заряженные тела.
Напряженность- это силовая характеристика электрического поля.
Напряженность равна силе, действующей со стороны поля на единичный положительный заряд, в данной точке поля.
– заряд на который действует сила.
– диэлектрическая проницаемость вещества, показывает во сколько раз электрическое поле в веществе отличается от поля в вакууме.
Графически электрическое поле изображается с помощью линий напряженности. Они направлены от плюса к минусу. Для того чтобы нарисовать электрическое поле представим что вокруг находится большое количество зарядов. Линии напряженности рисуем соединяя первоначальный заряд с этими зарядами.
| |||
| |||
потенциал электростатического поля и разность потенциалов
В механике взаимное действие тел друг на друга характеризуют силой и потенциальной энергией. Электростатическое поле, осуществляющее взаимодействие между зарядами, также характеризуют двумя величинами. Напряженность поля - это силовая характеристика. Теперь введем энергетическую характеристику - потенциал. Потенциал поля. Работа любого электростатического поля при перемещении в нем заряженного тела из одной точки в другую также не зависит от формы траектории, как и работа однородного поля. На замкнутой траектории работа электростатического поля всегда равна нулю. Поля, обладающие таким свойством, называют потенциальными. Потенциальный характер, в частности, имеет электростатическое поле точечного заряда. Работу потенциального поля можно выразить через изменение потенциальной энергии. Формула  справедлива для любого электростатического поля. Но только в случае однородного поля потенциальная энергия выражается формулой (14.14). Потенциал. Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле пропорциональна заряду. Это справедливо как для однородного поля (см. формулу (14.14)), так и для неоднородного. Следовательно, отношение потенциальной энергии к заряду не зависит от помещенного в поле заряда. Это позволяет ввести новую количественную характеристику поля - потенциал, не зависящую от заряда, помещенного в поле. Для определения значения потенциальной энергии, как мы знаем, необходимо выбрать нулевой уровень ее отсчета. При определении потенциала поля, созданного системой зарядов, предполагается, что потенциал в бесконечно удаленной точке поля равен нулю. Потенциалом точки электростатического поля называют отношение потенциальной энергии заряда, помещенного в данную точку, к этому заряду. Согласно данному определению потенциал равен:
Напряженность поля  - векторная величина. Она представляет собой силовую характеристику поля, которая определяет силу, действующую на заряд  в данной точке поля. А потенциал  - скаляр, это энергетическая характеристика поля; он определяет потенциальную энергию заряда  в данной точке поля. Если в примере с двумя заряженными пластинами в качестве точки с нулевым потенциалом выбрать точку на отрицательно заряженной пластине (см. рис.14.26), то согласно формулам (14.14) и (14.15) потенциал однородного поля равен:
Разность потенциалов. Подобно потенциальной энергии, значение потенциала в данной точке зависит от выбора нулевого уровня для отсчета потенциала, т. е. от выбора точки, потенциал которой принимается равным нулю. Изменение потенциала не зависит от выбора нулевого уровня отсчета потенциала. Так как потенциальная энергия  , то работа сил поля равна:
Здесь
- разность потенциалов, т. е. разность значений потенциала в начальной и конечной точках траектории. Разность потенциалов называют также напряжением. Согласно формулам (14.17) и (14.18) разность потенциалов между двумя точками оказывается равной:
Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками равна отношению работы поля при перемещении положительного заряда из начальной точки в конечную к величине этого заряда. Если за нулевой уровень отсчета потенциала принять потенциал бесконечно удаленной точки поля, то потенциал в данной точке равен отношению работы электростатических сил по перемещению положительного заряда из данной точки в бесконечность к этому заряду. Единица разности потенциалов. Единицу разности потенциалов устанавливают с помощью формулы (14.19). В Международной системе единиц работу выражают в джоулях, а заряд - в кулонах. Поэтому разность потенциалов между двумя точками численно равна единице, если при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки в другую электрическое поле совершает работу в 1 Дж. Эту единицу называют вольтом (В); 1 В = 1 Дж/1 Кл. Энергетическую характеристику электростатического поля называют потенциалом. Потенциал данной точки поля равен отношению потенциальной энергии заряда, помещенного в эту точку в поле, к заряду. Разность потенциалов между двумя точками численно равна работе сил поля по перемещению единичного заряда между этими точками.
|
Индуцированные заряды проводника создают добавочное электрическое поле, направление которого противоположно внешнему полю.
Результирующее электрическое поле внутри проводника уменьшается, а вместе с ним уменьшаются силы, действующие на перераспределение зарядов. Движение зарядов в проводнике прекратится, когда напряженность поля, вызванного индуцированными зарядами проводника ξ вн, станет равной напряженности внешнего поля ξ вп, а результирующая напряженность поля внутри проводника будет равна нулю.
Как было указано выше, диэлектрик отличается от проводника отсутствием свободных электронов (точнее, весьма малым количеством свободных электронов). Электроны атомов диэлектрика прочно связаны с ядром атома.
Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, так же как и проводник, электризуется через влияние. Однако между электризацией проводника и диэлектрика имеется существенная разница. Если в проводнике под влиянием сил электрического поля свободные электроны передвигаются по всему объему проводника, то в диэлектрике свободного перемещения электрических зарядов произойти не может. Но в пределах каждой молекулы диэлектрика возникает смещение положительного заряда вдоль направления электрического поля и отрицательного заряда в обратном направлении. В результате на поверхности диэлектрика возникнут электрические заряды.
Рассматриваемое явление называется поляризацией диэлектрика.
Различают диэлектрики двух классов. У диэлектриков Первого класса молекула в нейтральном состоянии имеет положительный и отрицательный заряды, настолько близко расположенные один к другому, что действие их взаимно компенсируется.(Под влиянием электрического поля положительные и отрицательные заряды в пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя диполь [1] (рис. 13).
У диэлектриков второго класса молекулы и в отсутствие электрического поля образуют диполи. Такие диэлектрики называются полярными.
К ним относятся вода, аммиак, эфир, ацетон и т. д. У таких диэлектриков при отсутствии электрического поля диполи в пространстве расположены хаотически, и вследствие этого результирующее электрическое поле вокруг полярного диэлектрика равно нулю. Под действием внешнего электрического поля молекулы (а стало быть, и диполи) стремятся повернуться так, чтобы их оси совпали с направлением внешнего поля. С устранением электрического поля поляризация диэлектрика исчезает. Таким образом, поляризация представляет собой упругое смещение электрических зарядов в веществе диэлектрика.
При некоторой определенной величине напряженности электрического поля смещение зарядов достигает предельной величины, после чего происходит разрушение — пробой диэлектрика, в результате которого диэлектрик теряет свои изолирующие свойства и становится токопроводящим.
Напряженность электрического поля, при которой наступает пробой диэлектрика, называется пробивной напряженностью ξ пр. Напряженность поля, допускаемая при работе диэлектрика ξ доп, должна быть меньше пробивной напряженности. Отношение
называется запасом прочности.
Приведем значения пробивной напряженности (в кв/мм) для некоторых диэлектриков:
Воздух......................... 3 Электрокартон............ 9—14
Мрамор....................... 3—4 Стекло.............................. 10—40
Фарфор....................... 6—7, 5 Слюда.............................. 80—200
где 
— заряд, 
— потенциал проводника.
Ёмкость определяется геометрическими размерами и формой проводника и электрическими свойствами окружающей среды (её диэлектрической проницаемостью) и не зависит от материала проводника. К примеру, ёмкость проводящего шара (или сферы) радиуса R равна (в системе СИ):
где ε 0 — электрическая постоянная, равная 8, 854·10− 12 Ф/м, ε r — относительная диэлектрическая проницаемость.
Понятие ёмкости также относится к системе проводников, в частности, к системе двух проводников, разделённыхдиэлектриком или вакуумом, — к конденсатору. В этом случае ёмкость (взаимная ёмкость) этих проводников (обкладок конденсатора) будет равна отношению заряда, накопленного конденсатором, к разности потенциалов между обкладками. Для плоского конденсатора ёмкость равна:
где S — площадь одной обкладки (подразумевается, что обкладки одинаковы), d — расстояние между обкладками, ε r — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладкам
Конденсатор — двухполюсник с определённым или переменным значением ёмкости и малой проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.
Конденсатор – один из самых распространённых радиоэлементов. Роль конденсатора в электронной схеме заключается в накоплении электрического заряда, разделения постоянной и переменной составляющей тока, фильтрации пульсирующего тока и многое другое.
Конструктивно конденсатор состоит из двух проводящих обкладок, изолированных диэлектриком. В зависимости от конструкции и назначения конденсатора диэлектриком может служить воздух, бумага, керамика, слюда.
Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течёт, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора, замыкаясь так называемым током смещения.
q, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени t, к этому промежутку времени.
Единицей силы тока в СИ является ампер (А).
Если сила тока и его направление со временем не изменяются, то ток называетсяпостоянным.
Единица силы тока — основная единица в СИ 1 А — есть сила такого неизменяющегося тока, который, проходя по двум бесконечно длинным параллельным прямолинейным проводникам очень маленького сечения, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает силу взаимодействия между ними 2·10-7 Н на каждый метр длины проводников.
Рассмотрим, как зависит сила тока от скорости упорядоченного движения свободных зарядов.
Выделим участок проводника площадью сечения S и длиной l (рис. 1). Заряд каждой частицы q0. В объеме проводника, ограниченном сечениями 1 и 2, содержится nS l частиц, где n — концентрация частиц. Их общий заряд
.
Рис. 1
Если средняя скорость упорядоченного движения свободных зарядов 
, то за промежуток времени
все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через сечение 2. Поэтому сила тока:
Таким образом, сила тока в проводнике зависит от заряда, переносимого одной частицей, их концентрации, средней скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника.
Заметим, что в металлах модуль вектора средней скорости упорядоченного движения электронов при максимально допустимых значениях силы тока ~ 10-4 м/с, в то время как средняя скорость их теплового движения ~ 106 м/с.
Плотность тока j — это векторная физическая величина, модуль которой определяется отношением силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника, т.е.
В СИ единицей плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м2).
Как следует из формулы (1),
.
направление вектора плотности тока 
совпадает с направлением вектора скорости упорядоченного движения 
положительно заряженных частиц. Плотность постоянного тока постоянна по всему поперечному сечению проводни
Для возникновения тока необходимо наличие электрической цепи.
Электрическая цепь – это состоящий из проводников замкнутый путь для тока.
Для поддержания тока в цепи нужен источник электрической энергии. Источником электрической энергии может быть батарея электрических элементов (химических источников тока) или генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую. В роли приёмников электрической энергии могут выступать резисторы (реостаты), электрические лампочки, электролитические ванны, электродвигатели и ещё многие устройства, которые преобразуют электроэнергию в другие виды энергии. Количественной характеристикой электрического тока является сила тока.
Силой тока называют величину I, численно равную заряду Δ q, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени:
I =∆ q/∆ t (2.1)
Если сила и направление тока не меняются со временем, то сила тока равна:
I = q / t (2.2)
Где q – заряд, который переносится через поперечное сечение проводника за время t. Единица силы тока ампер (А). При токе в 1 А через полное сечение проводника за 1 с проходит заряд 1 Кл (кулон). Более мелкие единицы:
1мА = 10ˉ ³ А (миллиампер)
1мкА = 
А (микроампер) 
Более крупная единица:
1кА = 10³ А (килоампер)
Посмотрим, какие силы тока встречаются на практике. Человек начинает ощущать проходящий через его тело ток, когда сила тока достигает 5мА. Ток силой 50мА опасен для жизни. Сила тока в лампочках накаливания 0, 2 –1А (зависит от мощности лампы), в утюгах и электрокаминах 5 – 8А, в электродвигателях трамваев и троллейбусов свыше 100А. Для количественной оценки электрического тока используют также понятие плотности тока.
Плотность тока – это величина, численно равная величине заряда, проходящего в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению движения зарядов:
j = I / S (2.4)
Плотность тока измеряется в амперах на квадратный метр – А /м²
Постоянным током называется такой ток, сила и плотность которого не меняются во времени.
Для постоянного тока сила тока одинакова во всех сечениях проводника. Если сила тока не остаётся постоянной, то мы говорим об изменяющемся токе. Частным случаем изменяющегося тока является переменный синусоидальный ток, который называют простопеременным током.
Электроны в проводнике движутся не свободно, а испытывают соударения с ионами кристаллической решётки, что тормозит их поступательное движение. Это противодействие проводника направленному движению зарядов называется сопротивлением проводника. Оно обозначается буквой r или R. В 1827 году Георг Ом экспериментально установил, что сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к концам этого участка, и обратно пропорциональна его сопротивлению.
I = U / R (2.6)
Это закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводника зависит от материала, из которого изготовлен проводник, его размеров и геометрической формы, а также от температуры. Для однородного проводника постоянного сечения:
R = ρ (l / S), (2.7)
ρ – удельное сопротивление, т.е. сопротивление проводника единичной длины с единичной площадью поперечного сечения;
l – длина проводника;
S – площадь поперечного сечения.
Сопротивление измеряется в омах (обозначается Ом или Ω)
1 кОм = 1000 Ом (кОм – килоом)
1 МОм = 
Ом (мегаом)
Удельное сопротивление служит для характеристики разных проводящих материалов. Единица измерения - Ом·м
Удельное сопротивление – это сопротивление между гранями куба с ребром в 1м, изготовленного из данного материала.
На практике пользуются другой единицей измерения удельного сопротивления:
Ω ·мм² /м 1 Ω ·мм² /м = 0, 000001 Ω ·м = 1µΩ ·м; (микроом);
1 Ω ·м = 
Ω ·мм² /м.
Значения некоторых удельных сопротивлений указаны в таблице 2.1.
| Материал | Удельное сопротивление, ρ
Ω ·м· 
(в скобках Ω ·мм² / м)
| Температурный коэффициент сопротивления α (1/град) |
| Серебро | 1, 6 (0, 0159) | 0, 0035 |
| Медь | 1, 7 – 1, 8 (0, 0172) | 0, 0041 |
| Золото | 2, 2 (0, 0221) | 0, 0041 |
| Алюминий | 2, 95 (0, 0295) | 0, 0040 |
| Сталь | 12, 5 – 14, 6 (0, 125 – 0, 146) | 0, 0057 |
| Железо | 9 – 11 (0, 09 – 0, 11) | 0, 0060 |
| Константан | 44 – 50 (0, 44 – 0, 5) | 0, 00005 |
| Нихром | 100 – 110 (1, 0 – 1, 1) | 0, 0001 |
| Фехраль | 140 (1, 4) | 0, 00028 |
Для изготовления электрических проводов используют медь и алюминий (серебро дорого). Для изготовления нагревательных приборов используют сплавы с высоким удельным сопротивлением, например, нихром.
|
|