Головна ⇒ 📌Довідник с фізики ⇒ Постійний електричний струм. Закони постійного струму

Постійний електричний струм. Закони постійного струму

ФІЗИКА

Частина 3 ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ

Розділ 8 ЕЛЕКТРИКА

8.9. Постійний електричний струм. Закони постійного струму

Якщо в провіднику створити електричне поле, то носії зарядів почнуть рухатись упорядковано: носії позитивних зарядів у напрямі поля, негативних – у протилежний бік. Упорядкований рух зарядів називають електричним струмом. Його характеризують силою струму – скалярною величиною, що чисельно дорівнює електричному заряду, який проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу:

class=""/>

Де dq – електричний заряд, що проходить через переріз провідника за нескінченно малий проміжок часу dt.

У загальному випадку електричний струм може зумовлюватися рухом як позитивних, так і негативних зарядів. При цьому перенесення позитивного заряду в одному напрямі еквівалентне перенесенню такого самого за значенням негативного заряду в протилежному напрямі. Якщо за час dt через деякий переріз провідника позитивні носії переносять заряд dq+, а негативні в протилежному напрямі dq_ , то

За напрям струму беруть напрям руху позитивних зарядів. Електричний струм називають

постійним, якщо з часом залишаються постійними сила струму та його напрям.

Одиниця сили струму в СІ – ампер (А) – визначається на основі електромагнітної взаємодії двох паралельних прямолінійних провідників, по яких проходить постійний струм.

Розрізняють струм провідності і конвекційний струм. Струм провідності зумовлюється напрямленим переміщенням заряджених частинок (електронів, іонів) усередині нерухомого провідника (твердого, рідкого чи газоподібного) за наявності в ньому електричного поля. Проте впорядкований рух електричних зарядів можна здійснити й іншим способом – переміщенням у просторі зарядженого макроскопічного тіла (провідника або діелектрика). Такий струм називають конвекційним. Прикладом конвекційного струму може бути орбітальний рух Землі, яка має надлишок негативних зарядів.

Обмежимося вивченням струму провідності, оскільки він найпростіший і має велике практичне значення. Для появи й існування струму провідності потрібні такі умови:

1) наявність у певному середовищі електричних зарядів, які б мали можливість у ньому рухатися. Такими зарядами у разі металевих провідників є вільні електрони, у напівпровідниках – електрони і “дірки”, в електролітах – позитивні й негативні іони, в газах – переважно позитивні іони і електрони;

2) наявність у певному середовищі електричного поля, енергія якого витрачається на переміщення зарядів. Отже, має бути різниця потенціалів між двома точками провідника. Для того щоб струм був тривалим, енергію електричного поля потрібно поповнювати, тобто підтримувати різницю потенціалів на кінцях провідника. Для цього до кінців провідника під’єднують спеціальний пристрій – джерело струму. Отже, для утворення неперервного електричного струму треба створити електричне коло.

Електричним колом називають сукупність джерел струму, споживача електричної енергії, вимірювальних і регулювальних приладів, вимикачів та інших елементів, з’єднаних провідниками. Найпростіше електричне коло складається з провідника, кінці якого під’єднано до джерела струму. В такому електричному колі струм проходитиме по зовнішній його частині – провіднику і внутрішній – джерелу струму. Джерело струму має два полюси: позитивний і негативний. При розімкненому зовнішньому колі на негативному полюсі джерела струму буде надлишок електронів, а на позитивному їх не вистачатиме. Зрозуміло, що таке розділення зарядів у межах джерела струму відбувається під дією сил, що мають некулонівську природу, оскільки під впливом кулонівської сили різнойменні заряди притягуються. Ці додаткові сили неелектричного походження, що діють у межах джерела струму, називаються сторонніми. Природа сторонніх сил може бути хімічною (гальванічні елементи, акумулятори), тепловою (термоелементи) тощо.

Розділення і перенесення зарядів у межах джерела струму гальмується його внутрішнім електричним полем і опором з боку середовища джерела струму. Тому в разі замкненого електричного кола сторонні сили джерела струму виконуватимуть роботу А, яка складається з роботи Ау, що виконується проти сил електричного поля джерела струму, і роботи А’, яка здійснюється проти механічних сил опору середовища цього джерела:

Роботу, яку виконують сторонні сили при переміщенні одиничного позитивного електричного заряду, називають електрорушійною силою (ЕРС) і визначають так:

Електрорушійна сила в одиницях СІ виражається у вольтах. Термін “електрорушійна сила” є невдалим, оскільки ЕРС характеризує джерело струму з енергетичного боку.

Якщо полюси джерела струму розімкнені, то А’ = 0, бо при цьому стороння сила не переміщує зарядів, а тільки підтримує розподіл їх. Тоді

Проте, за визначенням, робота проти сил електричного поля буде

Отже, електрорушійна сила дорівнює різниці потенціалів на полюсах розімкненого джерела струму.

У разі замкненого електричного кола на будь-якій ділянці його зовнішньої частини є деяка різниця потенціалів φ’ – φ” = U, її називають напругою, або спадом напруги, на цій ділянці кола.

У 1826 р. німецький фізик Г. Ом дослідно встановив, що сила струму в провіднику прямо пропорційна напрузі на кінцях провідника і обернено пропорційна опору цього провідника

Співвідношення (8.50) називають законом Ома для ділянки кола.

Користуючись ним, можна дістати одиницю опору. В СІ опір провідника виражається в омах. Ом – опір такого провідника, в якому виникає сила струму в один ампер, коли різниця потенціалів на його кінцях становить один вольт.

Якщо замкнене коло складається з джерела струму з ЕРС і внутрішнім опором г і зовнішньої частини з опором R, то силу струму в колі визначають за співвідношенням

Співвідношення (8.51) називають законом Ома для повного кола.

Дослід засвідчує, що опір провідника залежить від його геометричних розмірів, матеріалу, зовнішніх умов (особливо температури). Згідно з експериментальними дослідженнями Г. Ома опір однорідного провідника прямо пропорційний його довжині й обернено пропорційний площі поперечного перерізу:

Коефіцієнт пропорційності ρ, що характеризує матеріал, з якого виготовлено провідник, називають питомим опором речовини провідника.

Питомий опір, а отже, і опір провідника залежать від температури. У загальному випадку така залежність досить складна. Проте для металевих провідників за невеликих інтервалів температур можна користуватися наближеними формулами

Де ρ0 і R0 – відповідно питомий опір за температури 0 °С; а – температурний коефіцієнт опору; t – температура, °С. При точних розрахунках треба враховувати залежність а від температури.

За дуже низьких температур, близьких до абсолютного нуля (0,5…8 К), опір деяких металів (алюміній, цинк, свинець та ін.) стрибкоподібно зменшується майже до нуля. Таке явище називають надпровідністю. Його відкрив 1911 р. Г. Камерлінг-Оннес. Природа явища надпровідності розкривається у квантовій теорії.

У 1986 і 1987 pp. було відкрито високотемпературні надпровідники – металооксидні сполуки з температурою надпровідного переходу близько 100 К, що значно вище від температури кипіння рідкого азоту (77 К) – дешевого і доступного холодоагенте, що випускається промисловістю у великих кількостях.

У 1987 р. вийшла у світ стаття вчених із м. Цюріха І. Беднорца і К. Мюллера під назвою “Можливість високотемпературної надпровідності в системі Ва – La – Cu – О”, в якій повідомлялось про виявлення різкого зменшення опору кераміки цього типу за температур 30…35 К. Досліджена кераміка була сумішшю кількох фаз. Було встановлено, що зменшення опору супроводжується діамагнітною аномалією і відповідає надпровідному переходу.

У січні 1987 р. були опубліковані повідомлення з Хьюстонського університету і лабораторії Белла, в яких уже називалася фаза, відповідальна за надпровідність. Ця фаза описується хімічними формулами La2-xBaxCuO4 для барієвої кераміки і La2-xSrCuO4 для стронцієвої. Важливо, що для кераміки La2-xSr0,2CuO4 спостерігається дуже вузький надпровідний перехід за Тс = 36 К, що на 13 градусів вище від попереднього рекорду за Тс (23,2 К для Nb3G).

Після цього успіху всі провідні лабораторії світу, які вивчали надпровідність, розпочали пошук і дослідження нових металооксидних надпровідників. У березні 1987 р. зроблено нове відкриття в Алабамському і Хьюстонському університетах на кераміці Y – Ва – Cu – О, де була досягнута температура надпровідного переходу Тс = 92 К. Так було подолано азотний бар’єр за Тс на шляху широкого практичного використання надпровідників, і це ще більше привернуло увагу дослідників до нових високотемпературних надпровідників.

Отже, фізика високотемпературної надпровідності перебуває на початковій стадії. Нині в ній інтенсивно накопичуються експериментальні дані, що характеризують властивості металооксидних сполук у нормальній і надпровідній фазах.

Проходження струму через провідник, якщо він не перебуває в стані надпровідності, супроводжується його нагріванням. Це пояснюється тим, що електричні заряди, рухаючись напрямлено, зазнають опору в середовищі провідника. Вивчаючи теплову дію струму, англійський фізик Дж. Джоуль (1818-1889) і російський фізик Е. X. Ленц (1804-1865) незалежно один від одного дійшли такого висновку: кількість теплоти Q, що виділяється на певній ділянці провідника, прямо пропорційна силі струму І, що проходить через провідник, напрузі на його кінцях U і часу t проходження струму:

Цей висновок називається законом Джоуля – Ленца. Якщо силу струму взято в амперах, напругу у вольтах, а час у секундах, то кількість теплоти, що виділяється, виражається у джоулях.

Крім нагрівання провідників енергія електричного струму може зазнавати найрізноманітніших перетворень. Так, за наявності у зовнішньому колі електродвигуна частина електричної енергії джерела струму перетворюється в механічну енергію. Проходження електричного струму через провідник другого роду – електроліт – супроводжується перетворенням частини енергії джерела в хімічну. Якщо зовнішня частина електричного кола складається лише з металевих провідників, то за великих температур енергія електричного струму частково витрачатиметься на випромінювання.