Всем доброго времени суток! По существу всё учение об электричестве основано на взаимодействии зарядов, то есть, по сути, на законе Кулона, рассмотренном в предыдущей статье. Однако он в основном применяется к статическим зарядам, нас же интересует больше перемещение, накопление и хранение электрических зарядов, по этому в данной статье я рассмотрю перемещение зарядов по проводникам.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Что такое электрический ток?

Все электрические явления, прежде всего, связаны с перемещением или накоплением электрических зарядов. Если создать в проводнике электрическое поле, то, как известно из предыдущей статьи, электроны начнут упорядоченно двигаться по направлению напряжённости поля, то есть отрицательно заряженные электроны будут двигаться в положительном направлении. Такое упорядоченное движение заряженных частиц называется электрическим током. Чтобы количественно охарактеризовать электрический ток ввели понятие силы электрического тока или просто силы тока, которая равна величине заряда Q, который переносится через поперечное сечение проводника за единицу времени t. Сила тока имеет разрядность Ампер (А) и обозначается буквой I или i.

Направление силы тока считается противоположным направлению движения заряженных частиц (электронов), то есть от положительно заряженного к отрицательно заряженному телу.

Движение электронов в проводнике и условное направление тока в нем.

Что такое ЭДС и напряжение?

С силой тока всё понятно. Теперь зададимся вопросом, а почему электроны начинают двигаться в одном направлении и возникает электрический ток? Ответ на этот вопрос очевиден: электроны движутся от места, где их переизбыток туда, где имеется недостаток электронов. Если не принят никаких мер для поддержания в отрицательно заряженном теле избытка электронов, то ток очень быстро прекратится.

Для поддержания электрического тока необходимо изымать электроны из положительно заряженного места и передавать их в отрицательно заряженное место, то есть осуществлять круговорот электронов, чтобы они двигались как бы по замкнутому кругу. Для осуществления такого круговорота электронов и поддержания тока необходимо воздействие  сторонних сил действующих на проводник.

Сторонние силы имеют различную природу: химическую, тепловую, механическую, электромагнитную, но не зависимо от того каким образом возникает такая стороння сила она характеризуется электродвижущей силой (ЭДС, которая обозначается Е и измеряется в вольтах В). Величина ЭДС Е равна роботе А (измеряется в джоулях Дж), которую выполняют сторонние силы по перемещению электрического заряда Q и может быть вычисленная по следующему выражению

Таким образом, ЭДС показывает, какую работу необходимо выполнить для перемещения заряда.

Кроме сторонних сил на заряженные частицы действуют силы электростатического поля (кулоновские силы), которые также совершают некоторую работу. Для количественной характеристики суммарной работы электростатических и сторонних сил при перемещении электрического заряда ввели понятие падение напряжения или просто напряжение (обозначается U), которое вычисляется по следующему выражению

Но сторонние силы не всегда действуют на электрический заряд, чаще всего работу над зарядом совершают только силы электростатического взаимодействия, поэтому величина напряжения совпадает с величиной разности потенциалов электростатического поля

Что такое сопротивление проводника?

Выше я пояснил, что такое электрический ток и напряжение, которые являются важнейшими понятиями электротехники и электроники. Вскоре вы узнаете, как они связаны между собой, а пока раскрыть ещё одно основополагающее понятие – сопротивление.

Когда электроны, несущие электрический заряд, перемещаются по проводнику, они испытывают противодействие, которое называется сопротивлением проводника. Обозначается R и имеет размерность Ом.

Очевидно, что сопротивление проводника зависит от его геометрических размеров, а также от свойств самого материала. Таким образом, сопротивление выразится следующим выражением

где l – длина проводника, м;

S – площадь поперечного сечения проводника, мм²

ρ – удельное электрическое сопротивление проводника при определённой температуре, Ом*мм²/м.

Величина удельного электрического сопротивления ρ, для разных материалов имеет разное значение, кроме того для разных температур оно также различно и имеет следующую зависимость

где ρ₀ – удельное электрическое сопротивление при 0⁰ С,

α – коэффициент, численно равный примерно 1/273.

С величиной удельного электрического сопротивления связано явление сверхпроводимости, которое проявляется у некоторых металлов и сплавов при температуре близкой к абсолютному нулю, примерно равной -273⁰ С. При явлении сверхпроводимости сопротивление скачком обращается в нуль.

Закон Ома – основной закон постоянного тока

Как известно, электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц в электрическом поле, которое количественно характеризуется напряжением. Таким образом, должна существовать некоторая зависимость между силой тока и напряжением.

Такую зависимость, в результате многочисленных опытов, установил немецкий физик Георг Симон Ом и определяется она следующим выражением

Данное выражение называется законом Ом для участка цепи или просто законом Ома и гласит следующее:

«Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению данного участка».

Закон Ома для участка цепи.

Таким образом, единица сопротивления Ом выражается из закона Ома и является производной от двух основных величин – вольт (В) и ампер (А)

В следующей статье будет показано, что при использовании закона Ома для всей цепи необходимо учитывать также параметры источника напряжения.

Работа и мощность электрического тока

Из предыдущей статьи известно, что при отсутствии ЭДС работа А электрического тока определяется, как произведение разности потенциалов φ₁ – φ₂ на величину заряда q над которым совершается работа, тогда

Для того чтобы исключить заряд из данного выражения представим его через величину силы тока

В практике знание о том, что электрический ток выполнил какую-либо работу мало, что даст, более приемлемым вариантом является знание, о том какая мощность будет выделена за единицу времени. Как известно мощность Р определяется выполненной работой за единицу времени, то есть

Таким образом, из данного выражения можно вычислить какая мощность будет выделяться на резисторе и соответственно подобрать нужный по мощности

Закон Джоуля – Ленца

Ещё один закон связан с работой электрического тока, и отвечает он на вопрос «Какая именно работа выполняется током?». Как известно если проводник, по которому течёт ток, не движется, а ток постоянный, то работа полностью расходуется на нагревание проводника. Следовательно, количество теплоты, выделяемое проводником, равно работе электрического тока. Данное соответствие называется законом Джоуля-Ленца и выражается он следующим выражением

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.