Питомий опір речовини – це фізична величина, що показує, який опір має виготовлений із цієї речовини провідник довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 м2.

У джерелах струму впродовж роботи з поділу заряджених частинок відбувається перетворення механічної, внутрішньої або якої-небудь іншої енергії в електричну.

2. Сила струму

Сила струму І дорівнює відношенню заряду Δq, перенесеного через поперечний переріз провідника за проміжок часу Δt, до цього проміжку часу:

У системі СІ силу струму вимірюють в амперах (А). Ампер є однією з основних одиниць системи СІ.

Дії електричного струму

Теплова дія струму обумовлена тим, що в разі напрямленого руху заряджених частинок крізь речовину вони зіштовхуються з іонами, атомами й молекулами речовини, збільшуючи кінетичну енергію їх хаотичного «теплового» руху.

Магнітна дія струму обумовлена тим, що навколо рухомих зарядів існує магнітне поле, яке діє на заряди, що рухаються.

Магнітна дія струму цікава тим, що вона проявляється завжди, тоді як інші дії струму (хімічна і теплова) можуть і не проявлятися. Наприклад, хімічна дія струму відсутня під час проходження струму через метали, а теплова відсутня в разі проходження струму через надпровідники.

Хімічну дію струму почав вивчати ще сам Вольт, але найбільш повно його досліджував на початку XIX століття Фарадей, що встановив кількісні закони електролізу.

Хімічну дію струму можна спостерігати, пропускаючи електричний струм через розчин мідного купоросу СuSO₄. Під час взаємодії речовини з розчинником молекули речовини розпадаються на позитивні й негативні іони. Ці іони починають рухатися в електричному полі. Позитивні іони рухаються до негативно зарядженого електрода (катода), а негативні іони — до позитивно зарядженого електрода (анода).

3. Від чого залежить опір провідника

Величина, яка характеризує протидію електричному струму в провіднику називається електричним опором.

Залежність опору провідника від речовини, з якої він виготовлений, характеризують спеціальним параметром: питомим опором речовини.

Питомий опір речовини – це фізична величина, що показує, який опір має виготовлений із цієї речовини провідник довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 м2.

Формула залежності електричного опру від розмірів, форми та матеріалу:

де l – довжина провідника, S – площа поперечного перерізу провідника, ρ – питомий опір матеріалу, з якого виготовлено провідник.

Одиницею питомого опру є:

, або

Закон Ома для ділянки кола.

Найпростіше електричне коло може складатися з джерела струму, споживача опору R, з’єднувальних провідників, амперметра і вольтметра.
Закон Ома для ділянки електричного кола: на деякій ділянці кола сила струму I прямо пропорційна напрузі U і обернено пропорційна опору R ділянки:

- закон Ома для ділянки кола

Величину U = I·R, яка дорівнює добутку сили струму в провіднику на опір цього провідника, називають спадом напруги на даному провіднику.

4. З’єднання споживачів електричного струму

При послідовному з'єднанні провідників:

Сила струму в кожному провіднику однакова:

r w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="708" w:footer="708" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></wx:sect></w:body></w:wordDocument>">

Напруга на кінцях кола дорівнює сумі напруг на кожній його ділянці:

 

Опір з'єднання дорівнює сумі опорів провідників:

При паралельному з'єднанні провідників:

Напруга на провідниках однакова:

Сила струму в нерозгалуженій частині кола дорівнює сумі струмів у провідниках:

r w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="708" w:footer="708" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></wx:sect></w:body></w:wordDocument>">

Величина обернена опору з’єднання дорівнює сумі величин обернених опорам розгалужень:

5. Закон Джоуля — Ленца.

Закон, що визначає кількість теплоти, яку виділяє провідник зі струмом у навколишнє середовище, був установлений експериментально англійським вченим Д. Джоулем і російським вченим Е. X. Ленцем.

Закон Джоуля — Ленца: кількість теплоти, що виділяється провідником зі струмом, дорівнює добутку квадрата сили струму на опір провідника й час проходження струму по провіднику:

Q = I ² R t.

Робота струму.

Розглянемо довільну ділянку кола, наприклад, нитку лампи розжарювання. Нехай за час t крізь поперечний переріз провідника проходить заряд q. Тоді електричне поле здійснює роботу

А = q·U. Оскільки q = I · t, то ця робота:

A = IUt.

У системі CІ [ А ] = 1А·1В·1с = 1Дж

Враховуючи закон Ома:

У випадку, якщо в ділянці кола не здійснюється механічна робота й струм не робить хімічних дій, відбувається тільки нагрівання провідника. Нагрітий провідник віддає теплоту навколишнім тілам.

Потужність струму.

Будь-який електричний прилад розрахований на споживання певної енергії в одиницю часу. Тому разом із роботою cтруму дуже важливе значення має поняття “потужність струму”.

Потужність струму чисельно дорівнює роботі струму, здійсненій в одиницю часу:

У системі CІ [ Р ]= 1А·1В=1Вт.

Якщо використовувати закон Ома для ділянки кола, то можна записати:

6. Сторонні сили

Усередині джерела струму відбувається розподіл зарядів, у ре­зультаті чого на позитивному полюсі джерела накопичується по­зитивний заряд, а на негативному — негативний. Внаслідок цього між полюсами виникає різниця потенціалів, а в зовнішній частині кола — електростатичне поле, під дією якого в зовнішньому колі тече струм.

Поза джерелом струму вільні заряди рухаються під дією сил електростатичного поля, але усередині джерела вони рухаються проти сил цього поля.

Отже, для того щоб у джерелі струму відбувався розподіл заря­дів, усередині джерела струму на вільні заряди повинні діяти сили неелектростатичного походження. їх називають сторонніми силами.

Наприклад, у хімічних елементах струму сторонні сили мають хі­мічну природу; у генераторах електростанцій сторонні сили — це за­звичай сили, що діють на вільні електрони провідника з боку вихро­вого електричного поля, породжуваного змінним магнітним полем.

Електрорушійна сила

Сторонні сили своєю роботою замикають коло і забезпечують сталість струму. Кожне джерело струму характеризується роботою сторонніх сил з переміщення одиниці позитивного заряду, що ді­ють у ньому, тобто певною електрорушійною силою (ЕРС).

Усередині джерела струму сторонні сили виконують роботу А_ст, переміщаючи вільні заряди проти дії сил електростатичного поля. Ця робота пропорційна заряду q, тому

відношення роботи сторонніх сил з переміщення заряду усередині джерела до заряду є характеристикою джерела струму й називається електрорушійною силою джерела:

У системі CІ [ε] = 1 Дж / 1 Кл =1 В.

Закон Ома для повного кола

Під час переміщення заряду q усередині джерела струму сто­ронні сили виконують роботу А_ст = qε, де ε — ЕРС джерела. Під час протікання струму у зовнішньому колі в ньому виділяється кількість теплоти Q_зовн = I²Rt = qІR, де R — опір зовнішнього кола. Джерело струму також має деякий опір, що позначають за­звичай r і називають внутрішнім опором джерела. Тому під час проходження струму усередині джерела в ньому виділяється кіль­кість теплоти: Q_внутр = I²rt = qІr.

Із закону збереження енергії випливає, що А_ст = Q_зовн + Q_внутр, звідки одержуємо

qε = qІR + qІr, або ε = ІR + Іr.

Суму опорів R + r називають повним опором кола, і отримане співвідношення формулюють як закон Ома для повного кола:

сила струму в замкнутому колі, що містить одне джерело, дорівнює відношенню ЕРС джерела до повного опору кола:

Наслідки із закону Ома для повного кола

Як випливає із закону Ома для повного кола, сила струму убуває відповідно до збільшення R. Найбільша сила струму відповідає випадку R = 0, тобто короткому замиканню. Під час короткого замикання сила струму І _кз = ε / r. Із цієї формули видно, що якщо внутрішній опір джерела дуже малий, струм короткого зами­кання буде дуже значним, що може вивести джерело з ладу.

Розімкнутому колу відповідає нескінченно великий зовнішній опір R. При цьому, як випливає з формули закону Ома для всього кола, сила струму I = 0.

Відповідно до закону Ома для ділянки кола, напруга між кінця­ми провідника U = ε - Ir. Із закону Ома для повного кола, записаного у вигляді ε = IR+Ir, одержуємо U = ε - Іr. Звідси випливає, що

у разі збільшення сили струму напруга між полюсами джерела струму зменшується.

Найбільше значення напруги між полюсами джерела дорівнює ε при I = 0 (розімкнуте джерело струму), тобто напруга між розімкнутими полюсами джерела дорівнює ЕРС цього джерела:

U = ε.

Найменша ж напруга між полюсами дорівнює нулю — йому відповідає коротке замикання, за якого сила струму І_кз = ε / r (струм короткого замикання).

Література:

1. Коршак Є.В., Ляшенко О.І., Савченко В.Ф. Фізика. 11 кл.: Підруч. для загальноосвіт.навч. закл. - К.: Ірпінь: ВТФ «Перун», 2012. § 16-20.

2. Сиротюк В.Д., Баштовий В.І. Фізика. 11 клас. Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів. Рівень стандарту. - Х.: «Сиція», 2011. § 5-7.

3. http://wikipedia.org