Температурная зависимость сопротивления

Единица измерения силы тока - ампер.

Для постоянного тока I, текущего перпендикулярно сечению проводника S:

(3)

Если за время ∆t через поперчное сечение S проводника переносится заряд (где n, е, и концентрация, заряд и средняя скорость упорядоченного движения зарядов соответственно), то сила тока . Тогда плотность тока:

(6).

Единица измерения плотности тока: .

Сторонние силы.

Для возникновения и существования электрического тока необходимо:

1) наличие свободных носителей тока – заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно;

2) наличие электрического поля, энергия которого должна каким – либо образом восполняться.

Если в цени действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей таким образом, что потенциалы во всех точках цепи выравниваются и электростатическое поле исчезает.

Для существования постоянного электрического тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создать и поддержать разность потенциалов за счет сил не электростатического происхождения.

Такие устройства называются источниками тока.

Силы не электростатического происхождения, действующие на заряды назыются сторонними.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах, например, они возникают за счет химических реакций; в генераторе – за счет механической энергии вращения ротора генератора; в солнечных батареях – за счет энергии фотонов.

Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и по цепи течет постоянный электрический ток.

О наличии электрического тока можно судить по тем действиям, которое электрический ток оказывает или по тем явлениям, которые его сопровождают.

Действия электрического тока: 1. Тепловое(например, проводник, по которому течет ток нагревается ) 2. Химическое (ЭТ,напримкр, может изменить химический состав проводика).3. Силовое действие, чаще называемое магнитным. ЭТ действует на соседние токи и намагниченные тела.

Электродвижущая сила и напряжение.

Физическая величина, определяемая работой, которую совершают сторонние силы при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижушей силой (ЭДС), действующей в цепи:

ε = (7)

Эта работа совершается за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину ε, можно называть электродвижущей силой источника тока, включенного в цепь. ЭДС как и потенциал выражается в вольтах.

Участок цепи, на котором не действуют сторонние силы, называется однородным.

Участок, на котором на носители тока действуют сторонние силы, называется неоднородным.

Поле сторонних сил - непотенциально.

Напряжением U на участке 1-2 называется физическая величина, численно равная суммарной работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами по перемещению заряда на данном участке цепи:

ε (10)

Понятие напряжение является обобщением понятия разность потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов, если участок не содержит источника тока(на участке нет ЭДС).

Закон Ома. Электрическое сопротивление.

Закон Ома для однородного участка цепи: сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику, пропорциональна напряжению на концах проводника:

(11)

Коэффициент пропорциональности R называется электрическим сопротивлением проводника.

Зависимость силы тока от напряжения называется вольт – амперной характеристикой

Единица измерения:

1 Ом – сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1В течет ток 1 А.

Величина называется электрической проводимостью проводника.

Единица измерения сименс: 1См – проводимость участка электрической цепи сопротивление 1Ом.

Сопротивление проводника зависит от размеров и формы, а также от материала из которого проводник изготовлен. Например, для однородного проводника длиной l площадью поперечного сечения S сопротивление рассчитывается по формуле:

(12)

где коэффициент пропорциональности , характеризует материал проводника, называется удельным электрическим сопротивлением.

Единица измерения удельного электрического сопротивления .

Величина обратная удельному сопротивлению называется удельной электрической проводимостью вещества проводника:

(13)

причем .

Соединения проводников.

Последовательное соединение проводников:

Рис.1

При последовательном соединении n проводников:

сила тока: ; (16)

падение напряжения: (17)

сопротивление соединения: (18).

Параллельное соединение n проводников:

Рис.2

Падение напряжения:

(19)

Сила тока: (20)

Сопротивление соединения: (21).

Температурная зависимость сопротивления.

Опытным путем было установлено, что для большинства случаев изменение удельного сопротивления (а значит и сопротивления) описывается линейным законом:

(22) или (23),

где соответственно удельные сопротивления и сопротивления проводника при температурах t и (Шкала Цельсия), температурный коэффициент сопротивления.

На зависимости электрического сопротивления от температуры основано действие термометров сопротивления.

Сопротивление многих металлов при низких температурах (0,14 – 20К)(шкала Кельвина) называемых критическими, характерными для каждого вещества, скачкообразно уменьшается до нуля и металл становится абсолютным проводником. Это явление называется сверхпроводимостью.

Работа и мощность тока.

Кулоновские и сторонние силы при перемещении заряда q вдоль электрической цепи совершают работу А.

Рассмотрим однородный проводник с сопротивлением R, концам которого приложено напряжение U. За время ∆ t через сечение проводника переносится заряд .Работа по перемещению заряда между двумя точками поля равна:

(24)

Мощность тока:

(25).

Единицы измерения мощности: - Ватт.

Закон Джоуля – Ленца.

При прохождении тока по проводнику происходит рассеяние энергии вследствие столкновения носителей тока между собой и с другими частицами. Если ток проходит по неподвижному проводнику, то вся работа тока A идет на нагревание проводника(выделение теплоты Q).

По закону сохранения энергии:

(26)

 

Закон Джоуля – Ленца(в интегральной форме): количество теплоты, выделяемое постоянным током на участке цепи, равно произведению квадрата силы тока на время его прохождения и сопротивление этого участка цепи.

Тепловое действие электрического тока используется в осветительных приборах, лампах накаливания, электросварке, электронагревательных приборах и т.д.