Активное сопротивление. Явление сверхпроводимости

Постоянный электрический ток.

Электрический ток. Условия существования электрического тока.

Сила и плотность тока.

Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение.

Активное сопротивление. Явление сверхпроводимости

1. Если две точки электрического поля имеющие разные потенциалы соединить проводником (j₁ ® j₂), то свободные заряды под действием электрических сил начнут направленное движение. Любое такое движение приведет к уменьшению большего и к увеличению меньшего потенциалов (выравниванию).

Упорядоченное движение зарядов называется электрическим током. Если упорядоченное движение электрических зарядов осуществляется перемещением в пространстве заряженного макроскопического тела, то возникает так называемый конвекционный ток.

Для существования тока необходимо создать и поддерживать разность потенциалов. Устройство, создающее и поддерживающее разность потенциалов, является генератором электрического тока. Генератор создает и поддерживает разность потенциалов на всех участках цепи. То есть, он поддерживает электрическое поле, характеризующееся вектором Е, вкаждой точке цепи, в том числе и внутри проводников. Что невозможно было в электростатике.

Для того чтобы в проводнике мог сеществовать электрический ток необходимо выполнение следующих условий:

1. Напряженность электрического поля в проводнике должна отличаться от нуля и не меняться во времени. E ¹ 0 = const

2. Цепь постоянного тока должна быть замкнутой.

3. На свободные электрические заряды помимо кулоновских сил должны действовать не электрические силы, называемые сторонними силами.

Сторонние силы могут быть созданы источниками тока (гальваническими элементами, аккумуляторами, генераторами и др.)

В качестве направления тока принято направление движения положительных свободных зарядов, то есть от «+» к «-».

 

2. Величина, измеряемая количеством заряда протекающего в единицу времени через поперечное сечение проводника называется силой тока.

I = dQ⁄dt…(6.1). [Kл ⁄c] = A.

Если со временем сила тока и его направление не меняются, то ток называется постоянным.

Сила тока, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения проводника, называется плотностью тока.

j = I ⁄ S…(6.2). [А ⁄ м² ].

Пусть концентрация носителей тока n, средняя скорость их движения U_ср, заряд e. Тогда за время Δt через поперечное сечение S пройдет заряд:

dQ = n´U_ср´e´S´dt. Тогда силу тока можно выразить как

I = n´U_ср´e´S, и, соответственно, плотность тока:

j = n´U_ср´e.

Направление вектора плотности тока совпадает с направлением тока.

Сила тока сквозь произвольную поверхность S определяется как поток вектора плотности тока. I = j d S,

где d S = n´ d S, n – единичный вектор нормали к площади dS.

 

3. На каждом участке цепи происходит превращение энергии упорядоченного движения зарядов (тока) в какую-то другую энергию (в простейшем случае внутреннюю).Þ на каждом участке цепи совершается работа электрическими и сторонними силами.

Величина измеряемая работой электрических и сторонних сил при перемещении «+»-ного единичного заряда по данному участку цепи, называется напряжением на данном участке. (6.3)

, или ε,

ε= (6.4)

Величину измеряемую работой сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда по данному участку цепи называют электродвижущей силой (ЭДС). ЭДС – характеристика сторонних сил.

Так как А =(φ_{1 -} φ₂)Q, то ,

φ_{1 -} φ₂ + ε (6.5),

где φ_{1 -} φ₂ – разность потенциалов начала и конца участка цепи, ε - алгебраическая сумма ЭДС источников находящихся на этом участке.

Если участок не содержит источника напряжения, то напряжение равно:

φ_{1 -} φ₂

4. Величина характеризующая свойства проводника уменьшать скорость упорядоченного движения свободных зарядов при взаимодействии с веществом называется электрическим сопротивлением данного проводника (активным сопротивлением). R = ρ (I/S)….(6.6).

ρ - коэффициент пропорциональности численно равен сопротивлению проводника единичной длины и единичного поперечного сечения и называется удельным сопротивлением проводника. То - есть это характеристическая величина данного материала.

Сопротивление материала зависит в том числе от температуры.

	С понижением температуры сопротивление
уменьшается до остаточного сопротивления
R0. Оно зависит от материала. Величина обрат ная сопротивлению называется
проводимостью G = 1/R…(6.7)
Величина обратная удельному сопротив
лению называетсяудельной проводимостью.
g = 1/ρ…(6.8)

Если в электрическую цепь входит несколько сопротивлений, то общее их сопротивление зависит от характера соединения.

1. При последовательном соединении проводников общее сопротивление равно сумме сопротивлений R = åR_i

2. Параллельное соединение проводников дает общее сопротивление, которое можно выразить из соотношения

	1/R = 1/R1+1/R2+1/R3. -
Или через проводимость:
G = G1+G2+G3

В 1911г. было обнаружено, что у некоторых веществ при понижении температуры сопротивление уменьшается, но по достижению некоторого критического ее значения Т_к – резко падает до нуля. Это явление назвали сверхпроводимостью, а сами проводники – сверхпроводниками.

Этим свойством обладает достаточно большое количество веществ (как химически чистых элементов, так и различных соединений). Но широкое использование этого явления затруднено низким значением Т_к. Температуры перехода в сверхпроводящее состояние некоторых веществ:

Титан - Т_к.= 0,4К., Уран - Т_к.= 0,8К., Цинк - Т_к.= 0,9К.,

Алюминий - Т_к.= 1,2К.,Олово - Т_к.= 3,8К., Ртуть - Т_к.= 4,1К и так далее.

Большие перспективы на сегодняшний день связывают с керамическими сверхпроводящими материалами, для которых сверхпроводимость возникает при температурах выше 100К.