Электрический ток. Характеристики электрического тока

Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц, в процессе которого происходит перенос электрического заряда.

В металлическом проводнике, например, такими частицами являются свободные электроны. Они находятся в постоянном тепловом движении. Это движение происходит с высокой средней скоростью, но в силу его хаотичности не сопровождается переносом заряда. Выделим мысленно в проводнике элемент поверхности dS: за любой промежуток времени число электронов преодолевших эту поверхность слева направо будет в точности равно числу частиц прошедших через эту поверхность в обратном направлении. Поэтому заряд, перенесённый через эту поверхность, окажется равным нулю.

Ситуация изменится, если в проводнике появится электрическое поле. Теперь носители заряда будут участвовать не только в тепловом, но и в упорядоченном, направленном движении. Положительно заряженные носители будут двигаться по направлению поля, а отрицательные — в противоположном направлении.

В общем случае в переносе заряда могут принимать участие носители обоих знаков (например, положительные и отрицательные ионы в электролите).

Скорость движения таких частиц будет складываться из скорости их теплового   и направленного   движений:

.

Среднее значение скорости частиц оказывается равным средней скорости направленного движения:

Хаотичность теплового движения приводит к тому, что среднее значение вектора скорости этого движения равно нулю  . Ещё раз подчеркнём, что речь идёт о среднем значении вектора, но не модуля скорости теплового движения заряженных частиц.

Основной количественной характеристикой электрического тока является сила тока. Сила тока в проводнике численно равна величине заряда, переносимого через полное сечение проводника в единицу времени:

                     ,  .                         (6.1)

Сила тока в системе СИ измеряется в амперах. Это скалярная характеристика. Сила тока может быть как положительной, так и отрицательной. Если направление тока совпадает с условно принятым положительным направлением вдоль проводника, то сила такого тока I > 0. В противном случае сила тока отрицательна.

Часто за положительное направление вдоль проводника принимается направление, в котором перемещаются (или перемещались бы) положительные носители заряда.

Второй важной характеристикой электрического тока является плотность тока. Выделим мысленно в проводнике поверхность S, перпендикулярную скорости направленного движения   носителей заряда. Построим на этой поверхности параллелепипед с высотой, численно равной скорости V_н . Все частицы, находящиеся внутри этого параллелепипеда за одну секунду пройдут через поверхность S. Число таких частиц:

,

где n — концентрация частиц, то есть число частиц в единице объёма. Заряд, который будет пронесён этими частицами через поверхность S, определит силу тока:

.

Здесь q₁ — заряд одного носителя. Разделив силу тока на площадь сечения S, получим заряд, который протекает за единицу времени через поверхность единичной площади. Это и есть плотность тока:

                ,  .                    (6.2)

Рис. 6.1.

Поскольку скорость направленного движения заряженных частиц — векторная величина, это выражение записывают в векторном виде:

                     .                 

У теорії кіл користуються ідеальними джерелами електричної енергії: джерелами ЕРС та струму. Ідеальне джерело ЕРС (напруги) – це активний елемент з двома виводами, напруга на яких не залежить від струму, що проходить через джерело. Припускається, що всередині такого ідеального джерела пасивні елементи (R, C, L) відсутні, а тому проходження через нього струму не викликає в ньому спад напруги.

Впорядковане переміщення позитивних зарядів всередині джерела від меншого потенціалу до більшого можливе за рахунок так званих сторонніх сил (сил неелектричної природи). Робота, що витрачається сторонніми силами на переміщення одиниці позитивного заряду від виводу «-» до виводу «+», називається електрорушійною силою (ЕРС) джерела. Позитивний напрямок ЕРС джерела позначається стрілкою.  Струм у пасивному електричному колі, що приєднане до джерела ЕРС залежить від параметрів цього кола та ЕРС джерела. Якщо виводи ідеального джерела ЕРС замкнути накоротко, то теоретично струм повинен бути нескінченно великим. Таке джерело є джерелом нескінченної потужності, що фізично не можливо. У дійсності при замиканні контактів реального джерела енергії струм може мати тільки певне значення, тому що ЕРС джерела врівноважується спадом напруги на внутрішньому опорі джерела. Д жерело ЕРС кінцевої потужності (реальне джерело) зображається у вигляді ідеального джерела ЕРС з приєднаним послідовно до нього пасивним елементом, який характеризує внутрішні параметри джерела та обмежує потужність, яка поступає до зовнішнього кола. Ідеальне джерело струму - це такий активній елемент, струм якого не залежить від напруги на його виводах. Внутрішній опір такого джерела нескінченно великий Rвн  , а тому параметри зовнішнього електричного кола, від яких залежить напруга на контактах джерела, не впливають на струм джерела. Умовне зображення цього джерела зображено на рисунку. Стрілки показують позитивний напрямок струму джерела. При нескінченному зростанні опору зовнішнього кола, приєднаного до ідеального джерела струму, напруга на його виводах, а в наслідок цього і потужність нескінченно зростуть. Тому ідеальне джерело струму теж фізично існувати не може. Джерело струму певної потужності (реальне джерело) зображається у вигляді ідеального джерела струму, паралельно до виводів якого приєднаний пасивний елемент, який характеризує внутрішні параметри джерела та обмежує потужність, що віддається до зовнішнього кола.  Вольт-амперні характеристики (ВАХ, зовнішні) ідеальних джерел ЕРС та струму зображаються прямими, що паралельні відносно вісей U та i (рис. а). Одна з найбільш типових зовнішніх характеристик навантаженого реального джерела зображена на рисунку (б).

При збільшенні струму від нуля до I1 напруга на контактах джерела спадає за лінійним законом:

.

При подальшому зростанні струму пропорційність між його величиною та спадом напруги порушується. Характеристика є нелінійною. В одних джерелах енергії це пов’язано зі спадом ЕРС, в інших – зі зростанням внутрішнього опору, а у третіх з першим та другим. Джерело живлення з ЕРС Е та внутрішнім опором Rвн (реальне джерело) може бути представлено однією з двох еквівалентних схем.

Струм у навантаженні (опір R) буде однаковим для обох схем:

Параметри цих джерел взаємно однозначно зв‘язані поміж собою

 .

Якщо Rвн >> R – джерело енергії наближається до джерела струму, Rвн <<R – до джерела напруги (ЕРС). Виділимо наступне:

1. Джерела ЕРС та струму – це ідеальні джерела, фізична реалізація яких неможлива.

2. Схеми заміщення реальних джерел еквівалентні стосовно до енергії, що віддається до навантаження R, але не еквівалентні стосовно до енергії, що виділяється на внутрішньому опорі джерела.

3. Ідеальне джерело ЕРС не можна замінити ідеальним джерелом струму.

2.- Емкость аккумулятора - самая важная техническая характеристика аккумулятора

Емкость аккумулятора показывает, сколько времени аккумулятор сможет питать подключенную к нему нагрузку. Обычноемкость аккумулятора измеряется в ампер-часах, а для небольших аккумуляторов - в миллиампер-часах.

Сама единица измерения показывает, что емкость аккумулятора является произведением постоянного тока разряда аккумулятора (в амперах, иногда в миллиамперах) на время разряда (в часах):

Е [А * час] = I [А] х T [час]