Тема 2. Постійний струм

2.1. Постійний струм. Опір. Закон ома

План лекції

2.1.1. Електричний струм. Основні характеристики електричного струму

2.1.2. Закон Ома для ділянки кола

2.1.3. Сторонні сили. Джерело електричного струму

2.1.4. Закон Ома для будь-якої ділянки кола і для повного кола

2.1.1. Електричний струм. Основні характеристики електричного струму

Електричний струм - це упорядкований потік електрично заряджених частинок. Хаотичний рух заряджених частинок не утворює електричного струму.

Історично склалось так, що за напрям електричного струму умовно беруть напрям руху позитивно заряджених частинок, хоч у металевих провідниках електричний струм утворюється рухом електронів у протилежному напрямі.

Легко збагнути, що для виникнення й існування електричного струму необхідні такі умови:

1. наявність у середовищі вільних рухомих заряджених частинок (електронів, іонів), з яких міг би створюватися потік;

2. наявність у ньому електричного поля, під дією якого утворювався б упорядкований потік заряджених частинок. Інакше кажучи, для виникнення струму в провіднику на будь-якій його ділянці повинна існувати різниця потенціалів (спад потенціалу в напрямі струму). Поверхня провідника із струмом не залишається еквіпотенціальною.

Щоб добути неперервний струм у провіднику, треба весь час порушувати електричну рівновагу заряджених частинок, отже, весь час поповнювати енергію електричного поля. Для цього до кінців провідника приєднують такий пристрій, в якому енергія якого-небудь виду протягом усього часу перетворювалася б в енергію електричного поля. Такий пристрій називається джерелом електричного струму. Інакше кажучи, щоб дістати неперервний струм, треба утворити електричне коло струму.

Електричним колом називається сукупність джерела струму, споживачів електричної енергії, вимірювальних і регулювальних приладів, вимикачів та інших елементів, з'єднаних провідниками.

Для кількісної оцінки електричного струму введено величину, яку називають силою струму. Сила струму - скалярна величина, яка чисельно дорівнює сумарному заряду, що переноситься через поперечний переріз провідника за одиницю часу. Якщо за час dt через поперечний переріз провідника переноситься електричний заряд dq, то сила струму:

. (2.1)

Якщо сила струму і його напрям з часом залишаються незмінними, то такий струм називають постійним. Для постійного струму:

, (2.2)

де q - величина заряду, який переноситься частинками через переріз S за час t.

У випадку постійного струму електричне поле залишається незмінним і заряджені частинки не можуть нагромаджуватися на одних ділянках кола і зникати на інших.

Сила струму в СІ вимірюється амперами. Одиниця сили струму - ампер - є основною в СІ.

В електродинаміці доводиться користуватися поняттям густини струму. Густина струму за напрямом збігається з напрямом струму і вимірюється величиною заряду, що переноситься за одиницю часу через одиничну площину, перпендикулярну до напряму струму, тобто:

. (2.3)

Якщо провідник однорідний і струм рівномірно розподілений по всьому перерізу, то

. (2.4)

Для постійного струму:

, звідки , (2.5)

тобто густини струмів у різних перерізах провідника обернено пропорційні площам цих перерізів.

Візьмемо однорідний циліндричний провідник довжиною l і поперечним перерізом S. Нехай в одиниці об'єму цього провідника буде n елементарних заряджених частинок (густина зарядів). Тоді q = enSl і з урахуванням (2.4) запишемо:

, (2.6)

де - середня швидкість упорядкованого руху заряджених частинок; е —елементарний заряд. Отже, густина струму визначається густиною носіїв зарядів і швидкістю їх упорядкованого руху.