ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1. Электри́ческий ток — упорядоченное нескомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля.

Свободные электрические заряды – заряженные частицы одного знака, способные перемещаться под действием электрического поля.

Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).

Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения электронов.

Связанные заряды – разноименные заряды, входящие в состав атомов (или молекул), которые не могут перемещаться под действием электрического поля независимо друг от друга.

По способности проводить электрический ток вещества делятся на проводники и диэлектрики.

Проводники – вещества имеющие свободные электрические заряды, т.е. которые могут проводить электрический ток.

Диэлектрики – вещества, которые при обычных условиях практически не проводят электрический ток.

Таким образом, для существования электрического тока в веществе необходимо выполнение двух условий:

· наличие свободных зарядов в веществе;

· наличие электрического поля, которое приводит в движение заряженные частицы.

2. Для количественной оценки тока в электрической цепи служит понятие силы тока.

Сила тока - это количество электрического заряда q, протекающего через поперечное сечение проводника в единицу времени: . Единица измерения силы тока - ампер (А).

Плотностью тока называется вектор, модуль которого равен отношению силы тока, протекающего через некоторую поверхность, перпендикулярную направлению тока, к величине этой площади этой, а направление вектора совпадает с направлением движения положительного заряда в токе: [А/м²] и , где n – концентрация свободных зарядов в веществе и - скорость их движения под действием электрического поля.

Различают постоянный и переменный ток.

Постоянный ток — ток, направление и величина (сила тока) которого не меняется с течением времени.

Переменный ток — это ток, направление и величина которого меняется во времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону.

3. Важной характеристикой электрической цепи служит сопротивление: от его значения зависит сила тока в проводнике при заданном напряжении.

Сопротивление проводника представляет собой своеобразную меру противодействия проводника протеканию в нем электрического тока. Электрическое сопротивление измеряется в омах (Ом).

Сопротивление зависит от материала проводника, его длины и площади поперечного сечения: , где ρ - удельное сопротивление проводника.

Широко используется и величина, обратная сопротивлению, которая называется проводимостью: . Проводимость сопротивление измеряется в сименсах (См).

Удельное сопротивление (СИ) численно равно сопротивлению проводника, имеющего форму куба с ребром 1 м, если ток проходит между двумя противоположными гранями куба.

Сопротивление проводников изменяется при изменении их температуры. С повышением температуры сопротивление металлических проводников увеличивается:

, где - удельное сопротивление проводника при температуре 0°C, α - термический коэффициент сопротивления, показывающий относительное приращение удельного сопротивления при нагревании проводника на 1°С.

Сопротивление растворов электролитов уменьшается с повышением температуры .

4. Закон Ома. Зависимость между разностью потенциалов (напряжением) на зажимах электрической цепи, сопротивлением и током в цепи выражается законом Ома.

Для участка цеписила тока прямо пропорциональна значению приложенного напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению проводника: .

Для замкнутой электрической цепи сила тока прямо пропорциональна значению ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи: .

5. Прохождение электрического тока через вещество сопровождается электромагнитным, тепловым и химическим действием.

Электромагнитное действие электрического тока проявляется в том, что любой электрический ток создает в окружающем пространстве магнитное поле. Величина и направление магнитного поля зависит от сила тока и формы проводника.

- величина вектора магнитной индукции на расстоянии d от прямолинейного проводника с током I, - магнитная постоянная, - магнитная проницаемость вещества.

- величина вектора магнитной индукции в центре витка радиуса R, по которому проходит ток силой I.

Направление вектора магнитной индукции определяется правилом «правого винта»: если винт вращать по направлению тока, то вектор индукции по направлению совпадает с линейным движением правого винта (вкручивается или выкручивается).

Тепловое действие проявляется в том, что при прохождении тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Эта работа выделяется в виде тепла, количество которого пропорционально приложенному напряжению, силе и времени протекания тока : Эта зависимость называется законом Джоуля — Ленца.

Химическое действие тока наблюдается в электролитах и связано с электролизом. Электро́лиз — физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ, который возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита.

Упорядоченное движение ионов в проводящих жидкостях происходит в электрическом поле, которое создается электродами — проводниками, соединёнными с полюсами источника электрической энергии. Анодом при электролизе называется положительный электрод, катодом — отрицательный. Положительные ионы — катионы — (ионы металлов, водородные ионы, ионы аммония и др.) — движутся к катоду, отрицательные ионы — анионы — (ионы кислотных остатков и гидроксильной группы) — движутся к аноду.

В 1832 году Майкл Фарадей установил, что масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит: (закон Фарадея).

Коэффициент пропорциональности k называется электрохимическим эквивалентом вещества: , где М – молярная масса образовавшегося вещества, z - валентность иона и F – постоянная Фарадея.

6. Электробезопасность.

Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека при сухой и неповрежденной коже колеблется от 3 до 100 кОм.

Основным фактором, обуславливающим исход поражения током, является величина проходящего через тело тока. По технике безопасности, безопасным считается ток, длительное прохождение которого через организм человека не причиняет ему вреда и не вызывает никаких ощущений. Его величина не превышает 50 мкА. Минимально ощутимый человеком переменный ток составляет около 1 мА. Опасным для жизни человека переменный ток становится начиная с силы примерно 0,01 А, а постоянный — с 0,05 А. Под воздействием тока такой силы, человек еще способен самостоятельно оторваться от токоведущей части. Смертельным для человека считается ток начиная с силы примерно в 0,05 А.