Электрический ток в металлах. Сила тока. Напряжение, сопротивление.

Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основе гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов.

Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла (рис. 1).

Рис.1

Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в тепловом движении. Ионы совершают тепловые колебания вблизи положений равновесия – узлов кристаллической решетки. Свободные электроны движутся хаотично и при своем движении сталкиваются с ионами решетки. В результате таких столкновений устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой.

Упорядоченное движение зарядов в электрическом поле называется электрическим током.

Условия существования электрического тока:

1. наличие свободных носителей заряда;

2. наличие электрического поля, (с силовой точки зрения , с энергетической - ).

За направление электрического тока принято считать направление движения положительных

Рис. 2 зарядов, хотя, зачастую ток обусловлен движением

отрицательных зарядов, как, например, в металлах.

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока.

Сила тока – величина, равная заряду, перенесенному через сечение проводника за единицу времени (рис.2).

.

Единицей измерения силы тока является ампер [А].

Интенсивность электрического тока характеризуется плотностью тока.

Плотность тока – это заряд прошедший через сечение проводника площадью S за время .

Электрический ток, у которого сила тока не изменяется, называется постоянным.

Разность потенциалов, создаваемая на концах проводника называется напряжением. И подобно потенциалу измеряется в вольтах [В]

.

Величина, характеризующая способность вещества препятствовать прохождению по нему электрического тока называется сопротивлением.

Сопротивление зависти от материала проводника, его размеров и температуры:

,

где l, S – длина и площадь сечения проводника, - удельное сопротивление

,

где - удельное сопротивление при С; - температурный коэффициент сопротивления металла; t – температура.

Сопротивление обозначается символом R и измеряется в омах [Ом].

Проводники в электрических цепях могут соединяться последовательно и параллельно.

При последовательном соединении проводников (рис.3) сила тока во всех проводниках одинакова:

Рис. 3

По закону Ома, напряжения U₁ и U₂ на проводниках равны

Общее напряжение U на обоих проводниках равно сумме напряжений U₁ и U₂:

где R – электрическое сопротивление всей цепи. Отсюда следует:

При последовательном соединении полное сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных проводников.

При параллельном соединении (рис. 4) напряжения U₁ и U₂ на обоих проводниках одинаковы:

Сумма токов I₁ + I₂, протекающих по обоим проводникам, равна току в неразветвленной цепи:

Этот результат следует из того, что в точках разветвления токов (узлы A и B) в цепи постоянного тока не могут накапливаться заряды. Например, к узлу A за время Δt подтекает заряд IΔt, а утекает от узла за то же время заряд I₁Δt + I₂Δt. Следовательно, I = I₁ + I₂.

Рис. 4

Электрическое сопротивление всей цепи R, определяют из выражения:

При параллельном соединении проводников величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников.