Электрический ток. Сила тока, напряжение, сопротивление. Закон Ома для участка цепи

Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение свободных электрических заряженных частиц.

В металлах носителями тока являются свободные электроны; в растворах электролитов — положительные и отрицательные ионы; в газах — ионы и электроны.

Обязательные условия существования электрического тока в проводнике:

1. Наличие в веществе свободных носителей заряда;

2. Наличие электрического поля внутри проводника, заставляющего свободные заряды двигаться направленно;

3. Замкнутость электрической цепи.

Историческое соглашение: за направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов — от положительного полюса источника (+) к отрицательному (-), хотя электроны в металлах на самом деле движутся наоборот!

Чтобы ток тек непрерывно, необходимо постоянно поддерживать разность потенциалов на концах проводника. Это выполняют источники тока.

В источнике тока за счет сторонних сил неэлектрической природы совершается работа по разделению положительных и отрицательных зарядов, которые накапливаются на выходных клеммах (полюсах).

Виды источников тока:

• Гальванические элементы и аккумуляторы: химическая энергия окислительно-восстановительных реакций превращается в электрическую (батарейки, автоаккумуляторы);

• Электромашинные генераторы: механическая энергия вращения ротора турбины превращается в электрическую (ГЭС, ТЭС, ветропарки);

• Солнечные фотоэлементы: энергия света выбивает электроны в p-n переходах кремния;

• Термоэлементы: разность температур спаев металлов создает ток.

Простейшая замкнутая электрическая цепь состоит из:

1. Источника тока (батарея, генератор);

2. Потребителя (нагрузки: лампа, нагреватель, резистор, электродвигатель);

3. Замыкающего устройства (ключ, выключатель, кнопка);

4. Соединительных проводов.

Схемой называют чертеж, на котором элементы цепи изображены общепринятыми условными графическими знаками:

• Гальванический элемент: длинная тонкая полоса (+) и короткая толстая (-);

• Батарея элементов: чередование длинных и коротких полос;

• Ключ: наклонный размыкающий контакт;

• Лампа накаливания: круг с крестиком внутри;

• Резистор постоянный: прямоугольник;

• Реостат: прямоугольник со стрелкой-ползунком;

• Измерительные приборы: кружок с буквой «A» (амперметр) или «V» (вольтметр).

1. Сила тока (I) — скалярная величина, равная отношению электрического заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения t:

В СИ сила тока измеряется в Амперах (А). Прибор для измерения силы тока — амперметр. Амперметр включают в цепь ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО с потребителем, соблюдая полярность (+ к +, - к -). Сопротивление идеального амперметра стремится к нулю (R_A ≈ 0).

2. Электрическое напряжение (U) — скалярная величина, численно равная работе электрического поля по перемещению единичного положительного заряда на участке цепи:

В СИ напряжение измеряется в Вольтах (В): 1 В = 1 Дж / 1 Кл. Прибор — вольтметр. Вольтметр включают ПАРАЛЛЕЛЬНО исследуемому участку цепи. Сопротивление вольтметра должно быть максимально большим (R_V → ∞), чтобы он не шунтировал ток цепи.

Электрическое сопротивление (R) — свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока, обусловленное соударениями дрейфующих электронов с колеблющимися ионами кристаллической решетки металла.

Сопротивление однородного цилиндрического проводника прямо пропорционально его длине l, обратно пропорционально площади поперечного сечения S и зависит от удельного сопротивления материала ρ:

В СИ сопротивление измеряется в Омах (Ом), удельное сопротивление ρ — в Ом · м (или Ом · мм² / м).

Закон Ома для участка цепи (немецкий физик Георг Ом, 1826 г.): сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению: