Електричний струм

Якщо ізольований провідник помістити в електричне поле, напруженості Е, то на вільні заряди q в провіднику діятиме сила F=qE. В результаті в провіднику виникає короткочасне переміщення вільних зарядів. Такий рух називається електричним струмом. За напрям електричного струму прийнятий напрям руху позитивних зарядів (рис. 3.19). Для існування електричного струму в провіднику необхідно створити в ньому електричне поле.

Кількісною мірою електричного струму служить сила струму I - скалярна фізична величина, рівна відношенню заряду Δ q, який переноситься через поперечний переріз провідника S за інтервал часу Δ t, до цього інтервалу часу:

(3.29)

Якщо сила струму і його напрям не змінюються з часом, то такий струм називається постійним.

Рисунок 3. 19.

У Міжнародній системі одиниць СІ сила струму вимірюється в амперах (А). Одиниця виміру струму 1 А встановлюється по магнітній взаємодії двох паралельних провідників із струмом.

Векторна фізична величина, яка визначається силою струму, що проходить, через одиницю площі поперечного перерізу провідника - називається густиною струму J. Напрям вектора густини струму співпадає з напрямом струму.

(3.30)

§ 44. Сторонні сили. Електрорушійна сила. Напруга

Постійний електричний струм може бути створений тільки в замкнутому електричному колі, в якому вільні носії заряду циркулюють по замкнутих траєкторіях. Електричне поле в різних точках такого кола незмінне з часом. Отже, електричне поле в колі постійного струму має характер замороженого електростатичного поля. Але при переміщенні електричного заряду в електростатичному полі по замкнутій траєкторії, робота електричних сил дорівнює нулю. Тому для існування постійного струму потрібна наявність в електричному колі пристрою, здатного створювати і підтримувати різниці потенціалів на ділянках кола за рахунок роботи сил неелектричного походження. Такі пристрої називаються джерелами постійного струму. Сили неелектричного походження, що діють на вільні носії заряду з боку джерел струму, називаються сторонніми силами.

Природа сторонніх сил може бути різною. У гальванічних елементах або акумуляторах вони виникають в результаті електрохімічних процесів, в генераторах постійного струму сторонні сили виникають при русі провідників в магнітному полі. Джерело струму в електричному колі грає ту ж роль, що і насос, який потрібний для перекачування рідини в замкнутій гідравлічній системі. Під дією сторонніх сил електричні заряди рухаються усередині джерела струму проти сил електростатичного поля, завдяки чому в замкнутому колі може підтримуватися постійний електричний струм.

При переміщенні електричних зарядів по колу постійного струму сторонні сили, діючі усередині джерел струму, здійснюють роботу.

Фізична величина, рівна відношенню роботи A_ст сторонніх сил при переміщенні заряду q від негативного полюса джерела струму до позитивного до величини цього заряду, називається електрорушійною силою джерела (ЕРС):

. (3.31)

 

Таким чином, ЕРС визначається роботою, що здійснюється сторонніми силами при переміщенні одиничного позитивного заряду. Електрорушійна сила, як і різниця потенціалів, вимірюється у вольтах (В).

Коло постійного струму можна розбити на певні ділянки. Ті ділянки, на яких не діють сторонні сили (ділянки, що не містять джерел струму), називаються однорідними. Ділянки, що включають джерела струму, називаються неоднорідними.

При переміщенні одиничного позитивного заряду по неоднорідній ділянці кола роботу здійснюють як електростатичні (кулонівські), так і сторонні сили. Робота електростатичних сил визначається різницею потенціалів Δ φ ₁₂ =φ ₁ - φ ₂ між початковою (1) і кінцевою (2) точками неоднорідної ділянки. Робота сторонніх сил визначається електрорушійною силою ε ₁₂, діючою на цій ділянці. Тому повна робота визначається величиною:

U₁₂ = φ ₁ - φ ₂ + ε ₁₂.

Величину U₁₂ прийнято називати напругою на ділянці кола 1-2. У разі однорідної ділянки напруга дорівнює різниці потенціалів:

U₁₂ = φ ₁ - φ ₂.