На главую страницу

Физика → Методика → Экзамены → Ответы на билеты устных экзаменов → 28. Постоянный электрический ток. Сопротивление


   28. Постоянный электрический ток. Сопротивление

1. Постоянный электрический ток. 2. Электрический ток — дрейф заряженных частиц. 3. Сопротивление. 4. Вольт-амперная характеристика цепи. 5. Закон Ома для участка цепи. 6. Распространенные ошибки.

К представлению об электрическом токе можно подойти с разных позиций. Одна из них — макроскопическая, другая — опирается на анализ механизма проводимости. Например, течение жидкости по трубам можно рассматривать как непрерывное движение вещества, но можно проанализировать его и с точки зрения движения частиц жидкости.

Первое представление об электрическом токе возникло на том этапе развития физики, когда механизм проводимости еще не был известен. Именно тогда и возникла физическая величина — сила тока  I , которая показывает, какой электрический заряд  \Delta q проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени. Сила тока  I = \frac{\Delta q}{\Delta t} . Единица силы тока — ампер (А):  1 А = \frac{Кл}{с} .

Из определения силы тока следуют две особенности этой величины. Одна из них — это независимость силы тока от поперечного сечения проводника, по которому ток протекает. Вторая — независимость силы тока от пространственного расположения элементов цепи, в чем вы не раз могли убедиться: как бы ни перемещали проводники, это не влияет на силу тока. Ток называется постоянным, если сила тока не изменяется с течением времени.

Таким образом, представление об электрическом токе, его силе возникло тогда, когда еще не было ясно, что это такое.

Исследование электропроводимости различных веществ показало, что в разных веществах различные заряженные свободные частицы движутся под действием электрического поля в процессе протекания тока. Например, в металлах — это электроны, в жидкостях — это положительные и отрицательные ионы, в полупроводниках — электроны и «дырки». Различны не только типы частиц, но и характер их взаимодействия с веществом, в котором идет ток. Так, свободные электроны в металлах некоторое время  \tau движутся свободно между узлами кристаллической решетки, затем сталкиваются с ионами, расположенными в узлах. В электролитах ионы взаимодействуют друг с другом и с атомами жидкости.

Но для всех веществ есть общее свойство: частицы при отсутствии поля движутся хаотически, при возникновении поля к скорости хаотического движения добавляется очень небольшая величина скорости либо в направлении поля (для положительных частиц), либо в направлении, противоположном полю (для отрицательных частиц). Эта добавочная скорость называется скоростью дрейфа  v_{др}. Средняя скорость хаотического движения — сотни метров в секунду, скорость дрейфа — несколько миллиметров в секунду. Однако именно эта маленькая добавка и объясняет все действия тока.

Для любых веществ можно получить формулу для расчета силы тока:  I = n v_{др}|q_0|S , где  n — концентрация заряженных частиц,  q_0 — заряд одной частицы,  S — площадь поперечного сечения.

Таким образом, электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц.

Может показаться, что эта формула противоречит утверждению о независимости силы тока от площади поперечного сечения проводника. Но эта независимость — экспериментальный факт. Объяснить же его можно тем, что скорость дрейфа  v_{др} больше там, где сечение меньше, а через большее сечение частицы дрейфуют медленнее.

Опытный факт состоит в том, что при приложении к проводнику постоянной разности потенциалов по нему идет постоянный ток. Этот факт противоречит, на первый взгляд, формуле  I = n v_{др}|q_0|S . Действительно, при постоянной разности потенциалов в веществе создается поле с постоянной напряженностью поля  \vec E . Следовательно, на свободные частицы действует постоянная сила и скорость их должна увеличиваться. Получается, что при постоянном напряжении сила тока должна увеличиваться пропорционально времени. Этого не происходит потому, что при протекании тока в веществе возникает электрическое сопротивление. Именно оно обеспечивает постоянство силы тока при постоянной разности потенциалов.

Для измерения сопротивления необходимо исследовать зависимость силы тока от напряжения. График такой зависимости называется воль-тамперной характеристикой. Возможны три типа вольт-амперной характеристики (рис. 40).

Вольт-амперная характеристика 1 является линейной. Аналитическая зависимость силы тока от напряжения  I = \frac{U}{R} называется законом Ома для участка цепи.

После того как эксперимент показал, что сила тока пропорциональна напряжению, можно измерить сопротивление, для чего надо взять любую пару значении  U_0 и  I_0 и найти их отношение:  R =\frac{U_0}{I_0} . Единица сопротивления — ом (Ом):  1\,Ом = \frac{1\,В}{1\,А} .

Если эксперимент показал, что на вольт-амперной характеристике есть только небольшой линейный участок ( OB на характеристиках 2 и 3), то сопротивление только на этом участке можно найти как отношение  \frac{U}{I} .



Оставить комментарий
Сообщить об ошибке