Основы электрического тока и суть закона Ома

Что такое электрический ток и каковы его условия существования

 К числу таких частиц относятся электроны, протоны, ионы, которые могут перемещаться в различных средах.

Если изолированный проводник помещается в внешний электрический потенциал с вектором напряжённости →E, на свободные заряды q в этом проводнике действует сила →F = q→E. В результате происходит их непродолжительное перемещение, однако этот процесс останавливается, когда индуцированное электрическое поле на поверхности полностью компенсирует воздействие внешнего поля. Тогда внутри проводника суммарное электростатическое поле обнуляется.

Чтобы обеспечить непрерывное и систематическое движение свободных носителей заряда (а именно таков электрический ток), в материале должен существовать постоянный источник электрического поля. Обычным соглашением принято считать, что направление электрического тока совпадает с направлением движения положительных зарядов. Сила тока I количественно описывает этот процесс — она равна количеству заряда Δq, проходящему через сечение проводника за время Δt: I = Δq/Δt.

Постоянный ток — это ток, сила и направление которого со временем не изменяются, и его появление возможно только в замкнутой проводящей цепи с неизменным электрическим полем на всех участках.

Для поддержания тока необходимо наличие устройств, формирующих и удерживающих разницу потенциалов между точками цепи. Обычно такую роль выполняет источник тока. Работа источника осуществляется за счёт сторонних сил, то есть сил, не относящихся к электростатическим.

Внутри любого источника тока заряды перемещаются вопреки электростатическим силам — этим обеспечивается сохранение неизменного тока в цепи. В процессе такие силы совершают работу, характеризуемую физической величиной — электродвижущей силой (ЭДС), которую можно рассчитать так: ε = Aст/q. Она показывает работу, выполненную сторонними силами при переносе одного кулона положительного заряда и измеряется в вольтах, как и разность потенциалов.

Строение цепи и обобщенный закон Ома

Цепь можно разбить на сегменты — участки цепи. Участки, где нет источников тока (отсутствуют сторонние силы) называют однородными. Участки с источниками — это неоднородные участки. Если положительный заряд проходит по неоднородному участку, работу по его перемещению выполняют и электростатические, и сторонние силы. Работа электростатики прямо связана с разностью потенциалов между началом и концом участка (Δφ₁₂ = φ₁ − φ₂), а работа сторонних сил — с величиной ЭДС этого участка ε₁₂. Суммарное напряжение на промежутке 1-2 выражается так: U₁₂ = φ₁ − φ₂ + ε₁₂. На однородном участке (если ε₁₂ = 0) напряжение просто U₁₂ = φ₁ − φ₂.

В 1826 году Георг Ом с помощью экспериментов вывел важный закон, известный теперь как закон Ома. Закон Ома связывает между собой силу тока, напряжение и сопротивление участка: сила тока (I) прямо пропорциональна приложенному напряжению (U) и обратно пропорциональна сопротивлению (R). Это выражается формулой: I = U/R, либо аналогично U = IR.

Линейные элементы (например, проволочные резисторы) подчиняются закону Ома, и их вольт-амперная характеристика — это прямая, идущая через начало координат. Однако существуют приборы и материалы (например, диоды, газоразрядные лампы), у которых связь между током и напряжением нелинейная, что свидетельствует об отклонении от закона Ома. Даже для металлических проводников при очень больших токах (или высоких температурах) могут наблюдаться значительные отклонения из-за роста сопротивления. В случае неоднородного участка обобщённый закон Ома таков: IR = φ₁ − φ₂ + ε₁₂, либо I = (φ₁ − φ₂ + ε₁₂)/R.

Закон Ома для полной электрической цепи

Для всей замкнутой цепи закон Ома формулируется следующим образом: сила тока равна отношению ЭДС источника (ε) к суммарному сопротивлению всех элементов цепи, включающему и внешнее сопротивление R, и внутреннее сопротивление источника r. Формула: I = ε / (R + r).

При коротком замыкании (когда внешнее сопротивление стремится к нулю), сила максимального тока определяется как Iкз = ε/r. Если r мало, ток может достичь опасных величин, способных разрушить цепь или сам источник. К примеру, автомобильные аккумуляторы способны отдавать токи на сотни ампер, а силовые линии — на тысячи. Вот почему для защиты используют нормируемые предохранители.