Ток в металлах

 Ток в металлах

Всякое упорядоченное движение носителей зарядов называют электрическим током. В металлах такими носителями являются электроны – отрицательно заряженные частицы с нарядом, равным элементарному заряду. За направление тока условно считают направление, противоположное направлению движения отрицательных нарядов.

Если за время от момента t до момента t+Δt через поперечное сечение проводника пройдет количество электричества Δq, то силой тока (величиной тока) в момент t (или мгновенным значением тока) называется предел

1)

Постоянный ток – такой ток, при котором за любые равные промежутки времени черен поперечное сечение проводника проходят одинаковые количества электричества. За единицу силы тока в системе СИ принят ампер (А). При силе тока в 1 А через поперечное сечение проводника за 1 сек проходит заряд в 1 Кл.

Плотностью тока (I) называют величину тока, проходящего через единицу поперечного сечения проводника. За единицу плотности принимают А/см², т. е. такую плотность, при которой через площадку в 1 см², перпендикулярную к направлению движения зарядов, идет ток в 1 А.

Плотность тока

j = nev ,

2)

где

n	—	число носителей зарядов в единице объема;
e	—	величина заряда носителя;
v	—	средняя скорость их упорядоченною перемещения.

Подвижность электронов (u) численно равна средней скорости их упорядоченного движения, которую они приобретают в поле напряженностью в 1 В/см: u = v/E; тогда

j = neuE = σE ,

3)

где

E	—	напряженность электрического поля внутри проводника;
σ	—	удельная проводимость.

σ = neu .

4)

Проводники, в которых ток обусловлен перемещением свободных электронов, называются проводникам первого рода. Металлы относятся к проводникам первого рода.

Если имеются носители зарядов разных знаков и величин, то общая плотность тока будет равна сумме плотностей, каждая из которых вычисляется для зарядов определенного знака и величины:

5)

Сила тока – величина скалярная, а плотность тока – величина векторная.

Для получения тока в проводнике необходимо на его концах поддерживать разность потенциалов. Устройства, которые позволяют поддерживать разность потенциалов, называются источниками (или генераторами) тока. Клеммы источника, посредством которых источник подключается к потребителю, называются полюсами. Полюс с более высоким потенциалом называется положительным, второй полюс – отрицательным.

В источниках тока различные формы энергии, не связанные с электрическим полем, преобразуются в электрическую энергии. На полюсах разомкнутого источника тока поддерживается разность потенциалов за счет работы таких сил, которые по своей природе отличаются oт электрических. Такие силы называются сторонними. Сторонние силы, действующие внутри источника, переносят заряды против направления действия электрических сил; электрические силы переносят заряды внутри источника от положительного полюса к отрицательному, сторонние силы – от отрицательного полюса к положительному.

Электродвижущей силой источника (ЭДС) называется величина, численно равная работе сторонних сил при перемещении единицы положительного заряда. ЭДС источника численно равна разности потенциалов на концах разомкнутого о элемента. Электродвижущая сила измеряется в тех же единицах, что и напряжение (например, в вольтах).

ЭДС возникает при диффузии ионов в электролитах, при электромагнитной индукции, при освещении светом полупроводниковых фотоэлементов и т. д.

Электрической цепью называется совокупность источников тока, соединительных проводников, приборов (или других устройств), в которых ток производит. В конечном итоге работа в цепи производится за счет ЭДС источника.

3акон Ома для участка цепи, в котором не действуют сторонние силы: сила тока в проводнике пропорциональна напряжению на его концах, т.е.

6)

В этом соотношении величина 1/R является коэффициентом пропорциональности и называется проводимостью. Величина R называется электрическим сопротивлением.

Схема, иллюстрирующая три составляющие закона Ома	Диаграмма, помогающая запомнить закон Ома. Нужно закрыть искомую величину, и два других символа дадут формулу для её вычисления
Рис.1.

Единица сопротивления в системе СИ – Ом. 1 Ом – сопротивление такого проводника, в котором устанавливается ток в 1 В при напряжении в 1 В на его концах.

Сопротивление проводника (постоянного сечения)

7)

где

ρ	—	удельное сопротивление, равное сопротивлению проводника в единицу длины с поперечным сечением в единицу площади;
l	—	длина проводника;
S	—	площадь поперечного сечения.

Величина σ = 1/ρ называется удельной проводимостью. В системе СИ ρ выражается и Ом·м. В электротехнике l принято измерять в м, сечение S – в мм²; тогда ρ выражается в Ом·мм²/м:

1 Ом·мм²/м = 10^-6Ом·м.

С повышением температуры удельное сопротивление большинства металлов увеличивается; это изменение удельного сопротивления может быть приближенно описано соотношением

ρt = ρ0 (1 + αt)

8)

где

ρt	—	удельное сопротивление при температуре t;
ρ0	—	удельное сопротивление при 0 °С;
α	—	температурный коэффициент сопротивления; этот коэффициент численно ранен изменению сопротивления при нагревании проводника на 1 °С, деленному на первоначальное сопротивление.

При определенных низких температурах у некоторых металлов удельное сопротивление скачком уменьшается и становится равным нулю. Это явление называют сверхпроводимостью.

При последовательном соединении сопротивлений общее сопротивление R_пос равно сумме отдельных сопротивлений R₁, R₂, R₃, …, R_n, т. е.

Rпос = R1 + R2 + R3 + … + Rn

9)

При параллельном соединении

10)

Закон Ома для участка цепи, в котором действует ЭДС: для участка цепи, в котором действует ЭДС, выполняется соотношение

11)

где

U	—	напряжение на участке;
R	—	сопротивление участка;
ε	—	величина ЭДС.

Следует иметь в виду, что знаки как ε, так и U могут быть положительными и отрицательными. ЭДС принимается положительной, если она повышает потенциал в направлении тока (ток идет от минуса к плюсу источника); напряжение принимается положительным, если ток внутри источника идет в направлении понижения потенциала (от плюса к минусу). Например, при зарядке аккумулятора (рис.2) зарядный ток

где

U	—	напряжение на клеммах источника при зарядке;
εа	—	ЭДС заряжаемого аккумулятора;
Rа	—	сопротивление аккумулятора (сопротивление соединительных проводников не учитывается).

Рис.2. Схема зарядки аккумулятора

Для участка ADB в том же случае

где

εu	—	ЭДС источника;
r	—	внутреннее сопротивление источника.

Для замкнутой неразветвленной цепи соотношение (11) принимает вид (в этом случае V = 0)

12)

где

R

—

внешнее сопротивление цепи.