Конспект лекций для студентов 1 курса колледжа по теме "Электрический ток в металлах "
учебно-методический материал по физике (10 класс) по теме

Электрический ток в металлах.

План:

1. Природа электрического тока в металлах. Параметры тока.
2. Причины, объясняющие сопротивление проводника электрическому току.
3. Зависимость сопротивления проводника от некоторых параметров.
4. Закон Ома для  участка цепи постоянного тока.
5. Соединения потребителей в батареи.
6. Электродвижущая сила источника тока.
7. Закон Ома для полной цепи постоянного тока.
8. Анализ закона Ома.
9. Соединение источников тока в батареи.
10. Работа тока.
11. Закон Джоуля – Ленца.

1. Носителями свободного заряда в металлах являются электроны. Перемещение заряда происходит тогда, когда электроны участвуют не только в хаотическом (тепловом), но и в упорядоченном движении. В этом случае говорят, что возник электрический ток.

Направленное движение заряженных частиц в проводнике под действием сил электрического поля  называют электрическим током.

За направление тока принято направление движения положительно заряженных частиц.

Электрический ток, значение и направление которого не меняется с течением времени, называется постоянным.

Величину, характеризующую быстроту переноса заряда через поперечное сечение проводника называют силой тока. Ее измеряют зарядом, прошедшим через поперечное сечение проводника в единицу времени.

            Единица измерения – Ампер.

Если два параллельных проводника, расположенных в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой 2*10-7  Н на каждый метр длины проводников, то сила тока, проходящего по проводникам, равна 1 Амперу. 

Сила тока - это количественная характеристика тока.

Величину, характеризующую быстроту переноса заряда через единицу площади поперечного сечения проводника, называют плотностью тока. Ее измеряют зарядом, прошедшим через единицу площади поперечного сечения проводника в единицу времени.

            Единица измерения:

Электрический ток оказывает действия:

• Тепловое – нагревание проводника при прохождении по нему электрического тока
• Химическое – изменение химического состава вещества
• Магнитное – силовое воздействие на соседние токи или намагниченные тела.

Для существования тока в проводнике необходимы: свободные носители заряда; источник тока; сила, действующая на частицы в определенном направлении (обычно это электрическое поле внутри проводника).

Чтобы ток существовал долго, надо заставить заряды циркулировать по цепи. Для этого ее замыкают. Обязательные элементы цепи: источник тока, потребитель, соединительные провода, выключатель.

2. При упорядоченном движении по проводнику электроны взаимодействуют с ионами кристаллической решетки. В результате скорость электронов уменьшается. Значит, и заряд, перенесенный в единицу времени через поперечное сечение проводника, будет меньшим (сила тока уменьшилась). Говорят, что проводник оказывает сопротивление току.

Величину, характеризующую противодействие току в проводнике, обусловленное внутренним строением проводника и хаотическим движением его частиц, называют сопротивлением.

        единица измерения: 1 Ом,    

Причины сопротивления:

• Взаимодействие электронов проводимости с ионами кристаллической решетки
• Взаимодействие электронов проводимости с электронами, которые связаны с ионами кристаллической решетки
• Влияние дефектов и примесей

3. Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его сечения.

Величину, характеризующую зависимость сопротивления проводника от рода вещества, из которого он сделан, называют удельным сопротивлением. Единица измерения: 1Ом*м.

При нагревании сопротивление проводника увеличивается.

Величину, характеризующую зависимость удельного сопротивления проводника при нагревании от рода вещества называют температурным коэффициентом сопротивления. Его измеряют числом, показывающим, на какую часть своей величины при 00 С изменится удельное сопротивление при нагревании на 10 С

 Сопротивление проводника при температуре t0 находят по формуле

,

где - сопротивление при некоторой температуре

- сопротивление при 0 0 С

 - температурный коэффициент сопротивления – величина, характеризующая зависимость удельного сопротивления проводника при нагревании от рода вещества.

В 1911 году Камерлинг – Оннес обнаружил явление сверхпроводимости: при охлаждении проводника до сверхнизких температур его сопротивление резко падает до нуля

4. Георг Ом опытным путем установил, что между силой тока на участке цепи и приложенным напряжением существует прямая зависимость. Графически она представляется в виде прямой.

Закон Ома: Сил тока на участке цепи без ЭДС прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению. 

Последовательное соединение потребителей

                                R1                                          R2                                             R3

qАВ = q1 = q2 = q3  

I АВ = I1 = I2 = I3                  Сила тока во всех участках цепи одинакова.

U АВ = U1 + U2 + U3        Напряжение на внешней цепи равно сумме напряжений на отдельных участках цепи.

R АВ = R1 + R2 + R3        Сопротивление всей цепи равно сумме сопротивлений отдельных участков.

Сопротивление, при включении которого вместо всех других проводников, находящихся между двумя точками цепи, ток и напряжение остаются неизменными, называют эквивалентным сопротивлением этих проводников. 

 U1 : U2 =  R1 : R2            Напряжения на отдельных участках цепи прямо пропорционально сопротивлению этих участков.

Для защиты электропроводки или электроприборов от перегрузки  используют предохранители (автоматы). Предохранитель всегда включают в цепь последовательно с прибором. Электрическое сопротивление автомата мало, чтобы при  достижении максимального тока он успел сработать.

Параллельное соединение потребителей

R1

R2

R3

qАВ = q1 + q2 + q3      

I АВ = I1 + I2  + I3                 Ток до и после разветвления равен сумме токов на отдельных ветвях.

U АВ = U1 = U2 = U3        Напряжения на ветвях и на всем разветвлении одинаковы.

     Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью цепи. Проводимость всей цепи равна сумме проводимостей отдельных участков.

I1 : I2  = R2 : R1

Токи в ветвях обратно пропорциональны сопротивлениям ветвей

В целях безопасной эксплуатации все электроприборы должны быть заземлены. Контур заземления включают в цепь параллельно прибору. Провод имеет малое сопротивление (по сравнению с прибором), т.к. весь ток должен проходить по нему.

6. Чтобы ток в цепи существовал длительное время, нужно поддерживать на концах проводника постоянную разность потенциалов. Это делает источник тока (генератор). Если в цепи действуют только электрические силы, то работа их по замкнутому контуру равна нулю. На заряд должны действовать силы не только электрической, но и неэлектрической природы.  Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, кроме электростатического происхождения, называются сторонними силами.  Участок цепи , на котором заряды перемещаются под действием электрических сил, называется потребителем или внешним участком. Здесь электрическая энергия превращается в другие виды.  Участок цепи , на котором заряды перемещаются под действием сторонних сил, называется источником тока или внутренним участком цепи. Здесь электрическая энергия получается за счет других видов энергии. Действие сторонних сил характеризуется электродвижущей силой (э.д.с.).  (Провести гидродинамическую аналогию).

Определение: Величину, характеризующую зависимость электрической энергии, приобретенной зарядом в генераторе, от его внутреннего устройства, называют электродвижущей силой (ЭДС).   Ее измеряют работой сторонних сил, совершенной при перемещении единичного положительного заряда.

E = А /q

Единица ЭДС. в СИ — вольт (В).

7. В источнике тока под действием сторонних сил происходит разделение зарядов. Так как они движутся, они взаимодействуют с ионами кристаллов и электролитов, отдавая им часть своей энергии. Это приводит к уменьшению силы тока. Таким образом, источник тока обладает сопротивлением, которое называют внутренним.

Составим цепь из   источника тока и потребителя. ЭДС численно равна энергии, которую заряд приобрел в генераторе. Напряжение равно той энергии, которую заряд теряет во внешней цепи. Кроме того, при движении во внутренней цепи заряд теряет энергию на преодоление сопротивления источника (I*r)

По закону сохранения энергии для заряда:

 E = U + I * r          Так как U = I * R , то получим     E = I * R + I * r   Вынесем за скобки  E = I ( R + r)

I= E /( R + r)

Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС источника к полному сопротивлению цепи.

8. Проанализируем зависимость I ( R)

А) при  увеличении внешнего сопротивления сила тока уменьшается и наоборот.

Б) при R→∞ (разрыв цепи)  I→0. Напряжение на полюсах источника тока равно его ЭДС.

В) при R→0 (короткое замыкание)   (ток короткого замыкания)

9. Различают 2 типа соединений источников тока: последовательное и  параллельное.  

последовательное  

         E1 , r1                    E2 , r2                      E3 , r3

Заряд приобретает энергию в каждом источнике, поэтому E = E1 * n ; r = r1 * n

параллельное

                                                E1 , r1

                                             E2 , r2           

                                                E3 , r3

Заряд приобретает энергию в 1 источнике, поэтому E = E1 ; r =  

Увеличение ЭДС дает только последовательное соединение, его используют, когда внутреннее сопротивление много меньше внешнего. Параллельное  соединение используют, когда внутреннее сопротивление много больше внешнего. Если внешнее и внутреннее сопротивление примерно равны, то используют смешанное соединение источников.

10. При упорядоченном движении электронов электрическое поле совершает работу. Ее принято называть работой тока. Пусть за время t через сечение S проводника проходит заряд q. Электрическое поле совершит работу по перемещению этого заряда A=q*U

Так как сила тока , то , следовательно,

Прибор для измерения работы тока называется электросчетчик. Единица измерения работы тока – Джоуль. Однако на практике пользуются внесистемной единицей измерения:  киловатт – часом.

1 кВТ*ч = 3,6 *10 6 Дж

Мощность тока равна отношению работы тока за некоторое время t к этому времени. 

Единица измерения мощности – Ватт.

11. Нагретый проводник отдает тепло окружающим телам. Электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки и при столкновении отдают им часть своей кинетической энергии. Потенциальная энергия ионов сильно возрасти не может, поэтому возрастает кинетическая. А это приводит к увеличению температуры проводника.

Закон Джоуля – Ленца:

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.