Головна онлайн підручники База репетиторів Росії Тренажери з фізики Підготовка до ЄДІ 2017 онлайн
Глава 1. Електродинаміка
Постійний електричний струм
1.8. Електричний струм. Закон Ома
Наша сеть партнеров Banwar
Якщо ізольований провідник помістити в електричне поле 
то на вільні заряди q в провіднику буде діяти сила 
В результаті в провіднику виникає короткочасне переміщення вільних зарядів. Цей процес закінчиться тоді, коли власне електричне поле зарядів, що виникли на поверхні провідника, компенсує повністю зовнішнє поле. Результуюче електростатичне поле усередині провідника дорівнюватиме нулю ( см. § 1.5 ).
Однак, в провідниках при певних умовах може виникнути безперервне впорядкований рух вільних носіїв електричного заряду. Такий рух називається електричним струмом. За направлення електричного струму прийнято напрямок руху позитивних вільних зарядів. Для існування електричного струму в провіднику необхідно створити в ньому електричне поле.
Кількісною мірою електричного струму служить сила струму I - скалярна фізична величина, що дорівнює відношенню заряду Δ q, що переноситься через поперечний переріз провідника (рис. 1.8.1) за інтервал часу Δ t, до цього інтервалу часу:
Якщо сила струму і його напрям не змінюються з часом, то такий струм називається постійним.
У Міжнародній системі одиниць СІ сила струму вимірюється в амперах (А). Одиниця виміру струму 1 А встановлюється по магнітному взаємодії двох паралельних провідників зі струмом ( см. § 1.16 ).
Постійний електричний струм може бути створений тільки в замкнутому ланцюзі, в якій вільні носії заряду циркулюють по замкнутих траєкторіях. Електричне поле в різних точках такого ланцюга незмінно в часі. Отже, електричне поле в ланцюзі постійного струму має характер замороженого електростатичного поля. Але при переміщенні електричного заряду в електростатичному полі по замкнутій траєкторії, робота електричних сил дорівнює нулю ( см. § 1.4 ). Тому для існування постійного струму необхідна наявність в електричному ланцюзі пристрою, здатного створювати і підтримувати різниці потенціалів на ділянках ланцюга за рахунок роботи сил неелектростатіческого походження. Такі пристрої називаються джерелами постійного струму. Сили неелектростатіческого 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 ланцюзі відіграє ту ж роль, що і насос, який необхідний для перекачування рідини в замкнутій гідравлічній системі. Під дією сторонніх сил електричні заряди рухаються всередині джерела струму проти сил електростатичного поля, завдяки чому в замкнутому ланцюзі може підтримуватися постійний електричний струм.
При переміщенні електричних зарядів по ланцюгу постійного струму сторонні сили, що діють всередині джерел струму, здійснюють роботу.
Фізична величина, що дорівнює відношенню роботи Aст сторонніх сил при переміщенні заряду q від негативного полюса джерела струму до позитивного до величини цього заряду, називається електрорушійної силою джерела (ЕРС):
Таким чином, ЕРС визначається роботою, яку здійснюють сторонніми силами при переміщенні одиничного позитивного заряду. Електрорушійна сила, як і різниця потенціалів, вимірюється в вольтах (В).
При переміщенні одиничного позитивного заряду по замкнутому ланцюзі постійного струму робота сторонніх сил дорівнює сумі ЕРС, що діють в цьому ланцюзі, а робота електростатичного поля дорівнює нулю.
Ланцюг постійного струму можна розбити на окремі ділянки. Ті ділянки, на яких не діють сторонні сили (т. Е. Ділянки, що не містять джерел струму), називаються однорідними. Ділянки, які включають джерела струму, називаються неоднорідними.
При переміщенні одиничного позитивного заряду по деякому ділянці ланцюга роботу здійснюють як електростатичні (кулонівських), так і сторонні сили. Робота електростатичних сил дорівнює різниці потенціалів Δφ12 = φ1 - φ2 між початковою (1) і кінцевої (2) точками неоднорідної ділянки. Робота сторонніх сил дорівнює за визначенням електрорушійної силі 
12, що діє на даній ділянці. Тому повна робота дорівнює
Величину U12 прийнято називати напругою на ділянці кола 1-2. У разі однорідної ділянки напруга дорівнює різниці потенціалів:
Німецький фізик Георг Ом в 1826 році експериментально встановив, що сила струму I, поточного по однорідній металевому провіднику (т. Е. Провіднику, в якому не діють сторонні сили), пропорційна напрузі U на кінцях провідника:
Величину R прийнято називати електричним опором. Провідник, що володіє електричним опором, називається резистором. Дане співвідношення виражає закон Ома для однорідної ділянки кола: сила струму в провіднику прямо пропорційна прикладеній напрузі і обернено пропорційна опору провідника.
В СІ одиницею електричного опору провідників служить му (Ом). Опором в 1 Ом володіє такою ділянку ланцюга, в якому при напрузі 1 В виникає струм силою 1 А.
Провідники, що підкоряються закону Ома, називаються лінійними. Графічна залежність сили струму I від напруги U (такі графіки називаються вольт-амперних характеристиками, скорочено ВАХ) зображується прямою лінією, що проходить через початок координат. Слід зазначити, що існує багато матеріалів і пристроїв, які не підкоряються закону Ома, наприклад, напівпровідниковий діод або газорозрядна лампа. Навіть у металевих провідників при токах досить великої сили спостерігається відхилення від лінійного закону Ома, так як електричний опір металевих провідників зростає з ростом температури.
Для ділянки кола, що містить ЕРС, закон Ома записується в такій формі:
Це співвідношення прийнято називати узагальненим законом Ома або законом Ома для неоднорідної ділянки кола.
На рис. 1.8.2 зображена замкнута ланцюг постійного струму. Ділянка ланцюга (cd) є однорідним.
Малюнок 1.8.2. Ланцюг постійного струму
Згідно із законом Ома
Ділянка (ab) містить джерело струму з ЕРС, яка дорівнює .
Згідно із законом Ома для неоднорідної ділянки,
Склавши обидва рівності, отримаємо:
Але Δφ cd = Δφ ba = - Δφ ab. Тому
Ця формула висловлюється закон Ома для повного кола: сила струму в повній ланцюга дорівнює електрорушійної силі джерела, поділеній на суму опорів однорідного і неоднорідного ділянок ланцюга.
Опір r неоднорідної ділянки на рис. 1.8.2 можна розглядати як внутрішній опір джерела струму. В цьому випадку ділянка (ab) на рис. 1.8.2 є внутрішнім ділянкою джерела. Якщо точки a і b замкнути провідником, опір якого мало в порівнянні з внутрішнім опором джерела (R << r), тоді в ланцюзі потече струм короткого замикання
Сила струму короткого замикання - максимальна сила струму, яку можна отримати від даного джерела з електрорушійної силою і внутрішнім опором r. У джерел з малим внутрішнім опором струм короткого замикання може бути дуже великий і викликати руйнування електричного кола або джерела. Наприклад, у свинцевих акумуляторів, що використовуються в автомобілях, сила струму короткого замикання може становити кілька сотень ампер. Особливо небезпечні короткі замикання в освітлювальних мережах, що живляться від підстанцій (тисячі ампер). Щоб уникнути руйнівної дії таких великих струмів, в ланцюг включаються запобіжники або спеціальні автомати захисту мереж.
У ряді випадків для запобігання небезпечних значень сили струму короткого замикання до джерела послідовно приєднується деякий зовнішній опір. Тоді опір r дорівнює сумі внутрішнього опору джерела і зовнішнього опору, і при короткому замиканні сила струму не виявиться надмірно великий.
Якщо зовнішня ланцюг розімкнути, то Δφ ba = - Δφ ab = , Т. Е. Різницю потенціалів на полюсах розімкнутого батареї дорівнює її ЕРС.
Якщо зовнішнє навантажувальний опір R включено і через батарею протікає струм I, різниця потенціалів на її полюсах стає рівною
На рис. 1.8.3 дано схематичне зображення джерела постійного струму з ЕРС дорівнює і внутрішнім опором r в трьох режимах: «холостий хід», робота на навантаження і режим короткого замикання (к. с.). вказані напруженість 
електричного поля всередині батареї і сили, що діють на позитивні заряди: 
- електрична сила і 
- стороння сила. У режимі короткого замикання електричне поле всередині батареї зникає.
Малюнок 1.8.3. Схематичне зображення джерела постійного струму: 1 - батарея розімкнути; 2 - батарея замкнута на зовнішній опір R; 3 - режим короткого замикання
Для вимірювання напруг і струмів в електричних ланцюгах постійного струму використовуються спеціальні прилади - вольтметри і амперметри.
Вольтметр призначений для вимірювання різниці потенціалів, яка додається до його клем. Він підключається паралельно ділянки кола, на якому виробляється вимір різниці потенціалів. Будь-вольтметр володіє деяким внутрішнім опором R B. Для того, щоб вольтметр не вносив помітного перерозподілу струмів при підключенні до вимірюваної ланцюга, його внутрішній опір має бути велике в порівнянні з опором того ділянки кола, до якого він підключений. Для ланцюга, зображеної на рис. 1.8.4, ця умова записується у вигляді:
Оскільки всередині вольтметра не діють сторонні сили, різниця потенціалів на його клемах збігається з визначенням з напругою. Тому можна говорити, що вольтметр вимірює напругу.
Амперметр призначений для вимірювання сили струму в ланцюзі. Амперметр включається послідовно в розрив електричного кола, щоб через нього проходив весь вимірюваний струм. Амперметр також володіє деякими внутрішнім опором RA. На відміну від вольтметра, внутрішній опір амперметра повинно бути досить малим в порівнянні з повним опором всьому ланцюгу. Для ланцюга на рис. 1.8.4 опір амперметра повинно задовольняти умові
Вимірювальні прилади - вольтметри і амперметри - бувають двох видів: стрілочні (аналогові) і цифрові. Цифрові електровимірювальні прилади є складні електронні пристрої. Зазвичай цифрові прилади забезпечують більш високу точність вимірювань.
Малюнок 1.8.4. Включення амперметра (А) і вольтметра (В) в електричний ланцюг
Дивіться також: Математика , Англійська мова , хімія , Біологія , фізика , Географія , Астрономія . А також: online підготовка до ЄДІ на College.ru, бібліотека ЕОРов і навчальні програми на Multiring.ru.