ФІЗИКА. Вчимося розв'язувати задачі. "ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ". Компенсаційний курс

Розділ ІІ. Постійний електричний струм

1.1. Характеристики та умови існування електричного струму

Електричний струм характеризується величиною і напрямом, за який прийнято напрям перенесення позитивного заряду. Тож напрям струму збігається з напрямом упорядкованого руху позитивних і є протилежним до напрямку руху негативних носіїв струму (рис. 2.1).

Примітка. В твердих провідниках струм створюється електронами і є спрямований протилежно до напрямку реального руху носіїв. Але через електричну нейтральність речовини переміщення в ній негативного заряду є рівнозначним до такого самого зворотнього переміщення позитивного заряду. Тому далі задля зручності будемо вважати носії позитивно зарядженими.

Кількісною характеристикою струму є величина, що називається силою струму й визначає швидкість перенесення заряду по провіднику. А саме,

сила постійного струму І дорівнює відношенню заряду, що проходить крізь переріз провідника, до часу його проходження:

$I=\frac{q}{t}$.

(2.1)

Якщо струм змінюється з часом, то аналогічне відношення заряду до проміжку часу

$I=\frac{\Delta q}{\Delta t}$

(2.1а)

визначає середню силу струму за цей проміжок.

При неперервній зміні струм у кожний момент визначається миттєвою силою струму, яка є границею відношення (2.1а), тобто похідною:

$I=\underset{\Delta t\to 0}{\mathop{\lim }}\,\sum{\frac{\Delta q}{\Delta t}}=\frac{dq}{dt}\equiv {q}'$.

(2.2)

Сила струму вимірюється в амперах (А). Одиниця 1А визначається через магнітну взаємодію електричних струмів і є основною в системі СІ. Це означає, що одиниці інших електричних і магнітних величин прямо чи опосередковано визначаються через ампер. До прикладу, відповідно до означення (2.1), одиниця заряду 1 Кл = 1 А·с, тобто один кулон дорівнює кількості електрики, що при силі струму один ампер проходить крізь переріз провідника за одну секунду.

У теорії й на практиці важливою характеристикою електричного струму також є

густина струму j – відношення сили струму до площі поперечного перерізу провідника:

$j=\frac{I}{S}$.

(2.3)

Густина струму вимірюється в ”амперах на квадратний метр “ (A/м²) . У техніці зазвичай використовують кратну одиницю 1 А/мм² = 10⁶ А/м².

Густина струму залежить від концентрації носіїв n, їхнього заряду e та швидкості впорядкованого руху u. Дійсно, в шарі провідника товщиною l і площею поперечного перерізу S (рис. 2.2) міститься заряд q = enSl, який проходить крізь переріз провідника за час t = (l/u). Отже, з означень (2.1) і (2.3) виходить, що густина та сила струму є прямо пропорційні швидкості впорядкованого руху носіїв струму:

j = enu;	(2.4)
І = enSu.	(2.4а)

Будь-яка речовина містить однакову кількість негативно та позитивно заряджених елементарних частинок, між якими діють кулонівські сили притягання, котрі перешкоджають (створюють “опір”) упорядкованому рухові носіїв. Тому для його подолання на носії мають діяти так звані “сторонні сили” – якісь сили не електростатичної природи. На практиці сторонні сили створюються за допомогою спеціальних пристроїв —“джерел струму” (батарейок і акумуляторів, фотоелементів, потужних індукційних генераторів, тощо). Наявність джерела є однією з двох обов'язкових умов існування електричного струму. Другою є замкненість провідника, позаяк різнойменні заряди, що одразу виникають на кінцях незамкненого провідника під дією сторонніх сил, своїм кулонівським полем нівелюють їхню дію й унеможливлюють подальший упорядкований рух носіїв.

З'єднані між собою джерела та різні пристрої, що утворюють один, або декілька замкнених провідних контурів, називається електричним колом.

Розглянемо, як працює найпростіше електричне коло, в якому джерело струму та з'єднані з ним пристрої утворюють лишень один провідний контур, як схематично показано на рис. 2.3.

Як щойно говорилося, у розімкненому колі надлишкові заряди на полюсах (клемах) джерела не створюють струму. Проте вони створюють всередині та назовні джерела кулонівське електричне поле ${{\vec{E}}_{к}}$, під дією котрого в момент замикання кола носії струму починають рухатися по зовнішній ділянці до протилежно зарядженого полюса і частково нейтралізують його та послаблюють кулонівське поле. Через це сторонні сили ${{\vec{F}}_{ст}}$ отримують перевагу над кулонівськими ${{\vec{F}}_{k}}$, тож “підхоплюють” прибулі носії і “перетягають” їх всередині джерела у вихідне положення. Цей процес іде неперервно й створює в колі циркуляцію заряду, тобто – електричний струм. Отже, джерело струму в колі діє подібно до насоса, який переганяє рідину від вхідного до вихідного отвору, примушуючи її циркулювати по замкненому трубопроводу.