Если изолированный проводник поместить в электронное поле то на свободные заряды q в проводнике будет действовать сила В итоге в проводнике появляется краткосрочное перемещение свободных зарядов. Этот процесс завершится тогда, когда собственное электронное поле зарядов, появившихся на поверхности проводника, не скомпенсирует стопроцентно наружное поле. Результирующее электростатическое поле снутри проводника равно нулю (см. § 4.5). Но, в проводниках может при определенных критериях появиться непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электронного заряда.

Такое движение именуется электронным током. За направление электронного тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электронного тока в проводнике нужно сделать в нем электронное поле. Количественной мерой электронного тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 4.8.1) за интервал времени Δt, к этому интервалу времени:

  Если сила тока и его направление не меняются с течением времени, то таковой ток именуется неизменным.

1

Набросок 4.8.1. Упорядоченное движение электронов в железном проводнике и ток I. S – площадь поперечного сечения проводника, – электронное поле.

В Интернациональной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А). Единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию 2-ух параллельных проводников с током (см. § 4.16). Неизменный электронный ток может быть сотворен исключительно в замкнутой цепи, в какой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Электронное поле в различных точках таковой цепи постоянно во времени. Как следует, электронное поле в цепи неизменного тока имеет нрав замороженного электростатического поля. Но при перемещении электронного заряда в электростатическом поле по замкнутой линии движения, работа электронных сил равна нулю (см. § 4.4).

Потому для существования неизменного тока нужно наличие в электронной цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства именуются источниками неизменного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, именуются посторонними силами. Природа посторониих сил может быть различной. В гальванических элементах либо аккумах они появляются в итоге химических процессов, в генераторах неизменного тока посторонние силы появляются при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электронной цепи играет ту же роль, что и насос, который нужен для перекачки воды в замкнутой гидравлической системе.

Под действием посторониих сил электронные заряды движутся снутри источника тока против сил электростатического поля, по этому в замкнутой цепи может поддерживаться неизменный электронный ток. При перемещении электронных зарядов по цепи неизменного тока посторонние силы, действующие снутри источников тока, совершают работу. Физическая величина, равная отношению работы Aст посторониих сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, именуется электродвижущей силой источника (ЭДС):

  Таким макаром, ЭДС определяется работой, совершаемой посторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В). При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи неизменного тока работа посторониих сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю. Цепь неизменного тока можно разбить на определенные участки. Те участки, на которых не действуют посторонние силы (другими словами участки, не содержащие источников тока), именуются однородными. Участки, включающие источники тока, именуются неоднородными. При перемещении единичного положительного заряда по некому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и посторонние силы. Работа электростатических сил равна разности потенциалов Δφ12 = φ1 – φ2 меж исходной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Работа посторониих сил равна по определению электродвижущей силе 12, действующей на данном участке. Потому полная работа равна

U12 = φ1 – φ2 + 12.

  Величину U12 принято именовать напряжением на участке цепи 1–2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов:

U12 = φ1 – φ2.

  Германский физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному железному проводнику (другими словами проводнику, в каком не действуют посторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:

где R = const.  Величину R принято именовать электронным сопротивлением. Проводник, владеющий электронным сопротивлением, именуется резистором. Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и назад пропорциональна сопротивлению проводника. В СИ единицей электронного сопротивления проводников служит ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает таковой участок цепи, в каком при напряжении 1 В появляется ток силой 1 А. Проводники, подчиняющиеся закону Ома, именуются линейными.

Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики именуются вольт-амперными чертами, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Необходимо подчеркнуть, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, к примеру, полупроводниковый диодик либо газоразрядная лампа. Даже у железных проводников при довольно огромных токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, потому что электронное сопротивление железных проводников вырастает с ростом температуры. Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в последующей форме:

IR = U12 = φ1 – φ2 +  = Δφ12 + .

  Это соотношение принято именовать обобщенным законом Ома. На рис. 4.8.2 изображена замкнутая цепь неизменного тока. Участок цепи (cd) является однородным.

2

Набросок 4.8.2. Цепь неизменного тока.

По закону Ома,

IR = Δφcd.

  Участок (ab) содержит источник тока с ЭДС, равной . По закону Ома для неоднородного участка,

Ir = Δφab + .

  Сложив оба равенства, получим:

I(R + r) = Δφcd + Δφab + .

  Но Δφcd = Δφba = – Δφab. Потому

  Эта формула выражет закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи. Сопротивление r неоднородного участка на рис. 4.8.2 можно рассматривать как внутреннее сопротивление источника тока. В данном случае участок (ab) на рис. 4.8.2 является внутренним участком источника. Если точки a и b замкнуть проводником, сопротивление которого не достаточно по сопоставлению с внутренним сопротивлением источника (R << r), тогда в цепи потечет ток недлинного замыкания

  Сила тока недлинного замыкания – наибольшая сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой и внутренним сопротивлением r. У источников с малым внутренним сопротивлением ток недлинного замыкания может быть очень велик и вызывать разрушение электронной цепи либо источника. К примеру, у свинцовых аккумов, применяемых в автомобилях, сила тока недлинного замыкания может составлять несколько сотен ампер. В особенности небезопасны недлинные замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тыщи ампер). Чтоб избежать разрушительного деяния таких огромных токов, в цепь врубаются предохранители либо особые автоматы защиты сетей.

В ряде всевозможных случаев для предотвращения небезопасных значений силы тока недлинного замыкания к источнику подсоединяется некое наружное балластное сопротивление. Тогда сопротивление r равно сумме внутреннего сопротивления источника и наружного балластного сопротивления. Если наружняя цепь разомкнута, то Δφba = – Δφab = , другими словами разность потенциалов на полюсах разомкнутой батареи равна ее ЭДС. Если наружное нагрузочное сопротивление R включено и через батарею протекает ток I, разность потенциалов на ее полюсах становится равной

Δφba =  – Ir.

  На рис. 4.8.3 дано схематическое изображение источника неизменного тока с ЭДС равной и внутренним сопротивлением r в 3-х режимах: «холостой ход», работа на нагрузку и режим недлинного замыкания (к. з.). Указаны напряженность электронного поля снутри батареи и силы, действующие на положительные заряды: – электронная сила и – посторонняя сила. В режиме недлинного замыкания электронное поле снутри батареи исчезает.

3

Набросок 4.8.3. Схематическое изображение источника неизменного тока: 1 – батарея разомкнута; 2 – батарея замкнута на наружное сопротивление R; 3 – режим недлинного замыкания.

Для измерения напряжений и токов в электронных цепях неизменного тока употребляются особые приборы – вольтметры и амперметры. Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором делается измерение разности потенциалов. Хоть какой вольтметр обладает неким внутренним сопротивлением RB. Для того, чтоб вольтметр не вносил приметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сопоставлению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Для цепи, изображенной на рис. 4.8.4, это условие записывается в виде:

RB >> R1.

Это условие значит, что ток IB = Δφcd / RB, протекающий через вольтметр, много меньше тока I = Δφcd / R1, который протекает по узмеряемому участку цепи.  Так как снутри вольтметра не действуют посторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Потому можно гласить, что вольтметр определяет напряжение. Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр врубается поочередно в разрыв электронной цепи, чтоб через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает неким внутренним сопротивлением RA. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть довольно малым по сопоставлению с полным сопротивлением всей цепи. Для цепи на рис. 4.8.4 сопротивление амперметра должно удовлетворять условию

RA << (r – R1 + R2),

чтоб при включении амперметра ток в цепи не изменялся.  Измерительные приборы – вольтметры и амперметры – бывают 2-ух видов: стрелочные (аналоговые) и цифровые. Цифровые электроизмерительные приборы представляют собой сложные электрические устройства. Обычно цифровые приборы обеспечивают более высшую точность измерений.

4

Набросок 4.8.4. Включение амперметра (А) и вольтметра (В) в электронную цепь.