2.2 Постоянный электрический ток. Законы Ома и Джоуля-Ленца
Атрибутом всех видов материи является движение. Философия выражает это фундаментальное свойство материи тезисом: «Движение абсолютно - покой относителен». Это всеобщее свойство распространяется и на электрические заряды (точнее, на их носители): они находятся в непрерывном движении того или иного рода, начиная с колебаний и собственных вращений протонов в атомных ядрах, собственных и орбитальных вращений электронов в оболочках атомов и оканчивая движением электрических зарядов в природных макропроцессах и технических системах.
В этом смысле неподвижные электрические заряды и создаваемые ими электростатические поля, рассмотренные в предыдущем параграфе, являются всего лишь полезными абстракциями, позволяющими в ряде случаев пренебречь реальными движениями электрических зарядов в целях упрощения моделей электрических явлений и познания их сути.Таким образом, электрические заряды в веществе находятся постоянно в различных видах движения, которые, как правило, упорядочены законами природы на микроуровне (уровне атомов и молекул) и на макроуровне в высокоорганизованной материи (в живых организмах), но носят хаотический, случайный характер на макроуровне в косной материи (неживом веществе). Задача извлечения электрической энергии из вещества - это задача создания упорядоченного движения носителей электрических зарядов в технических системах с использованием для этого как упорядоченного, так и хаотического движения природных носителей электрических зарядов. При перемещении электрического заряда в электрическом поле силами поля производится работа, которая может быть использована человеком. Создав упорядоченное движение носителей электрических зарядов в электрическом поле, мы тем самым даем возможность каждому заряду произвести соответствующий квант работы, т.е. полезно отдать свою электрическую энергию. Поскольку электрические силы велики (во много раз больше гравитационных сил), а элементарных зарядов в проводниках много, то огромна и отдаваемая ими в процессе движения суммарная энергия.
Перейдем к рассмотрению простейшего процесса упорядоченного движения электрических зарядов в технических системах - постоянному электрическому току.
Электрический ток - это упорядоченное (направленное) движение электрически заряженных частиц или заряженных макроскопических тел
За направление движения тока исторически принято направление движения положительно заряженных частиц. Если ток создается отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считается противоположным направлению движения частиц. Различают электрический ток проводимости, связанный с движением заряженных частиц относительно среды, и конвекционный электрический ток, связанный с движением макроскопических заряженных тел (например, заряженных капель дождя в атмосфере или заряженной плазмы в звездном веществе) [2.3]. Далее рассматриваются только токи проводимости.
Электрический ток проводимости - это ток, связанный с упорядоченным движением заряженных частиц относительно среды внутри макроскопических тел (проводников)
Для возникновения и существования электрического тока проводимости необходимы два условия: а) наличие в проводнике свободных заряженных частиц, не связанных жестко с единой нейтральной электрической системой проводника, б) наличие внешней силы, создающей и поддерживающей упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике. Проводники всегда содержат свободные или квазисвободные носители заряда - электроны (в металлах) или ионы - положительно или отрицательно заряженные атомы (в электролитах, в плазме). В первом случае говорят об электронной, а во втором - об ионной проводимости (существует и смешанная проводимость, при которой свободными носителями являются одновременно электроны и ионы). Силой, организующей направленное движение свободных носителей, выступает электрическое или электромагнитное поле внутри проводника. В частности, электрическое поле может быть создано разностью потенциалов на концах проводника за счет внешнего источника электрического поля - источника электродвижущей силы.
Электродвижущая сила (эдс) Ё - это физическая величина неэлектростатической природы, разделяющая электрические заряды и создающая в источнике эдс на его полюсах разность электрических
Перемещение зарядов в самом источнике эдс производится под действием сторонних непотенциальных сил (их работа зависит от траектории перемещения электрических зарядов) различного происхождения: химических, индукционных, тепловых и др. Эти силы разделяют электрические заряды внутри среды источника (поэтому их иногда называют электроразделительными) и концентрируют разноименные заряды на его полюсах, создавая тем самым между этими полюсами определенную разность электрических потенциалов.
В общем случае внешний проводник и источник эдс (генератор) образуют замкнутую электрическую цепь, в которой электрические заряды перемещаются в проводнике под действием
Постоянный электрический ток - это ток, сила и направление которого в проводнике не изменяется в течение определенного времени
При прохождении электрического тока в проводнике последний оказывает через свои связанные заряды электрическое и механическое противодействие упорядоченному, направленному движению свободных носителей зарядов, отклоняя их от этого движения, рассеивая и заставляя перемещаться хаотически при столкновениях со связанными зарядами (этот процесс аналогичен трению среды, тормозящему движение тел в ней). Например, в металлических проводниках рассеяние носителей заряда - электронов проводимости - происходит при их столкновениях с положительными ионами кристаллической решетки, находящихся в режиме тепловых колебаний, и с такими неоднородностями, как примесные атомы и дефекты решетки. При
этом ряссеяние зависит от температуры проводника и при ее уменьшении до значений близких к
