Електричний струм

Електричний струм. Закон Ома.
 Паралельне та послідовне з'єднання провідників

Мал. 1 Електричний струм в металевому провіднику

   Якщо  ізольований провідник помістити в електричне поле  Е. то на вільні носії заряду q в провіднику діятиме сила  F = qE. В результаті в провіднику виникне короткочасне переміщення вільних зарядів. Цей процес закінчиться тоді, коли власне електричне поле зарядів, яке зя’вляється на поверхні провідника, скомпенсує повністю зовнішнє поле. Результуюче електростатичне поле всередині провідника дорівнює нулеві.

Однак, в провідниках може при певних умовах виникнути неперервний впорядкований рух вільних носіїв електричного заряду. Такий рух називається електричним струмом. За напрям електричного струму прийняли напрям руху додатних вільних носіїв заряду. Щоб в провіднику протікав електричний струм, потрібно в ньому створити електричне поле.

Кількісною мірою електричного струму служить сила струму I – скалярна фізична величина, яка дорівнює заряду, який переноситься через поперечний переріз провідника (мал. 1) за одиницю часу:

I = Δq/Δt.

Якщо сила струму і його напрям не змінюється з часом, то такий струм називають постійним. В Міжнародній системі одиниць СІ силу струму вимірюють в амперах (А).

Постійний електричний струм можна створити лише в замкнутому колі, в якому носії заряду циркулюють замкнутими траєкторіями. Електричне поле в різних точках такого кола стале в часі. Тому для існування постійного струму потрібно створювати і підтримувати різницю потенціалів на ділянках кола завдяки роботі сил неелектростатичної природи. Пристрої, які це роблять, називаються джерелами постійного струму. 

Сили неелектростатичної природи, які діють на вільні носії заряду з боку джерела струму, називають сторонніми силами.

Природа сторонніх сил може бути різною. В гальванічних елементах або акумуляторах вони виникають в результаті електрохімічних процесів, в генераторах постійного струму сторонні сили виникають під час руху провідників в магнітному полі. Джерело струму в електричному колі відіграє ту ж роль, що і помпа, яка потрібна для перекачування рідини в замкнутій гідравлічній системі. Під дією сторонніх сил електричні заряд рухаються всередині джерела струму проти сил електростатичного поля, завдяки чому в замкнутому колі може підтримуватись постійний струм.

Для переміщення електричних зарядів в колі постійного струму сторонні сили, які діють всередині джерела струму виконують роботу.

Фізична величина, яка дорівнює відношенню роботи A_ст сторонніх сил при переміщенні заряду q від від’ємного полюса джерела струму до додатного, до величини цього заряду, називається електрорушійною силою (ЕРС):

ЕРС = εрс = Е = А_ст/q.

ЕРС, як і різницю потенціалів, вимірюють в вольтах (В).

При переміщені одиничного додатного заряду по деякій ділянці кола роботу виконують як електростатичні (кулонівські), так і сторонні силы. Робота електростатичних сил дорівнює різниці потенціалів Δφ₁₂ = φ₁ – φ₂ між початковою (1) і кінцевою (2) точками ділянки кола. Робота сторонніх сил дорівнює за визначенням електрорушійній силі ε₁₂, яка діє на цій ділянці. Тому повна робота дорівнює:

U₁₂ = φ₁ – φ₂ + ε₁₂.

Величину U₁₂ називають напругою на ділянці кола 1–2. У випадку, коли на цій ділянці ЕРС не діє, напруга дорівнює різниці потенціалів: 

U₁₂ = φ₁ – φ₂.

Німецький фізик Г. Ом 1826 року експериментально встановив, що сила струму I, який протікає по однорідному металічному провіднику ( провіднику, в якому не діють сторонні сили), пропорційна до  напруги U на кінцях провідника: 

I = U/R.

Величину R називають електричним опором. Провідник, який має електричний опір, називають резистором.

Останнє  співвідношення виражає закон Ома для однорідної ділянки кола: 

сила струму в провіднику прямо пропорційна до прикладеної напруги і обернено пропорційна до опору провідника.

В СІ одиницею електричного опору проводника є Ом. Опором в 1 Ом володіє така ділянка кола, в якій при напрузі 1 В виникає струм силою 1 А.

Провідники, в яких виконується закон Ома, називаються лінійними. Графічна залежність сили струму I від напруги U (такі графіки називаються вольт-амперними характеристиками, ВАХ) зображається прямою, яка проходить через початок координат. Зазначмо, що є багато матеріалів і приладів, в яких не виконується закон Ома, наприклад, напівпровідниковий діод або газорозрядна лампа. Навіть у металічних провідниках при достатньо великих струмах спостерігається відхилення від лінійного закону Ома, так як електричний опір металічних провідників зростає при збільшенні температури.

Для неоднорідноїділянки кола (ділянки, в якій є ЕРС)  законОма записують так:

I = ε/(R + r).

Ця формула виражає закон Ома для повного кола: сила струму в повному колі дорівнює електрорушійній силі джерела, поділеній на суму опорів навантаження і внутрішнього опору джерела.

Мал. 2 Коло постійного струму з ЕРС

Якщо точки a і b (мал. 2) замкнути провідником, опір якого набагато менший від внутрішнього опору джерела (R << r), тоді в колі протікатиме струм короткого замикання

I = ε/r.

Чим вимірюють електричний струм та напругу? 

Для вимірювання напруг і струмів в електричних колах постійного струму використовують спеціальні прилади – вольтметри і амперметри.

Вольтметр – це прилад для вимірювання різниці потенціалів, яка прикладена до його клем. Його підключають паралельно до ділянки кола, на якій проводять вимірювання різниці потенціалів.

Амперметр – це прилад для вимірювання сили струму в колі. Амперметр включають послідовно в розрив електричного кола, щоб через нього проходив увесь вимірюваний струм (мал. 3).

Мал.3 Амперметр та вольтметр в колі постійного струму

Вимірювальні прилади – вольтметри і амперметри – бувають: стрілкові (аналогові) і цифрові.

Послідовне і паралельне з’єднання провідників

Провідники в електричних колах можуть зєднувати послідовно і паралельно.

Мал.4 Послідовне з'єднання провідників.

При послідовному з'єднанні провідників (мал. 4) сила струму у всіх провідниках однакова:

І₁ = І₂ = І.

За законом Ома, напруги U₁ и U₂ на провідниках відповідно рівні:

U1 = IR1,   U2 = IR2.

Загальна напруга U на обох провідниках дорівнює сумі напруг U₁ і U₂:

U = U1 + U2 = I(R1 + R2) = IR,

де R – електричний опір всього кола. Звідси випливає:

R = R₁ + R₂.

При послідовному з’єднанні повний опір кола дорівнює сумі опорів окремих провідників.

Цей результат справедливий для будь-якого числа послідовно з’єднаних провідників.

Мал.5 Паралельне з'єднання провідників.

При паралельному з’єднанні (мал. 5) напруги U₁ і U₂ на обох провідниках однакові:

U₁ = U₂ = U.

Сумарний струм I₁+I₂, який протікає по обох провідниках, дорівнює струму в нерозгалуженому колі:

I = I₁ + I₂.

Записавши закон Ома, отримаємо:

I₁ = U/R₁,  I₂ = U/R₂  і, I = U/R,

де R – електричний опір всього кола. Звідки:

1/R = 1/R₁ + 1/R₂.

При паралельному з’єднанні провідників величина, обернена загальному опору кола, дорівнює сумі величин, обернених опорів паралельно включених провідників.

Цей висновок справедливий для будь-якого числа паралельно включених провідників.

Формули для послідовного і паралельного з’єднання провідників дозволяють в багатьох випадках розрахувати опір складного кола, яке містить багато резисторів. На мал. 6 наведено приклад такого складного кола і показана послідовність розрахунку.

Мал. 6

Слід зауважити, що деякі кола, які складаються з провідників з різними опорами,  не можна  розрахувати за допомогою формул для послідовного і паралельного з’єднання. На мал. 7  наведено приклад електричного кола, яке неможливо розрахувати цим способом.

Мал. 7

Електричні кола схожі на  зображене на мал. 7, а також кола, в які увімкнено декілька джерел, розраховують за допомогою симетрії або за допомогою правил Кірхгофа.