Электрический ток. Сопротивление. Треугольник - Звезда. Температурная зависимость сопротивления

Скорость тока

Скорость упорядоченного движения заряженных частиц совсем невелика, за секунду они проходят меньше чем 0.1 мм. Однако, когда мы, входя в комнату, нажимаем на выключатель, не проходит и секунды, а лампочка уже горит. Это связано с тем, что непосредственно электрический ток, то есть фронт упорядоченного движения, его <<край>> продвигается со скоростью света в данном веществе (в вакууме c \approx 3 \cdot 10^8 м/с, в материалах меньше в несколько раз), несмотря на то, что отдельные частицы движутся на порядки медленнее.

1.4 При всём этом скорость хаотического движения отдельных частиц отнюдь не мала и при комнатной температуре, зачастую, достигает сотен и даже тысяч м/с. Это значит, что все частицы движутся хаотично и в самые разные стороны с огромной скоростью, но постепенно сдвигаются в общем направлении с малой скоростью.

Взаимодействие зарядов

Как мы уже постулировали, когда давали определение термину заряд, одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются.

Сила, с которой взаимодействуют два точечных заряда называется кулоновской силой и подчиняется закону Кулона:

F = k \frac{q_1 q_2}{r^2}, где F это модуль искомой силы, k это размерный коэффициент равный \displaystyle 9 \cdot 10^{-9} \ \frac{Н \cdot м^2}{Кл^2} (так и называют обычно, коэффициент в законе Кулона), q_1, \ q_2 это модули взаимодействующих зарядов, а r это расстояние между ними.

Если вы уже изучили закон всемирного тяготения, можно видеть, что математически, это одна и та же формула. Соответственно, сила Кулона, так же как и сила гравитационного взаимодействия, является потенциальной силой, для которой можно ввести потенциальную энергию. Обычно, нулём потенциальной энергии, связанной с силой Кулона принимается точка, бесконечно удалённая от всех взаимодействующих зарядов.

Интересный факт

Для того, чтобы вывести этот закон, Кулону пришлось поставить серию опытов, в которых было важно измерять очень малые силы. Отдельно для этого Кулон изобрёл новый прибор – крутильные весы, которые позже неоднократно использовались в точных экспериментах.

1.1 Эти весы улавливали силы вплоть до 10^{-9} \ Н, при такой силе взаимодействия, коромысло весов поворачивалось ровно на 1 градус.

На одном конце коромысла размещалась заряженная сфера из тонкой золотой фольги, на втором конце уравновешивающий её бумажный шар. Отдельно помещался тяжёлый заряженный шарик, который и взаимодействовал со сферой из фольги.

Потенциал

Хоть для каждой точки в пространстве потенциальная энергия определена однозначно, если мы поместим в одну и ту же точку разный заряд, на него будут действовать две разные силы. Это не слишком удобно, поэтому было решено ввести ещё одну величину – электрический потенциал. Потенциал в некоторой точке определяется как отношение потенциальной энергии в этой точке, при помещении в неё пробного заряда q к величине этого заряда:

\varphi = \frac{W}{q}. Потенциал измеряется в Вольтах (В). 1 \ В = 1 \ Дж/1 \ Кл.

По существу, физическим смыслом, обладает только разность потенциалов между двумя точками. В частности, электрический ток течёт от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом. Разность потенциалов называется также напряжением или падением напряжения.

Закон Ома

Мы вплотную подходим к одному из основных законов постоянного тока, к закону Ома. Он связывает силу тока, текущего между двумя точками, и напряжение между ними. Для любого неизменного проводника, через который течёт постоянный электрический ток, верно \frac{U}{I} = R, где R это некоторая неизменная характеристика проводника, называемая электрическим сопротивлением.

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление это физическая величина, характеризующая свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока (измеряется в Омах (Ом)). Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств вещества проводника, его длины, сечения и вычисляется по формуле: R = \rho \frac{l}{S}, где \rho это удельное сопротивление вещества проводника, l – длина проводника, а S – площадь сечения. Удельное сопротивление характеризует уже не один конкретный проводник, а все проводники состоящие из данного материала. Поэтому его и называют удельным сопротивлением вещества проводника, а не удельным сопротивлением проводника.

Удельное сопротивление большинства материалов зависит от температуры. Удельное сопротивление большинства металлов увеличивается с увеличением температуры, сопротивление электролитов имеет более сложную природу.