Электрический ток: Закон ома

Из учебного курса физики известно, что электрический ток представляет собой упорядоченное перемещение электронных зарядов. Необходимым условием для проявления электротока является наличие электрического поля и присутствие незанятых носителей заряда. Сгенерировать простое поле можно взяв два разноименно заряженных предмета, объединив их шунтом. При этом в продолжении короткого периода будет обеспечено прохождение тока. В случае, если его сила (I) со временем не будет изменяться, то, следовательно, мы имеем дело с постоянным электрическим током. Величина силы тока находится в зависимости от заряда и интервала длительности процесса.

Электрический ток в металлах

Протекание тока по металлическому проводнику не обусловлено химическими процессами как в случае с электролитами. Носителями заряда являются свободные электроны. Основополагающим законом, описывающим взаимосвязь характеристик электрической цепи, таких как напряжение, сопротивление и сила тока является – закон Ома. Формула была получена опытным путем и имеет вид:

I = U/R, в которой I – сила тока, U – разность потенциалов или напряжение, а R – соответственно сопротивление.

Это упрощенное выражение, которое не учитывает ряд дополнительных параметров, например, таких, как собственное сопротивление источника электричества, тем не менее, оно позволяет в достаточной степени рассчитать и определить взаимосвязь характеристик. Из формулы видна прямая зависимость силы тока от напряжения, а также обратная зависимость от сопротивления. Последняя позволяет наглядно уяснить понятия сверхпроводимости металлов. Это тот случай, когда при снижении температуры металлического проводника его сопротивление стремится к нулю. Таким образом потери будут минимальны, а сила тока будет стремительно возрастать.

Следующий момент, который имеет практическое значение, и виден из закона Ома, это то что, при падении сопротивления ток мгновенно достигает максимального значения. Это в свою очередь приводит к нагреву проводника. Количество высвобождаемого при этом тепла (Q) будет равно произведению квадрата силы тока (I) на сопротивление (R) и время (T). Данную зависимость описывает закон Джоуля-Ленца, имеющий вид; Q=I²RT. Применив несложные математические преобразования можно наглядно получить следующий его вид Q=U²T/R=U*T*I. Таким образом при уменьшении сопротивления и увеличении протекания тока по металлическому проводнику количество теплоты может достигнуть критических значений. Вследствие этого возможно его расплавление или перегорание. Данный эффект известен как короткое замыкание цепи.

Способность проводника нагреваться при прохождении через него электрического тока широко применяется в практических целях. Наглядными примерами использования этого эффекта являются электронагревательные приборы. Также применение резисторов с малым сопротивлением обеспечивает безопасную эксплуатацию электрооборудования при резком скачке напряжения. В данном случае плавкие вставки просто перегорают. Но при этом остальные элементы цепи остаются в неповрежденном состоянии.

Для неоднородной электрической цепи постоянного тока закон Ома, принимает несколько иной вид, где общее сопротивление будет являться суммой сопротивлений определенного участка цепи или элемента в нее включенного.

Электрический ток в электролитах

Электролит представляет собой расплав или раствор, в котором электрический заряд переносится не свободными электронами, а разно заряженными ионами. Как и варианте с металлами для существования электрического тока в растворах необходимо наличие электрического поля. При подключении электродов к источнику питания в электролите возникает движение ионов: отрицательные будут перемещаться к аноду, а положительные к катоду. На этом принципе основан эффект электролиза, когда на поверхности электрода наблюдается осаждение химических элементов, входящих в состав расплава иди раствора. Для электролитов справедлив закон Ома во всех своих моментах.

Если рассматривать жидкость как проводник, то при прохождении электрического тока, необходимым условием будет являться наличие свободных молекул или ионов. Распространенное утверждение что вода проводит электричество неверно в случае если электроды помещены в дистиллированный ее вариант. Но при внесении в воду любых примесей, наблюдается течение электрического тока из-за свободных элементов.

В заключение можно упомянуть еще об одном виде веществ, которые по своей кристаллической природе не являются металлами, но в то же время могут проводить электрический ток при возникновении определенных условий. Речь идет о полупроводниках. В отличие от металлов в которых удельное сопротивление с ростом температуры увеличивается, в полупроводниках наблюдается обратный результат. Эта тема настолько многогранна, что заслуживает отдельной статьи.

(Пока оценок нет)

Загрузка...