Электрический ток. Условия существования электрического тока в цепи. Законы Ома

Электрический ток создается упорядоченным движением свободных носителей электрического заряда. Направление тока совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц, то есть ток направлен противоположно направлению движения электронов.

Сила тока — скалярная физическая величина, равна отношению электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени , за который этот заряд прошел:

Для существования тока в электрической цепи необходимо:

наличие свободных зарядов
электрическое поле, которое вызывает движение заряженных частиц
замкнутая электрическая цепь

Как уже было отмечено, для существования тока необходимо электрическое поле, которое будет создавать упорядоченное движение частиц. Таким образом, возникает связанная с током величина — напряжение.

Напряжение — это отношение работы внешнего поля A по перемещению заряда q из одной точки в другую к модулю этого заряда q:

Проходя через проводник, заряженные частицы, создающие ток, сталкиваются с кристаллической решеткой проводника, испытывая сопротивление. Резистор — это элемент электрической цепи, обладающий сопротивлением. Сопротивление проводника зависит от материала, из которого он изготовлен (удельное сопротивление проводника), длины проводника L и площади поперечного сечения S:

Удельное сопротивление проводника — табличная величина. Для каждого материала оно имеет свое значение, но это значение всегда можно посмотреть в таблице.

Таким образом, сопротивление не зависит ни от силы тока, ни от напряжения, а зависит лишь от параметров проводника.

Закон Ома для участка цепи

Рассмотрим участок цепи, состоящий из проводника сопротивлением R, к которому приложено напряжение U.

Закон Ома для участка электрической цепи связывает силу тока в проводнике, сопротивление проводника и напряжение U:

Закон Ома для полной цепи

Электрическое поле в цепи создается источниками тока.

Пример такого источника — обычная батарейка.

На схеме источник обозначается следующим образом:

Он имеет положительный и отрицательный полюса, ток в цепи протекает от “+” к “-”.

Источники тока чаще всего характеризуются электродвижущей силой (ЭДС).

ЭДС источника — скалярная физическая величина, равная отношению работы Aст сторонних сил по перемещению положительного заряда от отрицательного полюса источника к положительному:

То есть электрическая цепь состоит из источника, к которому подключаются соединительные провода, резисторы, реостаты и др. Все, что не относится к источнику в цепи, составляет так называемую внешнюю цепь. Общее сопротивление всех элементов цепи (за исключением источника) называют сопротивлением внешней цепи.

Источник тока обладает внутренним сопротивлением r, которое, как правило, гораздо меньше сопротивления внешней цепи.

Полное сопротивление цепи равно сумме внутреннего сопротивления r и сопротивления внешней цепи R

Для силы тока в замкнутой цепи справедлив закон Ома для полной цепи:

Когда сопротивление внешней цепи R практически равно нулю, говорят об явлении короткого замыкания. Сила тока при таком явлении мгновенно возрастает, что приводит к сильному нагреву элементов цепи. Сила тока короткого замыкания равна

Работа тока

При перемещении заряда по проводнику электрический ток совершает работу

Следовательно, мощность электрического тока равна:

Закон Джоуля-Ленца

При протекания электрического тока I через проводник сопротивлением R в течение времени t электрический ток нагревает этот проводник, вследствие чего выделяется количество теплоты Q, равное

Резюме:

Для создания электрического тока необходимо:
наличие свободных носителей заряда
электрическое поле, которое будет заставлять эти заряды двигаться упорядоченно
замкнутая электрическая цепь

Работа электрического поля по перемещению заряда характеризуется напряжением (ЭДС)

Законы Ома (для участка и для полной цепи) связывают три важнейшие характеристики в цепи — напряжение (или ЭДС), сопротивление и силу тока

Сопротивление проводника зависит только материала, из которого он изготовлен, длины проводника и его площади поперечного сечения, но не зависит от напряжения и силы тока, протекающего через проводник.

Все элементы в цепи, которые подключаются к источнику, составляют внешнюю цепь. Общее сопротивление этих элементов цепи называются внешним сопротивлением. Сопротивление источника — внутренним сопротивлением.

Ток, протекая через проводник, нагревает его, вследствие чего выделяется количество теплоты, которое определяется законом Джоуля-Ленца.

Задания из ЕГЭ, в которых встречается данная тема:

Задание 1.

Задание № 11 (тестовая часть)

По проводнику течёт постоянный электрический ток. Величина заряда, проходящего через проводник, возрастает с течением времени согласно графику (см. рис.). Какова сила тока в проводнике? Ответ запишите в амперах.

Ответ

Источник: Демонстрационная версия ЕГЭ по физике 2024

Задание 2. 

Задание № 11 (тестовая часть)

Плавкий предохранитель счётчика электроэнергии в квартирной сети напряжением 220 В снабжён надписью: «6 А». Какова максимальная суммарная мощность электрических приборов, которые можно одновременно включить в сеть, чтобы предохранитель не расплавился? Ответ дайте в ваттах

Ответ

1320

Источник: Демонстрационная версия ЕГЭ—2018 по физике

Задание 3. 

Задание № 15 (тестовая часть)
Резистор R1 и реостат R2 подключены последовательно к источнику постоянного напряжения U (см. рис.). Как изменятся сила тока в цепи и тепловая мощность, выделяющаяся во всей внешней цепи, если уменьшить сопротивление реостата? Считать, что напряжение на клеммах источника остаётся при этом прежним. Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1)  увеличивается
2)  уменьшается
3)  не изменяется