 |
|
Електричне поле в умовах протікання струму
Рух зарядів у провідниках відбувається під впливом сили, яка діє на ці заряди. Таким чином, існує електричне поле, в нашому випадку це так зване поле постійних струмів 
. В полі постійних струмів густина зарядів не залежить від часу, хоча може змінюватись у просторі. Це поле є тотожнім (якщо не враховувати магнітні сили) до поля нерухомих зарядів, які розподілені і закріплені у просторі за тим же законом, що і у випадку поля постійного струму. Та обставина, що для випадку постійного струму в заданій точці простору одні заряди замінюються на інші, рівні їм, не відіграє значної ролі. Отже, стаціонарне поле постійного струму, подібне до електростатичного поля, є потенціальним, і для нього виконуються співвідношення
; 
; 
.
Є, однак різниця в цих полях. Для електростатичного поля поверхня будь-якого провідника є еквіпотенціальною, вектор направлений вздовж нормалі до поверхні провідника, на якій має місце поверхнева густина зарядів 
(згадайте поле у пласкому конденсаторі).
Експеримент свідчить, що у випадку постійного струму поверхня провідника не є еквіпотенціальною, якщо вздовж провідника тече струм. Наявність різниці потенціалів вздовж поверхні означає наявність поля вздовж поверхні 
. Тому, на відміну від електростатики, вектор для постійного струму нахилений по відношенню до нормалі і має як нормальну 
, так і тангенціальну складову 
.
Всередині провідника нормальна складова поля дорівнює нулю, оскільки завдяки поверхні рух зарядів у провіднику в цьому напрямку неможливий (згадайте, лінії струму мають бути замкнутими). На поверхні міститься заряд, поверхнева густина якого 
. Ці поверхневі заряди змінюються вздовж поверхні (оскільки існує різниця потенціалів вздовж провідника), створюючи тангенціальну складову в просторі над провідником. Але з умови неперервності тангенціальної складової електричного поля 
, всередині провідника виникає електричне поле , яке приводить заряди в рух, створюючи струм.
Для підтримання постійного струму, тобто руху електронів із сталою швидкістю, потрібна неперервна дія сили, яка дорівнює 
( 
заряд електрона). А це означає, що електрони у провідниках рухаються із тертям (точніше, аналогом механічного тертя, або якого ми враховували при створенні поляризації). Інакше кажучи, провідники мають електричний опір.
І це приводить нас до наступного розділу
Закон Ома
Якщо стан провідника не змінюється (тобто не змінюється температура, тиск, тощо), то для кожного провідника існує однозначна залежність між напругою 
, що прикладена до кінців провідника, і величиною струму 
, що протікає у ньому – вольт-амперна характеристика (ВАХ) провідника
.
Для широкого класу провідників ця залежність лінійна, величина струму прямо пропорційна прикладеній напрузі
де коефіцієнт пропорційності 
називають електропровідністю (провідністю) провідника, а обернену до нього величину 
електричним опором.
В системі СІ одиницею опору є Ом.
1Ом – це опір такого провідника, в якому при силі струму 1 А падіння напруги на його кінцях дорівнює 1 В.
В системі CGSE одиниця опору назви не має, і пов’язана із системою СІ як
одиниць опору CGSE .
Одиницею електропровідності в системі СІ є сименс, або за кордоном – мО :
1 сименс = 1 мО = (1 Ом)-1.
Отриманий лінійний зв’язок між струмом і напругою називається законом Ома, а провідники, що підпорядковуються цьому закону – омічними. Ще раз звертаю увагу, що закон Ома справедливий лише для ділянки ланцюга, по якій протікає струм і до якої прикладена напруга, але не для розгалуженого кола.
Для однорідних омічних провідників з постійним перерізом 
і довжиною 
маємо
,
де 
питомий опір, тобто опір провідника одиничної довжини і одиничної площі перерізу (тобто довжиною 1м і перерізом 1м2 в системі СІ, що є кубом з ребром 1м із заданої речовини). Питомий опір є властивістю конкретної речовини, у кожного матеріалу свій питомий опір.
Аналогічно існує і питома провідність 
.
Розмірністю в системі СІ питомого опору є 
, а питомої провідності – 
, хоч на практиці частіше зустрічаються відповідно 
та 
.