تيار DC هو المقاومة الحالية للموصل. التيار الكهربائي المستمر

في الفيزياء للصف الحادي عشر (كاسيانوف ف.أ ، 2002) ،
مهمة №17
إلى الفصل " تيار كهربائي مستمر. الأحكام الرئيسية».

كهرباء

كهرباء- الحركة المنظمة (الموجهة) للجسيمات المشحونة يمكن تحريك الشحنات الحرة (الناقلات الحالية) في الموصل تحت تأثير مجال كهربائي خارجي

يتم أخذ اتجاه حركة الجسيمات المشحونة إيجابياً على أنه اتجاه التيار.

القوة الحالية في وقت معين- كمية فيزيائية قياسية تساوي حد نسبة مقدار الشحنة الكهربائية التي مرت عبرها المقطع العرضيموصل إلى الفترة الزمنية من مروره

وحدة التيار (وحدة قاعدة النظام الدولي للوحدات) - أمبير (1 أ) 1 أمبير = 1 ج / ث

مستمر كهرباء - التيار الذي لا يتغير بمرور الوقت

المصدر الحالي- جهاز يفصل بين الشحنات الموجبة والسالبة

قوى الطرف الثالث- قوى ذات أصل غير إلكتروستاتيكي تسبب فصل الشحنات في المصدر الحالي

EMF-كمية فيزيائية قياسية تساوي نسبة عمل القوى الخارجية لتحريك شحنة موجبة من القطب السالب للمصدر الحالي إلى القيمة الموجبة لقيمة هذه الشحنة:

EMF يساوي الجهد بين أقطاب مصدر تيار مفتوح.

قانون أوم للموصل المتجانس (قسم الدائرة):التيار في موصل متجانس يتناسب طرديا مع الجهد المطبق ويتناسب عكسيا مع مقاومة الموصل

تتناسب مقاومة الموصل بشكل مباشر مع مقاومته وطوله ، وتتناسب عكسًا مع مساحة المقطع العرضي.

وحدة المقاومة هي أوم (1 أوم) 1 أوم = 1 فولت / أ

المقاوم- موصل بمقاومة ثابتة معينة

المقاومة النوعية - كمية فيزيائية قياسية ، تساوي عدديًا مقاومة موصل أسطواني متجانس بطول الوحدة ومساحة الوحدة.

وحدة المقاومة هي الأومتر (1 أوم م).

تزداد المقاومة النوعية للموصل المعدني خطيًا مع درجة الحرارة:

حيث ρ 0 - المقاومة عند T 0 \ u003d 293 K، ΔT \ u003d T- T 0، α - معامل درجة الحرارة للمقاومة. وحدة معامل درجة الحرارةمقاومة K -1. تقل مقاومة أشباه الموصلات مع زيادة درجة الحرارة بسبب زيادة عدد الشحنات الحرة القادرة على حمل التيار الكهربائي.

الفجوة- حالة إلكترونية شاغرة في الشبكة البلورية ، والتي تحتوي على شحنة موجبة زائدة.

الموصلية الفائقة- ظاهرة فيزيائية تتكون من انخفاض مفاجئ في مقاومة مادة ما إلى الصفر.

حرارة حرجةهي درجة حرارة الانتقال المفاجئ للمادة من الحالة الطبيعية إلى الحالة فائقة التوصيل.

تأثير النظائر- اعتماد درجة الحرارة الحرجة على كتلة الأيونات في الشبكة البلورية.

يرجع التيار الكهربائي في الموصل الفائق إلى الحركة المنسقة لأزواج الإلكترونات المترابطة بالتفاعل مع الشبكة البلورية

في اتصال تسلسليالمقاومات ، المقاومة الكلية للدائرة تساوي مجموع مقاوماتها. اتصال موازيةالمقاومات ، موصلية الدائرة تساوي مجموع موصليةها قانون أوم للدائرة المغلقة:تتناسب القوة الحالية في دائرة مغلقة بشكل مباشر مع EMF للمصدر وتتناسب عكسياً مع مقاومة الدائرة:

حيث R و r هما المقاومات الخارجية والداخلية للدائرة.

قانون أوم لدائرة مغلقة مع عدة مصادر حالية متصلة في سلسلة:

تتناسب شدة التيار في دائرة مغلقة بمصادر تيار متصلة بالسلسلة بشكل مباشر مع المجموع الجبري لمجالات EMF الخاصة بها وتتناسب عكسًا مع مقاومة الدائرة:

مقياس التيار الكهربائييقيس قوة التيار الكهربائي ، وهو مدرج في الدائرة في السلسلة

ناور- موصل متصل بالتوازي مع مقياس التيار لزيادة حد قياساته *

حيث R A هي مقاومة مقياس التيار ، n هو تعدد التغييرات في حد القياس.

الفولتميترتدابير الجهد الكهربائي. متصل بالتوازي

مقاومة إضافية -موصل متصل على التوالي بمقياس الفولتميتر لزيادة نطاق قياسه.

حيث R v هي مقاومة الفولتميتر. كمية الحرارة المنبعثة في الموصل تساوي عمل التيار الكهربائي.

قانون جول لينز:كمية الحرارة المنبعثة في الموصل مع التيار تساوي ناتج مربع القوة الحالية ومقاومة الموصل والوقت الذي يستغرقه التيار في المرور خلاله:

قوة التيار الكهربائي -العمل المنجز لكل وحدة زمنية بواسطة مجال كهربائي أثناء الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة في موصل

يتم نقل الطاقة القصوى إلى المستهلك إذا كانت مقاومة الحمل مساوية للمقاومة الكلية للمصدر الحالي وأسلاك الإمداد

السوائل ، مثل المواد الصلبة ، يمكن أن تكون موصلات للتيار الكهربائي.

الشوارد- المواد ذات الموصلية الأيونية لمحاليلها وذوبانها.

التفكك الالكتروليتي -تقسيم جزيئات المنحل بالكهرباء إلى أيونات موجبة وسالبة تحت تأثير مذيب

التحليل الكهربائي- إطلاق المواد التي تتكون منها الإلكتروليت على الأقطاب ، عندما يتدفق تيار كهربائي عبر المحلول (أو الذوبان)

قانون فاراداي:تتناسب كتلة المادة المنبعثة على القطب بشكل مباشر مع الشحنة التي مرت عبر محلول (ذوبان) الإلكتروليت. حيث k هو المكافئ الكهروكيميائي للمادة.

وحدة المكافئ الكهروكيميائي هي كيلوجرام لكل قلادة (1 كجم / س).

قانون فاراداي المجمع:

حيث M هي الكتلة المولية ، n هي التكافؤ عنصر كيميائي؛ ثابت فاراداي F = 9.65-10 4 C / mol.

التيار الكهربائي الثابت هو الحركة المستمرة للإلكترونات من منطقة سالبة (-) إلى منطقة شحنات موجبة (+) عبر مادة موصلة مثل سلك معدني. على الرغم من أن التفريغ الساكن عبارة عن حركات عفوية للجسيمات المشحونة من سطح مشحون سالبًا إلى سطح مشحون إيجابيًا ، فلا توجد حركة مستمرة للجسيمات عبر الموصل.

لإنشاء تدفق للإلكترونات ، يلزم وجود دائرة تيار كهربائي ثابت. هذا مصدر للطاقة (على سبيل المثال ، بطارية) وموصل ينتقل من القطب الموجب إلى السالب. يمكن تضمين العديد من الأجهزة الكهربائية في الدائرة.

الحركة المستمرة للإلكترونات

التيار المباشر هو الحركة المستمرة للإلكترونات عبر مادة موصلة مثل الأسلاك المعدنية. تتحرك الجسيمات المشحونة نحو الجهد الموجب (+). لتوليد تيار كهربائي ، يلزم وجود دائرة كهربائية تتكون من مصدر طاقة التيار المباشروسلك يشكل حلقة مغلقة. ومن الأمثلة الجيدة على مثل هذه الدائرة مصباح يدوي.

على الرغم من أن الإلكترونات سالبة الشحنة تتحرك عبر السلك إلى القطب الموجب (+) لمصدر الطاقة ، فإن الحركة الحالية يشار إليها في الاتجاه المعاكس. هذا هو نتيجة مؤتمر مؤسف ومربك. يعتقد العلماء الذين جربوا التيارات أن الكهرباء انتقلت من (+) إلى (-) ، وكان هذا مقبولًا بشكل عام حتى قبل اكتشاف الإلكترونات. في الواقع ، تتحرك الجسيمات المشحونة السالبة نحو القطب الموجب ، عكس الاتجاه المشار إليه باعتباره اتجاه التدفق الحالي. إنه أمر محير ، ولكن بمجرد إبرام اتفاق ، يصعب إصلاح الأمور.

الجهد والتيار والمقاومة

الكهرباء التي تمر عبر سلك أو موصل آخر تتميز بالجهد U والتيار I والمقاومة R. الجهد هو طاقة كامنة. التيار هو تدفق الإلكترونات في الموصل ، والمقاومة هي قوة الاحتكاك.

هناك طريقة جيدة للتفكير في تيار كهربائي ثابت وهي استخدام تشبيه تدفق الماء عبر خرطوم. الجهد هو الجهد الذي يرتفع عند أحد طرفي السلك بسبب زيادة الإلكترونات سالبة الشحنة. إنه مثل زيادة ضغط الماء في الخرطوم. يتسبب الجهد في انتقال الإلكترونات عبر السلك إلى منطقة ذات شحنة موجبة. هذه الطاقة الكامنة تسمى الجهد وتقاس بالفولت.

التيار الكهربائي المباشر هو تدفق الإلكترونات ويقاس بالأمبير. إنها مثل سرعة تحرك الماء عبر الخرطوم.

أوم هي وحدة قياس للمقاومة الكهربائية. يتم ترتيب ذرات الموصل بحيث تمر الإلكترونات من خلالها بقليل من الاحتكاك. في العوازل أو الموصلات السيئة ، توفر الذرات مقاومة قوية أو تعرقل حركة الجسيمات المشحونة. وهذا يماثل احتكاك الماء في الخرطوم أثناء مروره فيه.

وبالتالي ، فإن الجهد مثل الضغط ، والتدفق مثل التيار ، والمقاومة الهيدروليكية مثل الكهربائية.

إنشاء تيار مباشر

على الرغم من إمكانية تفريغ الكهرباء الساكنة من خلال سلك معدني ، إلا أنها ليست مصدر تيار مباشر. هم بطاريات ومولدات.

تستخدم البطاريات تفاعلات كيميائية لتوليد الكهرباء بالتيار المستمر. فمثلا، بطارية السيارةيتكون من ألواح الرصاص الموضوعة في محلول حامض الكبريتيك. عندما تتلقى الألواح شحنة من الشبكة أو من مولد التيار المتردد في السيارة ، فإنها تتغير كيميائيًا وتحتفظ بالشحنة. يمكن بعد ذلك استخدام مصدر التيار المباشر هذا لتشغيل المصابيح الأمامية للسيارة ، وما إلى ذلك. المشكلة هي أن حامض الكبريتيكتآكل وخطير للغاية.

يمكن صنع بطارية أخرى بشكل مستقل عن الليمون. لا يتطلب الشحن ، ولكنه يعتمد على التفاعل الحمضي للعديد من المعادن. يعمل النحاس والزنك بشكل أفضل. يمكنك استخدام الأسلاك النحاسية أو العملات المعدنية. يمكن استخدام الظفر المجلفن كقطب كهربائي آخر. سوف يعمل الحديد أيضًا ، ولكن ليس كذلك. يكفي للالتصاق سلك نحاسومسمار مجلفن إلى ليمون عادي وقياس الجهد بينهما باستخدام مقياس الفولتميتر. حتى أن البعض تمكن من إضاءة مصباح يدوي بهذه البطارية.

مصدر موثوق هو المولد ، وهو مصنوع من سلك ملفوف بين القطبين الشمالي والجنوبي للمغناطيس.

وبالتالي ، فإن التيار الكهربائي المباشر هو الحركة المستمرة للإلكترونات من القطب السالب إلى القطب الموجب لموصل مثل السلك المعدني. هناك حاجة إلى دائرة لمرور الجسيمات المشحونة. في ذلك ، يكون اتجاه حركة التيار عكس اتجاه تدفق الإلكترونات. تتميز الدائرة بكميات مثل الجهد والتيار والمقاومة. مصادر التيار المستمر هي البطاريات والمولدات.

الدوائر الكهربائية

تتكون الدائرة الكهربائية للتيار المباشر من مصدر ، تتصل بأقطابها الموصلات ، وتربط أجهزة الاستقبال في دائرة مغلقة. هذا شرط أساسي لمرور التيار. يمكن أن تكون الدوائر متسلسلة أو متوازية أو مجمعة.

إذا أخذت مصدر تيار مباشر ، مثل بطارية ، وقمت بتوصيل أقطابها الموجبة والسالبة بأسلاك بحمل ، مثل المصباح الكهربائي ، فسيتم تشكيل دائرة كهربائية. بمعنى آخر ، تتدفق الكهرباء من محطة بطارية إلى أخرى. يمكن تثبيت مفتاح في سلسلة مع المصباح ، والذي ، إذا لزم الأمر ، سينظم إمداد التيار الكهربائي المباشر.

مصادر التيار المستمر

تتطلب الدائرة مصدر طاقة. كقاعدة عامة ، يتم استخدام بطارية أو مجمع لهذا الغرض. مصدر آخر للطاقة هو مولد التيار المستمر. بالإضافة إلى ذلك ، من الممكن تمرير التيار المتردد من خلال المعدل. محول شائع يستخدم مع بعض الأجهزة المحمولة (مثل الهواتف الذكية) يحول 220 فولت التيار المتناوبفي جهد ثابت قدره 5 فولت.

الموصلات

يجب أن توصل الأسلاك والحمل بالكهرباء. النحاس أو الألمنيوم موصلات جيدة ولديها مقاومة منخفضة. سلك التنغستن في المصباح المتوهج يوصل التيار ولكنه يتمتع بمقاومة عالية تؤدي إلى تسخينه وتوهجه.

اتصال تسلسلي ومتوازي

في الدائرة الكهربائية ، يمكن توصيل العديد من الأجهزة ، مثل المصابيح الكهربائية ، في خط واحد بين القطبين الموجب والسالب للبطارية. يسمى هذا الاتصال المسلسل. تتمثل إحدى مشكلات هذا الترتيب في أنه في حالة احتراق مصباح كهربائي ، فإنه يعمل كمفتاح ويغلق الدائرة بأكملها.

يمكن أيضًا توصيل المستقبِلات بالتوازي بحيث إذا انطفأ أي من المصباحين ، فلن يتم فصل الطاقة عن الدائرة. التوصيل بالتوازييتم استخدام التبديل ليس فقط في أكاليل شجرة عيد الميلاد - يتم أيضًا تنفيذ الأسلاك الكهربائية في المنازل بشكل متوازٍ. لذلك ، يمكن تشغيل وإيقاف الإضاءة والأجهزة بشكل مستقل عن بعضها البعض.

قانون أوم

تشمل قوانين التيار الكهربائي المباشر قانون أوم ، وهو الصيغة الأساسية للدوائر الكهربائية. ووفقا له ، فإن التيار المار من خلال الموصل يتناسب طرديا مع فرق الجهد عبره. تمت صياغة القانون لأول مرة في عام 1827 عالم الفيزياء الألماني جورج أومعندما قام بفحص موصلية المعادن. أفضل وصف لقانون أوم هو الدوائر الكهربائية البسيطة التي تعمل بالتيار المستمر. على الرغم من أنه ينطبق أيضًا على التيار المتردد ، إلا أنه يجب مراعاة المتغيرات المحتملة الأخرى في هذه الحالة. تسمح لك العلاقة بين التيار والجهد والمقاومة بحساب كمية مادية واحدة إذا كانت قيم الاثنين الآخرين معروفة.

يوضح قانون أوم العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة في دائرة كهربائية بسيطة.. في أبسط أشكالها ، تتم كتابتها بالشكل U = I × R. هنا U هي الجهد بالفولت ، وأنا التيار بالأمبير ، و R هي المقاومة بالأوم. وبالتالي ، إذا كانت I و R معروفة ، فيمكن حساب U. إذا لزم الأمر ، يمكن تعديل الصيغة بالطرق الجبرية. على سبيل المثال ، إذا كانت U و R معروفة وأحتاج إلى العثور عليها ، فيجب استخدام المعادلة I = U / R. أو ، إذا أعطيت U و I و R بحاجة إلى حساب ، فإن التعبير R = U / أنا معتاد.

تكمن أهمية قانون أوم في أنه إذا كانت قيمة متغيرين في المعادلة معروفة ، فيمكن تحديد المتغير الثالث. يمكن قياس أي من هذه الكميات الفيزيائية باستخدام مقياس الفولتميتر. تقيس معظم الفولتميترات أو المالتيميترات U و I و R للتيار الكهربائي المتناوب والتيار المتناوب.

حساب U ، I ، R.

يمكن العثور على جهد التيار المستمر مع التيار والمقاومة المعروفين بالصيغة U = I × R. على سبيل المثال ، إذا كانت I = 0.2 A و R = 1000 أوم ، فإن U = 0.2 A * 1000 أوم = 200 فولت.

إذا كان الجهد والمقاومة معروفين ، فيمكن حساب التيار باستخدام المعادلة I = V / R. على سبيل المثال ، إذا كانت U = 110 V و R = 22000 أوم ، فعندئذٍ I = 110 V / 22000 أوم = 0.005 أ.

إذا كان الجهد والتيار معروفين ، فإن R = V / I. إذا كان V = 220 V و I = 5 A ، فإن R = 220 V / 5 A = 44 أوم.

في هذا الطريق، يوضح قانون أوم العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة في دائرة كهربائية بسيطة.. يمكن تطبيقه على كل من دارات التيار المستمر والتيار المتردد.

طاقة التيار المستمر

الشحنة التي تتحرك في دائرة (إذا لم تكن موصلة فائقة) تستهلك الطاقة. قد يتسبب هذا في تسخين المحرك أو تدويره. الطاقة الكهربائيةهو معدل تحويل الطاقة الكهربائية إلى شكل آخر مثل الطاقة الميكانيكية أو الحرارة أو الضوء. إنه يساوي ناتج التيار والجهد: P = U × I. يقاس بالواط. على سبيل المثال ، إذا كانت U \ u003d 220 فولت و I \ u003d 0.5 A ، فإن P \ u003d 220 V * 0.5 A \ u003d 110 W.

دي سي(تيار مستمر - تيار مباشر) - تيار كهربائي لا يغير حجمه واتجاهه بمرور الوقت.

في الواقع ، لا يمكن للتيار المباشر أن يحافظ على قيمة ثابتة. على سبيل المثال ، عند إخراج المقومات ، يوجد دائمًا مكون متغير من التموجات. عند استخدام الخلايا الجلفانية أو البطاريات أو المراكم ، ستنخفض كمية التيار مع استهلاك الطاقة ، وهو أمر مهم للأحمال الثقيلة.

يوجد التيار المباشر بشكل مشروط في تلك الحالات التي يمكن فيها إهمال التغييرات في قيمته الثابتة.

المكون الثابت للتيار والجهد. العاصمة

إذا أخذنا في الاعتبار شكل التيار في الحمل عند خرج المقومات أو المحولات ، فيمكن للمرء أن يرى تموجات - تغيرات في حجم التيار الموجود نتيجة للإمكانيات المحدودة لعناصر المرشح في المعدل.
في بعض الحالات ، يمكن أن يصل حجم التموجات إلى ما يكفي قيم كبيرة، والتي لا يمكن تجاهلها في الحسابات ، على سبيل المثال ، في المقومات دون استخدام المكثفات.
عادة ما يسمى هذا التيار بالنبض أو النبض. في هذه الحالات ، يجب على المرء أن يأخذ بعين الاعتبار الثابت العاصمةومتغير تيار مترددعناصر.

مكون DC- قيمة مساوية لمتوسط ​​قيمة التيار للفترة.

AVG- الاختصار متوسط ​​- متوسط.

مكون متغير AC- التغير الدوري في مقدار التيار ، ينقص ويزيد بالنسبة لمتوسط ​​القيمة.

يجب أن يؤخذ في الاعتبار عند حساب أن حجم التيار النابض لن يكون مساويًا لمتوسط ​​القيمة ، ولكن مع الجذر التربيعي لمجموع مربعات كميتين - المكون الثابت ( العاصمة) وقيمة جذر متوسط ​​التربيع للمكون المتغير ( تيار متردد) ، الموجود في هذا التيار ، لديه قوة معينة ويضاف إلى قوة المكون الثابت.

التعريفات أعلاه ، وكذلك المصطلحات تيار مترددو العاصمةيمكن استخدامها بالتساوي لكل من التيار والجهد.

الفرق بين التيار المباشر والتيار المتردد

من خلال التفضيلات النقابية في الأدبيات الفنية تيار الدافعغالبًا ما يشار إليه على أنه دائم ، لأنه يحتوي على اتجاه واحد دائم. في هذه الحالة ، من الضروري توضيح المقصود بالتيار المباشر مع المكون المتغير.
وأحيانًا يطلق عليه متغير ، لأنه يغير قيمته بشكل دوري. التيار المتردد مع مكون ثابت.
عادة ما يتخذون كأساس المكون الأكبر من حيث الحجم أو الأكثر أهمية في السياق.

يجب أن نتذكر أن التيار المباشر أو الجهد يميز ، بالإضافة إلى الاتجاه ، المعيار الرئيسي هو قيمته الثابتة ، والتي تعمل كأساس للقوانين الفيزيائية وهي حاسمة في معادلات حساب الدوائر الكهربائية.
مكون التيار المستمر ، كمتوسط ​​للقيمة ، هو واحد فقط من معلمات التيار المتردد.

بالنسبة للتيار المتناوب (الجهد) ، في معظم الحالات ، يكون المعيار مهمًا - عدم وجود مكون ثابت عندما يكون متوسط ​​القيمة صفرًا.
هذا هو التيار الذي يتدفق في المكثفات ومحولات الطاقة وخطوط الطاقة. هذا هو الجهد على لفات المحولات وفي الشبكة الكهربائية المنزلية.
في مثل هذه الحالات ، لا يمكن أن يوجد المكون الثابت إلا في شكل خسائر ناتجة عن الطبيعة غير الخطية للأحمال.

معلمات التيار والجهد DC

وتجدر الإشارة على الفور إلى أن مصطلح "القوة الحالية" الذي عفا عليه الزمن في الأدبيات التقنية المحلية الحديثة لم يعد يُستخدم كثيرًا ويتم التعرف عليه على أنه غير صحيح. لا يتميز التيار الكهربائي بالقوة ، بل يتميز بسرعة وشدة حركة الجسيمات المشحونة. وهي مقدار الشحنة التي مرت لكل وحدة زمنية عبر المقطع العرضي للموصل.
المعلمة الرئيسية للتيار المباشر هي مقدار التيار.

وحدة القياس الحالية هي أمبير.
القيمة الحالية هي 1 أمبير - تتحرك الشحنة 1 كولوم في ثانية واحدة.

وحدة قياس الجهد هي فولت.
قيمة الجهد 1 فولت هي فرق الجهد بين نقطتين من المجال الكهربائي المطلوب للقيام بعمل 1 جول عند تمرير شحنة مقدارها 1 كولوم.

بالنسبة للمعدلات والمحولات ، غالبًا ما تكون المعلمات التالية مهمة لـ الجهد المستمرأو الحالي:

مدى تموجالجهد (التيار) - قيمة تساوي الفرق بين القيم القصوى والدنيا.
عامل تموج- قيمة مساوية لنسبة القيمة الفعالة لجهد أو تيار المكون المتغير المتغير إلى مكونه الثابت DC.

4.1 خصائص التيار الكهربائي. شرط وجود تيار التوصيل.

كهرباء- حركة منظمة للجسيمات المشحونة. يُطلق على التيار الكهربائي الذي يحدث في الوسائط الموصلة نتيجة للحركة المنظمة للشحنات الحرة تحت تأثير مجال كهربائي تم إنشاؤه في هذه الوسائط تيار التوصيل. في المعادن ، تكون ناقلات التيار إلكترونات حرة ، في الإلكتروليتات - الأيونات السالبة والموجبة ، في أشباه الموصلات - الإلكترونات والثقوب ، في الغازات - الأيونات والإلكترونات.

اتجاه التيار الكهربائي هو اتجاه الحركة المرتبة للشحنات الكهربائية الموجبة. لكن في الواقع ، في الموصلات المعدنية ، يتم تنفيذ التيار عن طريق الحركة المنظمة للإلكترونات ، والتي تتحرك في الاتجاه المعاكس لاتجاه التيار.

القوة الحاليةتسمى كمية فيزيائية قياسية تساوي نسبة الشحن دقالمنقولة عبر السطح المدروس في فترة زمنية قصيرة ، إلى قيمة هذه الفترة الزمنية:.

يسمى التيار الكهربائي دائم، إذا كانت القوة الحالية واتجاهها لا يتغيران مع مرور الوقت. للتيار المباشر.

وفقًا للنظرية الإلكترونية الكلاسيكية ، فإن القوة الحالية , أين ه- شحنة الإلكترون ، - تركيز الإلكترونات الحرة في الموصل ، - سرعة الحركة الموجهة للإلكترونات ، س- منطقة المقطع العرضي للموصل. وحدة القوة الحالية في SI هي الأمبير: 1 A \ u003d 1 C / s - القوة الحالية التي تمر فيها شحنة 1 C خلال 1 ثانية عبر قسم الموصل.

يتم تحديد اتجاه التيار الكهربائي عند نقاط مختلفة من السطح قيد الدراسة وتوزيع القوة الحالية على هذا السطح من خلال كثافة التيار.

متجه الكثافة الحاليةيتم توجيهه عكس اتجاه حركة الإلكترونات - ناقلات التيار في المعادن ويساوي عدديًا نسبة القوة الحالية من خلال عنصر سطح صغير ، طبيعي لاتجاه حركة الجسيمات المشحونة ، إلى القيمة دي اسمساحة هذا العنصر: .

التيار من خلال سطح عشوائي س:، أين هو إسقاط المتجه يإلى الاتجاه الطبيعي.

لموصل متجانس.

يحدث التيار الكهربائي تحت تأثير مجال كهربائي. في هذه الحالة ، يتم إزعاج توزيع التوازن (الإلكتروستاتيكي) للشحنات في الموصل ، ويتوقف سطحه وحجمه عن كونهما متساويين. يظهر داخل الموصل الحقل الكهربائي، والمكون المماسي لشدة المجال الكهربائي على سطح الموصل. يستمر التيار الكهربائي في الموصل حتى تصبح جميع نقاط الموصل متساوية الجهد. لكي يكون التيار ثابتًا في الوقت المناسب ، من الضروري أن تتدفق نفس الشحنة عبر سطح الوحدة لنفس الفترات الزمنية ، أي شدة المجال الكهربائي في جميع نقاط الموصل التي ظل من خلالها يتدفق هذا التيار دون تغيير. لذلك ، يجب ألا تتراكم الرسوم أو تنقص في أي مكان في موصل يحمل تيارًا مباشرًا. خلاف ذلك ، فإن المجال الكهربائي لهذه الشحنات سوف يتغير. يعني الشرط المحدد أنه يجب إغلاق دائرة التيار المستمر ، ويجب أن تكون القوة الحالية هي نفسها في جميع المقاطع العرضية للدائرة.

للحفاظ على التيار ، مصدر طاقة كهربائية - جهاز يتم فيه تحويل أي نوع من الطاقة إلى طاقة تيار كهربائي.

إذا تم إنشاء مجال كهربائي في الموصل ولم يتم اتخاذ أي تدابير للحفاظ عليه ، فسيختفي الحقل داخل الموصل بسرعة كبيرة وسيتوقف التيار. للحفاظ على التيار ، من الضروري القيام بتدوير الشحنات ، حيث تتحرك على طول مسار مغلق. تداول النواقل مجال الكهرباء الساكنةتساوي الصفر ، لذلك ، جنبًا إلى جنب مع المناطق التي تتحرك فيها الشحنات الموجبة على طول خطوط قوة المجال الكهربائي ، يجب أن تكون هناك مناطق يحدث فيها نقل الشحنات مقابل قوى المجال الكهربائي. حركة الشحنات في هذه المناطق ممكنة بمساعدة قوى ذات أصل غير كهربائي ، أي القوى الخارجية.

4.2 القوة الدافعة الكهربائية. الجهد االكهربى. التباينات المحتملة.

يمكن أن تتميز القوى الخارجية للحفاظ على التيار بالعمل الذي يقومون به على الشحنات. تسمى القيمة المساوية لعمل القوى الخارجية ، المشار إليها بوحدة الشحنة الموجبة القوة الدافعة الكهربائية(EMF).يمكن تعريف EMF الذي يعمل في دائرة مغلقة بأنه دوران متجه شدة المجال للقوى الخارجية.

يتم التعبير عن EMF بالفولت.

الجهد االكهربى(أو انخفاض الجهد) في قسم الدائرة 1-2 تسمى كمية مادية مساوية عدديًا للعمل الذي يقوم به المجال الناتج من القوى الكهروستاتيكية والقوى الخارجية عند التحرك على طول السلسلة من النقطة 1 بالضبط 2 وحدة الشحنة الموجبة: .

في حالة عدم وجود قوى خارجية ، الجهد يويطابق الفرق المحتمل.

4.2 القوانين الحالية المباشرة.

في عام 1826 ، وضع العالم الألماني جي أوم قانونًا تجريبيًا ينص على أن قوة التيار المتدفق عبر موصل معدني متجانس تتناسب مع انخفاض الجهد عبر الموصل: (قانون أوم في شكل متكامل). متجانسيسمى الموصل الذي لا تعمل فيه القوى الخارجية.

قيمة صاتصل المقاومة الكهربائية الموصل ، يعتمد على خصائص الموصل وأبعاده الهندسية: ، حيث - المقاومة النوعية، بمعنى آخر. مقاومة موصل بطول 1 م 2 ومساحة مقطع عرضي 1 م 2 ، - طول الموصل ، س-منطقة المقطع العرضي للموصل. مقاومة الموصل ، كما كانت ، هي مقياس لمقاومة الموصل لتأسيس تيار كهربائي فيه. وحدة المقاومة 1 أوم. يكون للموصل مقاومة 1 أوم إذا كان التيار فيه 1 أ بفرق جهد 1 فولت.

المعممة قانون أوم لقسم الدائرة مع EMF: ناتج المقاومة الكهربائية لقسم الدائرة والقوة الحالية فيه يساوي مجموع انخفاض الجهد الكهربائي في هذا القسم ومجال الطاقة الكهرومغناطيسية لجميع مصادر الطاقة الكهربائية المدرجة في القسم قيد النظر: .

يعبر قانون أوم المعمم لقسم من الدائرة عن قانون حفظ الطاقة وتحويلها فيما يتعلق بجزء من دائرة التيار الكهربائي.

قانون أوم في الشكل التفاضلي: كثافة تيار التوصيل تتناسب مع الشدة هالمجال الكهربائي في الموصل ويتزامن معه في الاتجاه ، أي . يسمى عامل التناسب الموصلية الكهربائية المحددة للوسيط، والقيمة - المقاومة الكهربائية للوسط.

المقاومة مقابل درجة الحرارةيتم التعبير عنها بالصيغة , حيث - المقاومة عند ، - المعامل الحراري للمقاومة ، اعتمادًا على خصائص الموصل ، - درجة الحرارة بالدرجات المئوية.

تفقد العديد من المعادن والسبائك في درجات حرارة أقل من 25 كلفن مقاومتها تمامًا - تصبح موصلات فائقة. الموصلية الفائقةهي ظاهرة كمومية. عندما يتدفق التيار في موصل فائق ، لا يوجد فقدان للطاقة. يدمر المجال المغناطيسي القوي للغاية حالة التوصيل الفائق.

اعتماد درجات الحرارة:

ثابتةيتم استدعاء هذا الاتصال من الموصلات عندما تكون نهاية أحد الموصلات متصلة ببداية موصل آخر. التيار المتدفق عبر الموصلات المتصلة بالسلسلة هو نفسه. المقاومة الإجمالية للدائرة تساوي مجموع المقاومة لجميع الموصلات الفردية المدرجة في الدائرة:.

موازييتم استدعاء مثل هذا الاتصال عندما يتم توصيل أحد طرفي جميع الموصلات في عقدة واحدة ، وينتهي الطرف الآخر بأخرى . مع التوصيل المتوازي ، يكون الجهد في جميع الموصلات متماثلًا ، أي يساوي فرق الجهد عند عقد التوصيل :. الموصلية (أي مقلوبة المقاومة) لجميع الموصلات المتوازية تساوي مجموع موصلات جميع الموصلات الفردية: .

قانون أوم لدائرة كاملة: الدائرة المغلقة الكاملة تتكون من مقاومة خارجية صوالمصدر الحالي مع EMF يساوي , والمقاومة الداخلية . تتناسب القوة الحالية في دائرة كاملة بشكل مباشر مع EMF للمصدر الحالي وتتناسب عكسياً مع مقاومة الدائرة:.

2.1. تيار كهربائي مستمر.
القوة الحالية. كثافة التيار

التيار الكهربائي هو حركة موجهة للشحنات الكهربائية. إذا كانت المادة تحتوي على ناقلات شحن مجانية - إلكترونات ، أيونات ، قادرة على التحرك عبر مسافات كبيرة ، فعند وجود مجال كهربائي ، فإنها تكتسب حركة موجهة ، والتي يتم فرضها على حركتها الحرارية الفوضوية. نتيجة لذلك ، تنجرف حاملات الشحن المجاني في اتجاه معين.

السمة الكمية للتيار الكهربائي هي مقدار الشحنة المنقولة عبر السطح قيد النظر لكل وحدة زمنية. يطلق عليه القوة الحالية. إذا تم نقل شحنة D عبر السطح في الوقت المناسب ف، فالتيار يساوي:

وحدة القوة الحالية في نظام الوحدات SI هي Ampere (A) ، . يسمى التيار الذي لا يتغير بمرور الوقت تيارًا ثابتًا.

يمكن لكل من الناقلات الإيجابية والسلبية المشاركة في تكوين التيار ؛ يحركهم المجال الكهربائي في اتجاهين متعاكسين. عادة ما يتم تحديد اتجاه التيار من خلال اتجاه حركة الموجات الحاملة. في الواقع ، يتم إنشاء التيار في معظم الحالات من خلال حركة الإلكترونات ، والتي ، عندما تكون سالبة الشحنة ، تتحرك في الاتجاه المعاكس للاتجاه المتخذ باعتباره اتجاه التيار. إذا تحركت الموجات الحاملة الموجبة والسالبة في وقت واحد في مجال كهربائي ، فسيتم تعريف التيار الكلي على أنه مجموع التيارات التي شكلتها حاملات كل علامة.

لتحديد مقدار التيار الكهربائي ، يتم استخدام قيمة أخرى أيضًا ، تسمى كثافة التيار. الكثافة الحالية هي قيمة تساوي الشحنة التي تمر لكل وحدة زمنية عبر وحدة مساحة متعامدة مع اتجاه حركة الشحنات. كثافة التيار كمية متجهة.

أرز. 3.1

للدلالة به نتركيز الحاملات الحالية ، أي عددهم لكل وحدة حجم. دعونا نرسم مساحة صغيرة لا متناهية D في الموصل الحامل للتيار سعمودي على سرعة الجسيمات المشحونة. دعونا نبني عليها أسطوانة مستقيمة قصيرة بلا حدود بارتفاع ، كما هو موضح في الشكل. 3.1. ستمر جميع الجسيمات الموجودة داخل هذه الأسطوانة عبر المنطقة في الوقت المناسب ، ناقلة شحنة كهربائية من خلالها في اتجاه السرعة:

وبالتالي ، يتم نقل الشحنة الكهربائية من خلال وحدة مساحة لكل وحدة زمنية. دعونا نقدم متجهًا يتزامن في الاتجاه مع متجه السرعة. سيكون المتجه الناتج هو كثافة التيار الكهربائي. نظرًا لوجود كثافة شحنة حجمية ، فإن كثافة التيار تساوي. إذا كانت الناقلات الحالية عبارة عن شحنة موجبة وسالبة ، يتم تحديد كثافة التيار بالصيغة:

,

أين و هي كثافات حجم الشحنات الموجبة و السالبة و هي سرعات حركتها المرتبة.

يمكن تصوير حقل المتجه باستخدام خطوط الانسيابية ، والتي يتم إنشاؤها بنفس طريقة خطوط متجه الكثافة ، أي أن متجه كثافة التيار عند كل نقطة من الموصل يتم توجيهه بشكل عرضي إلى الخط الحالي.

القوة الدافعة الكهربائية

إذا تم إنشاء مجال كهربائي في الموصل ولم يتم الحفاظ على هذا المجال ، فإن حركة الموجات الحاملة الحالية ستؤدي إلى اختفاء الحقل داخل الموصل ، وسيتوقف التيار. من أجل الحفاظ على التيار في الدائرة لفترة طويلة بما فيه الكفاية ، من الضروري تنفيذ حركة الشحنات على طول مسار مغلق ، أي لإغلاق خطوط التيار المستمر. لذلك ، في الدائرة المغلقة يجب أن تكون هناك أقسام حيث تتحرك حاملات الشحنة ضد قوى المجال الكهروستاتيكي ، أي من النقاط ذات الإمكانات المنخفضة إلى النقاط ذات الإمكانات الأعلى. هذا ممكن فقط في وجود قوى غير كهربائية تسمى القوى الخارجية. القوى الخارجية هي قوى من أي نوع ، باستثناء قوى كولوم.

الكمية المادية، التي تساوي عمل القوى الخارجية عند تحريك شحنة وحدة في قسم معين من الدائرة ، تسمى القوة الدافعة الكهربائية (EMF) التي تعمل في هذا القسم:

القوة الدافعة الكهربائية هي أهم خصائص الطاقة للمصدر. تُقاس القوة الدافعة الكهربائية ، مثل الجهد ، بالفولت.

في أي دائرة كهربائية حقيقية ، يمكنك دائمًا تحديد قسم يعمل على الحفاظ على التيار (المصدر الحالي) ، واعتبار الباقي بمثابة "حمل". تعمل القوى الخارجية بالضرورة في المصدر الحالي ، لذلك ، في الحالة العامة ، تتميز بالقوة الدافعة الكهربائية والمقاومة صوهو ما يسمى المقاومة الداخلية للمصدر. يمكن أن تعمل القوى الخارجية أيضًا في الحمل ، لكنها غائبة في أبسط الحالات ، والحمل يتميز فقط بالمقاومة.

القوة الناتجة المؤثرة على الشحنة عند كل نقطة من الدائرة تساوي مجموع القوى الكهربائية وقوى الطرف الثالث:

الشغل الذي تقوم به هذه القوة على الشحنة في بعض أقسام الدائرة 1-2 سيكون مساويًا لـ:

أين الفرق المحتمل بين نهايات القسم 1-2 ، - القوة الدافعة الكهربائيةتعمل في هذا المجال.

تسمى القيمة المساوية عدديًا للعمل الذي تؤديه القوى الكهربائية والخارجية عند تحريك شحنة موجبة واحدة انخفاض الجهد أو ببساطة الجهد في قسم معين من الدائرة. بالتالي، .

يسمى قسم السلسلة الذي لا تعمل فيه القوى الخارجية بالتجانس. تسمى المنطقة التي تعمل فيها القوى الخارجية على الناقلات الحالية بأنها غير متجانسة. بالنسبة لقسم متجانس من الدائرة ، أي أن الجهد يتزامن مع فرق الجهد في نهايات قسم الدائرة.

قانون أوم

أنشأ أوم قانونًا تجريبيًا ينص على أن قوة التيار المتدفق عبر موصل معدني متجانس تتناسب مع انخفاض الجهد عبر الموصل:

أين طول الموصل ، هي مساحة المقطع العرضي ، هو معامل يعتمد على خصائص المادة ، تسمى المقاومة الكهربائية. المقاومة تساوي عدديًا مقاومة وحدة طول الموصل بمساحة مقطع عرضي تساوي الوحدة.

أرز. 3.2

في الموصل الخواص ، تحدث الحركة المنظمة للحاملات الحالية في اتجاه متجه شدة المجال الكهربائي. لذلك ، تتطابق اتجاهات النواقل. دعونا نجد العلاقة بين الموصل وفي نفس النقطة. للقيام بذلك ، نختار عقليًا بالقرب من نقطة معينة حجمًا أسطوانيًا أوليًا بمولدات موازية للمتجهات و (الشكل 3.2). يتدفق التيار عبر المقطع العرضي للأسطوانة. نظرًا لأنه يمكن اعتبار المجال داخل الحجم المحدد منتظمًا ، فإن الجهد المطبق على الأسطوانة يساوي ، حيث تكون شدة المجال في موقع معين. مقاومة الأسطوانة حسب (3.2) هي. بالتعويض عن هذه القيم في الصيغة (3.1) ، نصل إلى العلاقة:

,

الاستفادة من حقيقة أن المتجهات ولها نفس الاتجاه ، يمكننا الكتابة

دعونا نعيد كتابة (3.4) بالشكل

.

أرز. 3.3

تعبر هذه الصيغة عن قانون أوم لقسم غير متجانس من السلسلة.

ضع في اعتبارك أبسط دائرة مغلقة تحتوي على مصدر حالي وحمل بمقاومة ص(الشكل 3.3). نحن نهمل مقاومة أسلاك الرصاص. بعبارة أخرى ، نحصل على تعبير قانون أوم للدائرة المغلقة:

يُظهر الفولتميتر المثالي ، المتصل بأطراف مصدر تيار العمل الجهد ، على النحو التالي من قانون أوم لقسم متجانس من الدائرة - في هذه الحالة ، لمقاومة الحمل. باستبدال القوة الحالية من هذا التعبير في قانون أوم لدائرة مغلقة ، نحصل على:

يتضح من هذا أن الجهد يوفي المحطات الطرفية لمصدر عامل يكون دائمًا أقل من EMF الخاص به. إنه أقرب إلى المزيد من المقاومةالأحمال تم العثور على R.في الحد الأقصى ، الجهد عند أطراف المصدر المفتوح يساوي EMF الخاص به. في الحالة المعاكسة ، متى R = 0، والذي يتوافق مع ماس كهربائى للمصدر الحالي ، يو = 0، والتيار الكهربائي القصير هو الحد الأقصى:.

يسمح لك قانون أوم بحساب أي منها سلسلة معقدة. تتميز الدائرة المتفرعة بقوة التيارات المتدفقة عبر أقسامها ، ومقاومة الأقسام والمجالات الكهرومغناطيسية المضمنة في هذه الأقسام. القوة الحالية و EMF عبارة عن كميات جبرية ، أي أنها تعتبر موجبة إذا كانت القوة الدافعة الكهربائية تساهم في حركة الشحنات الموجبة في الاتجاه المختار ، ويتدفق التيار في هذا الاتجاه ، وسالب في الحالة المعاكسة. ومع ذلك ، قد يكون الحساب المباشر للسلاسل المتفرعة صعبًا. تم تبسيط هذا الحساب إلى حد كبير باستخدام القواعد التي اقترحها كيرشوف.

قواعد كيرشوف

كيرشوف (1824-1887) درس قانون أوم بالتفصيل وطور طريقة عامة لحساب التيارات المباشرة في الدوائر الكهربائية، بما في ذلك تلك التي تحتوي على عدة مصادر من المجالات الكهرومغناطيسية. تعتمد هذه الطريقة على قاعدتين تسمى قوانين كيرشوف. تنطبق قاعدة كيرشوف الأولى على العقد ، أي النقاط التي تتلاقى فيها ثلاثة موصلات على الأقل. نظرًا لأننا ندرس حالة التيارات المباشرة ، في أي نقطة في الدائرة ، بما في ذلك في أي عقدة ، يجب أن تظل الشحنة المتاحة ثابتة ، لذلك يجب أن يكون مجموع التيارات المتدفقة إلى العقدة مساويًا لمجموع التيارات المتدفقة. إذا اتفقنا على اعتبار التيارات التي تقترب من العقدة موجبة ، والتيارات الصادرة سلبية ، فيمكننا القول إن المجموع الجبري لقوى التيارات في العقدة يساوي صفرًا:

يمكنك الحصول على نفس النسبة إذا وافقت ، مع تجاوز الدائرة في اتجاه معين ، على سبيل المثال ، في اتجاه عقارب الساعة ، ضع في اعتبارك الموجبة لتلك التيارات التي يتزامن اتجاهها مع اتجاه التجاوز والسالب - تلك التي يكون اتجاهها عكس اتجاه التجاوز . سننظر أيضًا في تلك المجالات الكهرومغناطيسية الإيجابية التي تزيد من الإمكانات في اتجاه تجاوز الدائرة والسلبية - تلك التي تقلل من الإمكانات في اتجاه التجاوز.

يمكن تطبيق هذا المنطق على أي حلقة مغلقة ، لذلك يمكن كتابة قاعدة كيرشوف الثانية بشكل عام على النحو التالي:

,

أين نهو عدد الأقسام في الدائرة ، و m هو عدد مصادر EMF. تعبر قاعدة كيرشوف الثانية عن الظرف الواضح أنه عندما نتجول في الدائرة تمامًا ، نعود إلى نقطة البداية بنفس الإمكانات.

وبالتالي ، في أي دائرة مغلقة ، يتم اختيارها بشكل تعسفي في دائرة متفرعة من الموصلات ، يكون المجموع الجبري لمنتجات قوى التيارات المتدفقة عبر مقاومات الأقسام المقابلة من الدائرة مساويًا للمجموع الجبري لـ EMF المصادفة في هذه الدائرة.