القوة الدافعة الكهربائية والجهد وفرق الجهد

التباينات المحتملة

من الواضح أنه يمكن تسخين جسم واحد أكثر والآخر أقل. درجة حرارة الجسم تسمى درجة حرارته. وبالمثل ، يمكن كهربة جسم واحد أكثر من جسم آخر. تحدد درجة كهربة الجسم قيمة تسمى الإمكانات الإلكترونية أو ببساطة إمكانات الجسم.

ماذا يعني كهربة الجسم؟ يعني أن تخبره شحنة إلكترونية، أي نضيف كمية معينة من الإلكترونات إليها إذا قمنا بشحن الجسم سلبًا ، أو سلبناها إذا قمنا بشحن الجسم بشكل إيجابي. في كلتا الحالتين ، سيكون للجسم درجة معينة من الكهرباء ، أي احتمال واحد أو آخر ، في حين أن الجسم المشحون إيجابياً لديه إمكانات إيجابية ، والجسم سالب الشحنة لديه إمكانات سلبية.

الفرق في مستويات الشحنات الإلكترونيةعادة ما يتم استدعاء جثتين فرق الجهد الإلكترونيأو فقط التباينات المحتملة.

يجب أن يكون مفهوما أنه إذا تم تكليف جسمين متشابهين بنفس التهم ، لكن إحداهما أكبر من الأخرى ، فسيكون هناك أيضًا فرق محتمل بينهما.

بالإضافة إلى ذلك ، يوجد فرق محتمل بين 2 من هذه الهيئات ، أحدهما مشحون والآخر بدون شحنة. لذلك ، على سبيل المثال ، إذا كان لأي جسم معزول عن الأرض إمكانات معينة ، فإن فرق الجهد بينه وبين الأرض (التي تعتبر إمكاناتها صفر) يساوي عدديًا إمكانات هذا الجسم.

لذلك ، إذا تم شحن جسمين بطريقة لا تتشابه فيها إمكاناتهما ، فهناك حتمًا فرق محتمل بينهما.

الجميع يعلم ظاهرة الكهرباءتمشيط الشعر عند فركه بالشعر ليس أكثر من خلق فرق محتمل بين المشط وشعر الإنسان.

في الواقع ، عندما يحتك المشط بالشعر ، تندفع بعض الإلكترونات إلى المشط ، فتشحنه سلبًا ، في حين أن الشعر ، بعد أن فقد بعض الإلكترونات ، يتم شحنه بنفس القدر مثل المشط ، ولكن بشكل إيجابي. يمكن تقليل فرق الجهد الناتج بهذه الطريقة إلى الصفر عن طريق لمس الشعر بالمشط. يمكن سماع هذا الانتقال العكسي للإلكترونات ببساطة إذا تم وضع مشط مكهرب بالقرب من الأذن. سوف تشير الخشخشة المميزة إلى حدوث تفريغ.

بالحديث أعلاه عن الاختلاف المحتمل ، كان يدور في ذهننا جسمان مشحونان ، لكن يمكن أيضًا الحصول على فرق الجهد بين أجزاء (نقاط) مختلفة من الجسم الأول ونفس الجسم.

لذا ، على سبيل المثال ، دعنا نرى ما يحدث في قطعة من الأسلاك النحاسية إذا نجحنا ، تحت تأثير قوة خارجية ، في جعل الإلكترونات الحرة في السلك تتحرك إلى أحد طرفيه. بالطبع ، في الطرف الآخر من السلك ، سيكون هناك نقص في الإلكترونات ، ومن ثم سينشأ فرق جهد بين طرفي السلك.

بمجرد أن ننتهي من عمل القوة الخارجية ، تندفع الإلكترونات على الفور ، بسبب جاذبية الشحنات المعاكسة ، إلى نهاية السلك المشحون إيجابياً ، أي إلى المكان الذي تفتقر إليه ، والتوازن الإلكتروني سوف يأتي مرة أخرى في السلك.

القوة الدافعة والجهد الكهربائي

د للحفاظ على تيار الإلكترون في الموصل ، هناك حاجة إلى بعض المصادر الخارجية للطاقة ، والتي من شأنها أن تحافظ دائمًا على فرق الجهد في نهايات هذا الموصل.

مصادر الطاقة هذه هي ما يسمى مصادر التيار الإلكترونيةالذين يمتلكون القوة الدافعة الكهربائية مما يجعل و لفترة طويلةيحافظ على فرق الجهد في نهايات الموصل.

يُشار إلى القوة الدافعة الكهربائية (والمختصرة باسم EMF) بالحرف E. وحدة قياس EMF هي الفولت. في بلدنا ، يتم اختصار الفولت بالحرف "B" ، وفي التعيين الدولي- الحرف "V".

لذلك ، من أجل الحصول على تدفق مستمر للتيار الإلكتروني ، هناك حاجة إلى قوة دافعة كهربائية ، أي أن هناك حاجة إلى مصدر للتيار الإلكتروني.

كان أول مصدر تيار من هذا القبيل هو ما يسمى ب "العمود الفولتية" ، والذي يتألف من سلسلة من دوائر النحاس والزنك المبطنة بجلد منقوع في ماء محمض. وبالتالي ، فإن إحدى طرق الحصول على القوة الدافعة الكهربائية هي التفاعل الكيميائي لمواد معينة ، ونتيجة لذلك يتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة إلكترونية. تسمى المصادر الحالية التي يتم فيها إنشاء قوة دافعة كهربائية بهذه الطريقة مصادر التيار الكيميائي.

حاليًا ، مصادر التيار الكيميائي - الخلايا الجلفانيةوالبطاريات - تستخدم على نطاق واسع في الهندسة الكهربائية وصناعة الطاقة.

والمولدات هي المصدر الرئيسي الآخر للتيار الذي انتشر في جميع مجالات الهندسة الكهربائية وصناعة الطاقة الكهربائية.

يتم تركيب المولدات في محطات توليد الطاقة وتكون بمثابة المصدر الوحيد للتيار لتزويد الشركات الصناعية بالكهرباء ، والإضاءة الإلكترونية للمدن ، والسكك الحديدية الإلكترونية ، والترام ، ومترو الأنفاق ، وحافلات الترولي ، وما إلى ذلك.

سواء بالنسبة للمصادر الكيميائية للتيار الإلكتروني (الأجزاء والبطاريات) ، وللمولدات ، يكون تأثير القوة الدافعة الكهربائية متطابقًا تمامًا. وهو يتألف من حقيقة أن المجالات الكهرومغناطيسية تحدث فرقًا محتملًا في أطراف المصدر الحالي وتحافظ عليه لفترة طويلة.

تسمى هذه المشابك أعمدة المصدر الحالية. يعاني أحد قطبي المصدر الحالي دائمًا من نقص في الإلكترونات ، كما يجب أن يكون له شحنة موجبة ، والقطب الآخر يعاني من فائض من الإلكترونات ، كما يجب أن يكون له شحنة سالبة.

وفقًا لذلك ، يُطلق على أحد قطبي المصدر الحالي اسم موجب (+) ، والآخر - سالب (-).

تستخدم المصادر الحالية لتزويد التيار الإلكتروني لمختلف الأجهزة - المستهلكين الحاليين. يتم توصيل المستهلكين الحاليين بأقطاب المصدر الحالي بمساعدة الموصلات ، وتشكيل دائرة إلكترونية مغلقة. يُطلق على فرق الجهد الذي تم إنشاؤه بين أقطاب المصدر الحالي بدائرة إلكترونية مغلقة الجهد الكهربي ويُشار إليه بالحرف U.

وحدة الجهد ، مثل EMF ، هي الفولت.

إذا احتجت ، على سبيل المثال ، إلى تدوين أن جهد المصدر الحالي هو 12 فولت ، فحينئذٍ يكتبون: U - 12 V.

لقياس EMF أو الجهد ، يتم استخدام جهاز يسمى الفولتميتر.

لقياس EMF أو الفولتية لمصدر حالي ، تحتاج إلى توصيل الفولتميتر على وجه التحديد بأقطابها. مع كل هذا ، إذا كانت الدائرة الإلكترونية مفتوحة ، فسيظهر الفولتميتر EMF للمصدر الحالي. إذا أغلقت الدائرة ، فلن يظهر الفولتميتر بعد ذلك EMF ، ولكن الجهد عند أطراف المصدر الحالي.

دائمًا ما يكون EMF الذي طوره المصدر الحالي أكبر من الجهد عند أطرافه.

إذا كان في المستكشف خلق الحقل الكهربائيولا تتخذ تدابير للحفاظ عليها ، فإن حركة ناقلات الشحن ستؤدي بسرعة كبيرة إلى حقيقة أن الحقل الموجود داخل الموصل سوف يختفي ، وبالتالي ، سيتوقف التيار. من أجل الحفاظ على التيار لفترة طويلة بما فيه الكفاية ، فمن الضروري من نهاية الموصل مع احتمال أقل j2(يُفترض أن تكون ناقلات الشحنة موجبة) قم بإزالة الشحنات التي يجلبها التيار هنا باستمرار ، ونحو النهاية بإمكانية كبيرة j1قم بإسقاطهم باستمرار (الشكل 20.1).

ي 1 ي 2

أرز. 20.1. لمفهوم EMF.

بمعنى آخر ، من الضروري تنفيذ دورة الشحنات التي تتحرك فيها على طول مسار مغلق. تداول النواقل مجال الكهرباء الساكنةك يساوي صفر. لذلك ، في دائرة مغلقة ، جنبًا إلى جنب مع المناطق التي تتحرك فيها الشحنات الموجبة في اتجاه التناقص ي، يجب أن تكون هناك مناطق يحدث فيها نقل الشحنات الموجبة في اتجاه الزيادة ي، أي ضد قوى المجال الكهروستاتيكي (انظر جزء الدائرة الموضحة بالخط المنقط في الشكل 20.1). حركة الناقلات في هذه المناطق ممكنة فقط بمساعدة القوات أصل غير إلكتروستاتيكي ، يسمى القوى الخارجية . وبالتالي ، للحفاظ على التيار ، هناك حاجة إلى القوى الخارجية التي تعمل إما في جميع أنحاء الدائرة أو في أقسامها الفردية. يمكن أن تكون ناجمة عن قوى ذات أصل ميكانيكي ، وعمليات كيميائية ، وانتشار حاملات الشحنة في وسط غير متجانس أو من خلال حدود مادتين مختلفتين ، المجالات الكهربائية (ولكن ليست الكهروستاتيكية) المتولدة عن طريق متغير زمني المجالات المغناطيسية، إلخ.

يمكن وصف القوى الخارجية بالعمل الذي تقوم به على الشحنات التي تتحرك على طول السلسلة. تسمى القيمة المساوية لعمل القوى الخارجية ، المشار إليها بوحدة الشحنة الموجبة ، القوة الدافعة الكهربائية (EMF) E التي تعمل في الدائرة أو في قسمها. لذلك إذا عمل القوى الخارجية على التهمة فيساوي A ، ثم بالتعريف

ه= أ / ف. (20.6)

من مقارنة الصيغ الخاصة بالإمكانات والمجالات الكهرومغناطيسية ، يترتب على ذلك أن أبعاد المجال الكهرومغناطيسي تتطابق مع بُعد الإمكانات. لهذا هتقاس بنفس وحدات ي- بالفولت (V).

القوة الخارجية و التي تعمل على الشحنة ف, يمكن تمثيلها كـ

قيمة ناقلات يتناول الطعاميسمى قوة مجال القوى الخارجية. عمل القوى الخارجية على التهمة ففي جميع أنحاء الدائرة المغلقة يمكن التعبير عنها على النحو التالي:

بتقسيم هذا العمل على q pr \ u003d +1 ، نحصل على EMF يعمل في الدائرة:

وبالتالي ، يمكن تعريف EMF الذي يعمل في دائرة مغلقة بأنه دوران متجه شدة المجال للقوى الخارجية.

من الواضح أن القوة الدافعة الكهربائية المؤثرة في القسم 1 - 2 تساوي

ه 12 = (20.7)

بالإضافة إلى القوى الخارجية ، تعمل قوى المجال الكهروستاتيكي على الشحنة Fه = ف ه. لذلك ، فإن القوة الناتجة المؤثرة عند كل نقطة من السلسلة على الشحنة q تساوي

.

الشغل الذي تقوم به هذه القوة على الشحنة ففي قسم السلسلة 1 - 2 ، يُعطى بالتعبير

= ف ه 12 + ف ( ي 1 - ي 2). (20.8)

بالنسبة لدائرة مغلقة ، يكون عمل القوى الكهروستاتيكية صفرًا ، لذلك أ = qE..

الكمية تساوي الشغل عددياالتي تؤديها القوى الكهروستاتيكية والخارجية عند تحريك شحنة موجبة واحدة ، يسمى انخفاض الجهد أو ببساطة الجهد U في هذا الجزء من السلسلة. حسب المعادلة (20.8)

ش 12 = ي 1 - ي 2 + ه 12 . (20.9)

في حالة عدم وجود قوى خارجية ، يتزامن الجهد U مع فرق الجهد ي 1 - ي 2.

يحتوي المجال الكهروستاتيكي على طاقة. إذا كانت هناك شحنة كهربائية في مجال إلكتروستاتيكي ، فإن المجال ، الذي يعمل عليها ببعض القوة ، سوف يحركها ، ويقوم بعمل. يرتبط كل عمل بتغيير في نوع من الطاقة. عادة ما يتم التعبير عن عمل المجال الكهروستاتيكي في تحريك الشحنة من حيث كمية تسمى فرق الجهد.

حيث q هي قيمة الرسوم المحولة ،

ي 1 و ي 2 - إمكانات نقطتي بداية ونهاية المسار.

للإيجاز ، سوف نشير من الآن فصاعدا. V هو فرق الجهد.

الخامس = أ / ف. الاختلاف المحتمل بين نقاط المجال الكهروستاتيكي هو العمل الذي تقوم به القوى الكهربائية عندما يكون الشاحن معلقًا واحدًا يتحرك بينها .

[V] \ u003d V. 1 فولت هو فرق الجهد بين النقطتين ، عند الانتقال بين شحنة مقدارها 1 كولوم ، تعمل القوى الكهروستاتيكية بمقدار 1 جول.

يُقاس فرق الجهد بين الأجسام بمقياس كهربي ، حيث يتم توصيل أحد الأجسام بواسطة موصلات بجسم جهاز القياس الكهربائي ، والآخر بالسهم. في الدوائر الكهربائية ، يقاس فرق الجهد بين نقاط الدائرة باستخدام الفولتميتر.

مع المسافة من الشحنة ، يضعف المجال الكهروستاتيكي. وبالتالي ، يميل إلى الصفر وخصائص الطاقة للمجال - الإمكانات. في الفيزياء ، تُؤخذ إمكانات نقطة عند اللانهاية على أنها صفر. في الهندسة الكهربائية ، يُعتقد أن سطح الأرض ليس له أي احتمال.

إذا تحركت شحنة من نقطة معينة إلى ما لا نهاية ، إذن

A = q (j - O) = qj => j = A / q ، أي إمكانات النقطة هي العمل الذي يجب على القوات الكهربائية القيام به ، حيث يتم تحويل الرسوم في قلادة واحدة من نقطة معينة إلى اللانهاية .

دع الشحنة الموجبة q تتحرك في مجال إلكتروستاتيكي موحد بكثافة E على طول اتجاه متجه الشدة على مسافة d. يمكن العثور على عمل المجال في تحريك الشحنة من خلال شدة المجال ومن خلال فرق الجهد. من الواضح ، مع أي طريقة لحساب العمل ، يتم الحصول على نفس القيمة.

A = Fd = Eqd = qV. =>

تربط هذه الصيغة بين خصائص الطاقة والطاقة في المجال. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يعطينا وحدة توتر.

[E] = V / م. 1 فولت / م هي شدة هذا المجال الكهروستاتيكي المنتظم ، حيث تتغير إمكاناته بمقدار 1 فولت عند التحرك على طول اتجاه متجه الكثافة بمقدار 1 متر.

قانون OHM لسلسلة القسم.

تؤدي الزيادة في فرق الجهد في نهايات الموصل إلى زيادة التيار فيه. أثبت أوم بشكل تجريبي أن القوة الحالية في الموصل تتناسب طرديًا مع فرق الجهد عبره.

عند توصيل مستهلكين مختلفين بنفس الشيء دائرة كهربائيةالقوة الحالية مختلفة. هذا يعني أن المستهلكين المختلفين يمنعون المرور من خلالها بطرق مختلفة. التيار الكهربائي. الكمية المادية التي تميز قدرة الموصل على منع مرور التيار الكهربائي من خلاله ، تسمى المقاومة الكهربائية . مقاومة موصل معين هي قيمة ثابتة عند درجة حرارة ثابتة. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تزداد مقاومة المعادن ، بينما تقل مقاومة السوائل. [R] = أوم. 1 أوم هي مقاومة مثل هذا الموصل ، والتي من خلالها يتدفق تيار 1 أ مع فرق محتمل في نهاياته 1 فولت. الموصلات المعدنية الأكثر استخدامًا. الناقلات الحالية فيها هي إلكترونات حرة. عندما تتحرك على طول موصل ، فإنها تتفاعل مع الأيونات الموجبة للشبكة البلورية ، مما يمنحها جزءًا من طاقتها وتفقد سرعتها. للحصول على المقاومة المطلوبة ، استخدم صندوق المقاومة. صندوق المقاومة عبارة عن مجموعة من ملفات الأسلاك بمقاومات معروفة يمكن تضمينها في الدائرة في المجموعة المرغوبة.

أوم وجد ذلك تجريبيا تتناسب القوة الحالية في قسم متجانس من الدائرة بشكل مباشر مع الاختلاف المحتمل في نهاية هذا القسم وتتناسب مع مقاومة هذا القسم.

القسم المتجانس من الدائرة هو قسم لا توجد فيه مصادر حالية. هذا هو قانون أوم لقسم متجانس من الدائرة - أساس كل الحسابات الكهربائية.

بما في ذلك الموصلات بأطوال مختلفة ومختلفة المقطع العرضيمصنوع من مواد مختلفة، وجد: تتناسب مقاومة الموصل بشكل مباشر مع طول الموصل وعكسه بشكل متناسب مع منطقة المقطع العرضي. مقاومة مكعب بحافة متر واحد ، مصنوعة من مادة ، إذا كان التيار يذهب بشكل متعامد إلى واجهاته المتعارضة ، يُطلق عليه المقاومة المحددة لهذه المادة . [r] \ u003d أوم م. غالبًا ما يتم استخدام وحدة مقاومة غير نظامية - مقاومة موصل بمساحة مقطع عرضي تبلغ 1 مم 2 وطول 1 م. [r] \ u003d أوم مم 2 / م.

المقاومة النوعيةالمواد - القيمة الجدولية. مقاومة الموصل تتناسب مع مقاومته.

يعتمد عمل المنزلق والخطوات المتغيرة على اعتماد مقاومة الموصل على طوله. المقاومة المتغيرة المنزلق عبارة عن أسطوانة خزفية بها سلك من النيكل ملفوف حولها. يتم توصيل المتغير المتغير بالدائرة باستخدام شريط التمرير ، والذي يتضمن طولًا أكبر أو أصغر للملف في الدائرة. السلك مغطى بطبقة من المقياس ، والتي تعزل المنعطفات عن بعضها البعض.

أ) سلسلة والتواصل الموازي للمستهلكين.

في كثير من الأحيان ، يتم تضمين العديد من المستهلكين الحاليين في الدائرة الكهربائية. هذا يرجع إلى حقيقة أنه ليس من المنطقي أن يكون لكل مستهلك مصدره الحالي الخاص به. هناك طريقتان لتشغيل المستهلكين: سلسلة ومتوازية ، ومجموعاتهم في شكل اتصال مختلط.

أ) الاتصال التسلسلي للمستهلكين.

في اتصال تسلسلييشكل المستهلكون سلسلة مستمرة يرتبط فيها المستهلكون الواحد تلو الآخر. لا توجد حنفيات عند التوصيل في السلسلة توصيل الأسلاك. ضع في اعتبارك ، من أجل التبسيط ، سلسلة من مستهلكين متصلين في سلسلة. الشحنة الكهربائية التي مرت عبر أحد المستهلكين ستمر أيضًا عبر الشحنة الثانية ، لأن. في الموصل الذي يربط المستهلكين لا يمكن أن يكون هناك اختفاء وحدوث وتراكم للرسوم. ف = س 1 = س 2. بقسمة المعادلة التي تم الحصول عليها بواسطة وقت مرور التيار عبر الدائرة ، نحصل على علاقة بين التيار المتدفق عبر الاتصال بأكمله والتيارات التي تتدفق عبر أقسامه.

من الواضح أن عمل تحريك شحنة موجبة واحدة في جميع أنحاء الوصلة يتكون من عمل تحريك هذه الشحنة عبر جميع أقسامها. أولئك. V \ u003d V 1 + V 2 (2).

إجمالي الفرق المحتمل عبر المستهلكين المتصلين بالسلسلة يساوي مجموع الاختلافات المحتملة بين المستهلكين.

اقسم طرفي المعادلة (2) على التيار في الدائرة ، نحصل على: U / I = V 1 / I + V 2 / I. أولئك. تساوي مقاومة القسم المتصل بالسلسلة بالكامل مجموع مقاومات المستهلكين لمكوناته.

ب) اتصال موازي للمستهلكين.

هذه هي الطريقة الأكثر شيوعًا لتمكين المستهلكين. من خلال هذا الاتصال ، يتم توصيل جميع المستهلكين بنقطتين مشتركتين لجميع المستهلكين.

عند المرور اتصال موازية، يتم تقسيم الشحنة الكهربائية التي تمر عبر الدائرة إلى عدة أجزاء تمر عبر المستهلكين الأفراد. وفقًا لقانون حفظ الشحنة q = q 1 + q 2. بقسمة هذه المعادلة على وقت عبور الشحن ، نحصل على العلاقة بين إجمالي التيار المتدفق عبر الدائرة والتيارات التي تتدفق عبر المستهلكين الأفراد.

وفقًا لتعريف فرق الجهد V = V 1 = V 2 (2).

وفقًا لقانون أوم لقسم من الدائرة ، نستبدل نقاط القوة الحالية في المعادلة (1) بنسبة فرق الجهد إلى المقاومة. نحصل على: V / R \ u003d V / R 1 + V / R 2. بعد التخفيض: 1 / ص = 1 / ص 1 + 1 / ص 2 ،

أولئك. المعاملة بالمثل للمقاومة لوصلة متوازية تساوي مجموع التبادلات لمقاومات فروعها الفردية.