DC لفترة وجيزة. التيار الكهربائي المستمر

2.1. مستمر كهرباء.
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 ؛ الحقل الكهربائييحركهم 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 لاتجاه 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 الحقل ، 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 لعمل خطوط التيار المباشرمغلق. لذلك ، في الدائرة المغلقة يجب أن تكون هناك أقسام حيث تتحرك حاملات الشحنة ضد القوى مجال الكهرباء الساكنة، أي من النقاط ذات الإمكانات الأقل إلى النقاط ذات الإمكانات الأكبر. هذا ممكن فقط في وجود قوى غير كهربائية تسمى القوى الخارجية. القوى الخارجية هي قوى من أي نوع ، باستثناء قوى كولوم.

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

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

بأي حقيقة دائرة كهربائيةيمكنك دائمًا تحديد قسم يعمل على الحفاظ على (المصدر الحالي) الحالي ، واعتبار الباقي بمثابة "تحميل". 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 فرق الجهد بين طرفي القسم 1-2 ، هو القوة الدافعة الكهربائية التي تعمل في هذا القسم.

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 المنطقة 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 مع مولدات 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 ر(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 دائرة 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

درس G. Kirchhoff (1824-1887) 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 حلقة مغلقة ، يتم اختيارها بشكل تعسفي في سلسلة متفرعةالموصلات ، المجموع الجبري لنواتج قوى التيارات المتدفقة عبر مقاومات الأقسام المقابلة من الدائرة يساوي المجموع الجبري لـ EMF المصادفة في هذه الدائرة.

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 ، الحركة الموجهة للشحنات الحرة (الناقلات الحالية) في الموصل ممكنة 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 حجم الشحنة الكهربائية التي مرت عبر المقطع العرضي للموصل إلى الفترة الزمنية لمرورها

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

التيار الكهربائي المباشر -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.

الفولتميتريقيس 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.

الموضوع 4. التيار الكهربائي المباشر

أسئلة الدراسة:

1. قوانين التيار الكهربائي المباشر.

2. دائرة كهربائية بسيطة.

مقدمة

تدرس الكهرباء الساكنة تفاعل الأجسام المكهربة (الشحنات) التي ليست كذلك

تتحرك بالنسبة لبعضها البعض.لكن في الطبيعة ، وخاصة في الهندسة الكهربائية ،

غالبًا ما ترتبط الظواهر بـ رسوم متحركة، وهذا هو ، الكهربائية

تيارات التزلج. كانت دراسة التيار الكهربائي كظاهرة واكتشاف طرق لخلق (توليد) هو العامل الذي كفل تطوير صناعة الطاقة الكهربائية والإلكترونيات والكيمياء الكهربائية ، وبالتالي ساهم في تطوير العديد من التقنيات الحديثة.

الأساليب الحديثة في الاستقبال والإرسال طاقة كهربائيةتستند إلى العديد من القوانين المكتشفة في القرن التاسع عشر. تتم دراسة الظواهر والعمليات المرتبطة بالتيار الكهربائي في قسم عقيدة الكهرباء وهو ما يسمى الديناميكا الكهربائية.حتى الآن ، أدى تطبيق هذه القوانين إلى إنشاء العديد من العلوم التقنية ، في تعقيدها الذي يتجاوز بشكل كبير الديناميكا الكهربائية.

تناقش هذه المحاضرة القوانين الأساسية لأبسط أنواع التيار - التيار الكهربائي المباشر ، وكذلك قوانينه للتيار في الموصلات المعدنية ونظام بسيط للموصلات ، وهو ما يسمى بالدائرة الكهربائية.

واحد . قوانين التيار الكهربائي المباشر

1.1 كهرباء. تيار التوصيل

1. تم الكشف عن ظاهرة التيار الكهربائي في تجربة بسيطة. إذا تم توصيل جسمين مشحونين بشكل معاكس (على سبيل المثال ، لوحات مكثف) بسلك معدني (الشكل 1.1.1) ، فيمكن اكتشاف زيادة قصيرة المدى في درجة حرارة السلك ، حتى انصهاره بمكثف كافٍ تكلفة. والسبب هو أن الأجسام المشحونة لها إمكانات مختلفة ومجال كهربائي مشترك ، وعندما تم توصيلها بسلك ، قام المجال بالعمل و

نقل الشحنات على طول سلك من جسم إلى آخر. عوضت الشحنات المنقولة ("المتدفقة") بعضها البعض ، وانخفض فرق الجهد بين الصفائح إلى الصفر ، وتوقفت عملية نقل الشحنات. حركة الشحنات عبارة عن تيار كهربائي. في الحالة المدروسة ، كان التيار المدى القصير. في الممارسة العملية ، يتم استخدام التيارات قصيرة الأجل وطويلة الأجل.

تعريف . يسمى التيار الكهربائي بالحركة المنظمة للشحنات الكهربائية - الأجسام المكهربة الدقيقة والعيانية.

معروف ثلاثة أصنافالتيار الكهربائي:

1) التيارات العيانيةفي الطبيعة ، بسبب حركة السحب الرعدية في الغلاف الجوي أو تدفقات الصهارة داخليًا

ri of the world ، البرق التفريغ الكهربائي ؛ 2) تيارات التوصيلفي المسألة؛ حاملات الشحنة عبارة عن إلكترونات و io-

3) التيارات في الفراغ ، أي في مناطق الفضاء التي تكون فيها المادة غائبة أو ذات تركيز منخفض جدًا (على سبيل المثال ، تيارات الإلكترونات في أنابيب الأشعة المهبطية ، والجسيمات الأولية في الأشعة الكونية والمسرعات).

يتم الكشف عن التيارات الكهربائية من خلال تأثيرها على الأجسام الخارجية. هذه التأثيرات هي:

1) تعمل التيارات الحرارية على تسخين الأجسام التي تمر من خلالها ؛

2) التيارات الميكانيكية تحرف إبرة مغناطيسية أو تيارات أخرى ؛

3) توفر التيارات الكيميائية عملية التحليل الكهربائي في محاليل المواد (الشوارد) ؛

4) تبدأ التيارات البيولوجية في تقلص العضلات وتؤثر على الوظائف الحيوية للأشياء البيولوجية.

2. ذات أهمية عملية كبيرة هي تيارات التوصيل.

تعريف . تيار التوصيل هو تيار كهربائي في الأجسام.

من أجل وجود تيار توصيل ، من الضروري أن يكون لديك (1) فرق جهد بين نقاط الجسم و (2) ناقلات شحن كهربائية مجانية في الأجسام.

يتم استدعاء الهيئات التي يمكن فيها وجود تيار التوصيل الموصلات الكهربائية . يجب أن تكون في حالة صلبة أو سائلة. تشمل الموصلات المعادن والإلكتروليتات - المحاليل الملحية. في المعادن ، الحاملات الحرة للشحنة الكهربائية هي الإلكترونات وفي الإلكتروليتات

– الأيونات (الكاتيونات والأنيونات).

في حالة عدم وجود مجال كهربائي خارجي ، تتحرك أيضًا ناقلات الشحنة داخل الموصلات ، ولكن هذه الحركة حرارية ، أي فوضوية. التيارات الدقيقة الموجودة في الموصلات تعوض بعضها البعض. ينقل مجال كهربائي خارجي لجميع الشحنات مكون الحركة الاتجاهية، والذي يتم فرضه على الفوضى.

تعريف . تسمى سرعة الحركة المطلوبة لحاملات الشحنة في موصل بتيار كهربائي سرعة انجراف حاملات الشحنة

ضد د.

تعريف . تسمى الخطوط التي توجد على طولها حركة منظمة لحاملات الشحن في الموصل خطوط الانسيابية.

يتم توجيه متجهات سرعة الانجراف بشكل عرضي إلى خطوط الانسيابية المقابلة.

القاعدة: اتجاه سرعة الانجراف لحاملات الشحنة الموجبة (q0 0.

بواسطة مجال إلكتروستاتيكي ، تنتقل الشحنات الموجبة من النقاط ذات الإمكانات الأكبر في القيمة المطلقة إلى النقاط ذات الإمكانات المنخفضة.

في الموصلات المعدنية ، يكون اتجاه التيار معاكسًا للاتجاه الحقيقي لحركة الإلكترونات - حاملات الشحنة الحقيقية.

3. الكميات الكمية الرئيسية المستخدمة لوصف التيار الكهربائي هي شدة التيار وكثافة التيار.

نختار نقطة N داخل الموصل ونرسم متجه سرعة الانجراف v DR والخط الانسيابي المقابل من خلاله (الشكل 1.1.2). ثم نقوم ببناء منطقة أولية (صغيرة بلا حدود) dS ، والتي تمر عبر t.

cularly إلى المتجه v DR: dS v DR.

في وجود تيار في الموصل ، تمر الشحنة dq عبر المنطقة dS في الوقت dt. من الواضح أن

د qd td q = معرف t.

التعريف: القوة الحالية بالقرب من نقطة معينة موصل N يسمى

كمية فيزيائية قياسية تساوي الشحنة الكهربائية التي تمر عبر المنطقة الأولية د S لكل وحدة زمنية:

أنا = dq / dt.

إذا كان تركيز حاملات الشحنة في الموصل n ، وكان لكل ناقل شحنة q 0 ،

إذًا من السهل إظهار أن dq = q 0 n v DS dS dt. ثم الشكل 1.1.2 كثافة التيار وقوة التيار عند النقطة N للموصل

موصوفة بالتعابير:

j = q 0 n v DR ، j = q 0 n v DR ؛

أنا = jd S = q0 nv DR d S.

الوحدة الأساسية لقياس القوة الحالية هي "الأمبير": \ u003d 1A ، وكثافة التيار - "أمبير مقسومًا على متر مربع": \ u003d 1A / م 2.

يُظهر التقدير أنه عند تيار I = 1A في موصل نحاسي ، حيث يكون تركيز حجم إلكترونات التكافؤ ن 1028 م -3 ، فإن سرعة انجرافها هي v DR 10-2 م / ث. هذه السرعة أقل بكثير من متوسط ​​سرعة الحركة الفوضوية لإلكترونات التكافؤ في حجم الموصل (v СР 106 m / s).

4. في الممارسة العملية ، تستخدم الموصلات المعدنية على نطاق واسع. مقطع عرضي عادي ثابت: S = نفسه. بالنسبة لهم ، تكون الخطوط الانسيابية متوازية والمتجه

كثافة التيار ryفي جميع النقاط في أي قسم عادي في نفس الشهر-

النقاط الزمنية هي نفسها ، أي أنها متوازية ، وموجهة في اتجاه واحد ومتساوية في القيمة المطلقة: j S ، j = const. القوة الحالية في الموصلات ذات المقطع العرضي الثابت هي مجموع قوى التيار خلال جميع المناطق الابتدائية n dS i ، والتي يمكن تقسيم أي قسم عادي إليها:

5. التعريف. يسمى التيار الكهربائي ثابت إذا كان التيار

لا يتغير بمرور الوقت.

من تعريف القوة الحالية ، يترتب على ذلك أنه في تيار ثابت من خلال قسم معين S للموصل لفترات متساوية من الوقت يمر t بنفس المقدار

تهمة ف:

IPOST = const d q = Id t q = Id t = IPOST d t = IPOST t IPOST = q / t.

بالنسبة لاثنين من الموصلات ذات المقاطع العرضية المختلفة S 1 و S 2 بنفس القوة الحالية (I 1 \ u003d I 2) ، فإن وحدات الكثافة الحالية تتناسب عكسياً مع مناطق المقطع العرضي للموصلات (j \ u003d I / S ) وفقًا للتعبير التالي:

j1 / j2 = S2 / S1.

1.2 قانون أوم للتيار في الموصل

1. يوجد تيار كهربائي في الموصل عندما يكون هناك فرق جهد في المجال الكهربائي (الجهد الكهروستاتيكي) في نهايات الموصل. من الناحية التجريبية ، تم إنشاء العلاقة بين القوة الحالية والجهد بواسطة الفيزيائي الألماني جي أوم

قانون أوم للتيار في الموصل: القوة الحالية في موصل متجانس تتناسب طرديًا مع الجهد الكهروستاتيكي في نهاياته -

يسمى معامل التناسب ("لامدا" اليونانية) التوصيل الكهربائي(التوصيل الكهربائي) موصل.

لكن عادة ، بدلاً من التوصيل الكهربائي ، يكون التناسب عكسيًا

قيمته -المقاومة الكهربائية للموصل R 1 /.

في هذه الحالة ، يكون لقانون أوم للموصل الشكل:

أنا = U / R.

وحدة القياس الأساسية المقاومة الكهربائيةهي "أوم": [R] \ u003d 1 V / A \ u003d 1 أوم - هذه هي مقاومة الموصل ، حيث يتدفق التيار المباشر 1A ​​مع فرق محتمل قدره 1 فولت.

2. ثبت تجريبياً أن المقاومة الكهربائية تعتمد على (1) التركيب الكيميائيالموصلات ، (2) شكلها وحجمها ، و (3) درجة حرارتها.

مقاومة موصل متجانس للمقطع العرضي الثابت يتناسب طرديا مع طوله ويتناسب عكسيا مع مساحتهعادي المقطع العرضي:

R = l / S.

معامل التناسب في هذا التعبير هو خاصية فيزيائية للمادة التي يتكون منها الموصل ، ويسمى كهربائي محدد

المقاومة الكيميائية للمادة التي يتكون منها الموصل.

وحدة المقاومة هي "أوم مرات

متر ": \ u003d 1 أوم · م. تتميز الفضة بأقل مقاومة

(= 1.6 10-8 أوم م) والنحاس (= 1.7 10-8 أوم م).

3. إن اعتماد مقاومة الموصل على درجة الحرارة يرجع إلى اعتماد المقاومة لدرجة الحرارة. في درجات الحرارة لا يختلف كثيرا عن العادي، هذا الاعتماد في التقريب الأول له الشكل التالي:

0 (1 + t) = 0 T ، R = R 0 (1 + t) = R 0 T ؛

هنا و 0 ، R و R 0 - المقاومة النوعيةومقاومة الموصل عند درجات الحرارة ، على التوالي ، t و 0 درجة مئوية (T و 273.15 كلفن). معامل التناسب (1/273) K -1 هو نفسه تقريبًا لجميع الموصلات المعدنية:

(1/273) K -1 - ويسمى معامل درجة الحرارة للمقاومة.

إن الزيادة في المقاومة الكهربائية مع زيادة درجة الحرارة هي السمة الرئيسية ، والتي بموجبها ، من جميع المواد الموصلة ، مجموعة من الموصلات. تتميز مجموعات المواد الأخرى بانخفاض المقاومة مع زيادة درجة الحرارة ؛ وهم يشكلون مجموعات أشباه الموصلاتيذهب-

اختصاصي بالكهرباء.

4. في الدوائر الكهربائية والراديوية ، غالبًا ما يكون من الضروري وجود قيم محددة معينة لمقاومة الموصلات. يتم تثبيتها عن طريق اختيار موصلات قياسية تسمى المقاومات. يتم دمج المقاومات في أنظمة. حساب مقاومة نظام المقاوم (ما يعادل

مقاومة النظام) يعتمد على التبعيات التي تخضع لها

tivleniya نظامين بسيطين- سلسلة متوازية ومتسلسلة

zistors.

مخطط سلسلة متوازيةالمقاومات ذات المقاومات R 1 ، R 2 ، R 3 ، .. ، R n موضحة في الشكل. 1.2.1 أ: أولاً ، يتم توصيل أحد طرفي كل مقاوم وتشكيل العقدة الأولى A ، ثم الاستنتاجات الثانية متصلة في العقدة الثانية B. عند العقدة-

يتم تطبيق جهد لاي A و B U ، نفس الشيء بالنسبة لجميع المقاومات:

U 1 \ u003d U 2 \ u003d U 3 \ u003d ... \ u003d U n \ u003d U.

تيار القوة I يتدفق إلى العقدة A من القطب الموجب للمصدر. هنا ينقسم إلى تيارات I 1 ، I 2 ، I 3 ، .. ، I n ، والتي سوف تتصل عند العقدة B في تيار مماثل القوة الأولية 1. أي أن القوة الحالية I تساوي مجموع نقاط القوة الحالية في جميع المقاومات:

من ناحية أخرى ، وفقًا لقانون أوم ، أنا \ u003d U / R PAR ، حيث R PAR هي المقاومة المكافئة لسلسلة متوازية من المقاومات. معادلة الأجزاء الصحيحة من التعبيرات الأخيرة

zhenii ، نحصل على صيغة للحساب RPAR: القيمة المتناسبة عكسياً مع المقاومة المكافئة لسلسلة متوازية من المقاومات تساوي مجموع القيم المتناسبة عكسياً مع مقاوماتها:

5. مخطط سلسلة متسلسلةالمقاومات ذات المقاومات R 1 ، R 2 ، R 3 ، .. ، R n موضحة في الشكل. 1.2.1 ب: المقاومات متصلة بأطرافها مثل عربات القطار.

إذا تم تطبيق الجهد على الأطراف الحرة للمقاومات المتطرفة R 1 و R n ، إذن

لا يكون التيار هو نفسه في جميع المقاومات:

أنا 1 \ u003d أنا 2 \ u003d أنا 3 \ u003d ... \ u003d أنا n \ u003d أنا ،

والجهد عبر كل من المقاومات ، وفقًا لقانون أوم ، يعتمد على مقاومته الخاصة:

Ui = Ii Ri = IRi.

من الواضح أن الجهد U في نهايات السلسلة يساوي مجموع الفولتية عبر كل مقاوم:

من ناحية أخرى ، U = IR LAST ، حيث R LAST هي المقاومة المكافئة للدائرة المعتبرة. معادلة الأجزاء الصحيحة من التعبيرات الأخيرة ، نحصل على ذلك المكافئ

تساوي مقاومة الشريط لسلسلة من المقاومات مجموع مقاوماتها:

R LAST = R i. أنا 0

باستخدام النسب R PAR و R LATCH التي تم الحصول عليها ، من الممكن حساب مقاومة أي نظام من المقاومات ، مع إبراز السلاسل التسلسلية و / أو المتوازية تدريجيًا.

1.3 قانون جول لينز للتيار في الموصل

1. يوجد التيار الكهربائي في الموصل بسبب العمل الذي يقوم به المجال الكهروستاتيكي لنقل شحنة موجبة على طول الموصل:

AR \ u003d q (1-2) \ u003d q U.

في التيار المباشر q \ u003d أنا ر. ثم النظر قانون أوم للتيار في الموصل، يمكننا التعبير عن عمل المجال الكهروستاتيكي من حيث المعلمات الحالية:

AR \ u003d I2 R t \ u003d (U2 / R) t \ u003d IU t

2. جي بي. جول ، وبشكل مستقل عنه ، الفيزيائي الروسي إ. لينز (1804-1865) في

1841-42 تم إنشاؤه تجريبيا: إذا تم تمرير التيار عبر ثابت

موصل معدني ، ثم التأثير الوحيد الملحوظ هو تسخين الموصل ، أي إطلاق الحرارة Q في الفضاء المحيط.

في هذه الحالة ، بحكم قانون الحفاظ على الطاقة وتحويلها

QR = AR = I2 R t.

هذه المساواة هي تعبير كمي لقانون جول لينز للقائد: كمية الحرارة المنبعثةفي أي موصل عندما الموالية-

عندما يمر تيار مباشر من خلاله ، فإنه يساوي ناتج مربع القوة الحالية والمقاومة الكهربائية للموصل ووقت مرور التيار.

يتيح لك استخدام قانون أوم تعديل تعبير قانون جول لينز:

QR = I2 R t = (U2 / R) t = IU t.

من الواضح أنه إذا تحرك الموصل الحامل للتيار تحت تأثير حقل مغناطيسي(محرك كهربائي) أو عمليات كيميائية (تحليل كهربائي) فيه ، ثم سيتجاوز عمل التيار كمية الحرارة المنبعثة.

تتميز شدة إطلاق الحرارة بقوة التيار - الفيزيائية

بقيمة تساوي عمل التيار لكل وحدة زمنية:

N A / t \ ​​u003d I 2 R \ u003d U2 / R \ u003d IU.

3. يتم تفسير إطلاق الحرارة من خلال حقيقة أن ناقلات الشحنة تتفاعل مع الشبكة البلورية للموصل وتنقل إليها طاقة حركتها المنظمة.

وجد التأثير الحراري للتيار تطبيقًا واسعًا في التكنولوجيا ، والذي بدأ بالاختراع في عام 1873. المهندس الروسي إيه إن لودين (1847-1923) لمبةساطع. تعتمد هذه الظاهرة على عمل أفران المفل الكهربائية ومعدات القوس الكهربائي واللحام المقاوم للمعادن والسخانات الكهربائية المنزلية وغير ذلك الكثير.

2. دائرة كهربائية بسيطة

2.1 مصدر التيار المباشر. القوة الدافعة الكهربائية للمصدر الحالي

1. إذا كانت قوة المجال الكهروستاتيكي تعمل فقط على حاملات الشحنة في الموصل (المقاوم) (كما هو موضح في التجربة الموضحة في الشكل 1.1.1) ، عندئذٍ تنتقل الحاملات من نقاط الموصل ذات الإمكانات العالية إلى النقاط بإمكانيات أقل. هذا يؤدي إلى معادلة الإمكانات في جميع نقاط الموصل ، وبالتالي إلى اختفاء التيار.

التطبيق العملي الرئيسي للتيارات المستمرة ، بما في ذلك التيارات المباشرة. من أجل الوجود التيار المباشرهناك حاجة إلى أجهزة قادرة على إنشاء وصيانة في نهايات الموصل فرق الجهد المستمر. تا-

الأجهزة التي تسمى مصادر التيار المباشر.في المصادر الحالية ، المؤيد

يأتي الفصل المكاني المستمر بين الشحنات الموجبة والسالبة عند أقطاب المصدر ، مما يوفر فرقًا محتملاً عبرهم.

إلى أقطاب المصدر الحالي (الشكل 2.1.1).

من المهم ، على عكس التيار في الموصل ، داخل المصدرالحالي (مثل

رسوم موجبة) موجهة من السلبيالقطب موجب

نومو . هذا الاتجاه يسمىالاتجاه الطبيعي للتيار في المصدر.

إنه يعكس فعليًا جوهر العمليات في المصدر الحالي ويتوافق مع القاعدة التي تحدد اتجاه التيار في المقاوم المتصل بأقطاب المصدر.

يشبه دور مصدر الطاقة دور المضخة ، وهو أمر ضروري لضخ السوائل عبر أنابيب النظام الهيدروليكي. من الناحية الرسمية ، فإن المصدر الحالي "يضخ" الشحنات الموجبة من قطبه السالب إلى القطب الموجب.

2. القوى الخارجية تقوم بالعمل A STOP على فصل وحركة الشحنات الكهربائية داخل المصدر وخلق مجال كهربائي بين أقطابها.

تعريف . القوة الدافعة الكهربائية (EMF) للمصدر الحالي هي كمية فيزيائية تساوي عمل القوى الخارجية التي يتم إجراؤها في المصدر في إنتاج وحدة من الشحنة الموجبة:

E A STOR / q +.

يوضح تشابه تعاريف المجالات الكهرومغناطيسية للمصدر الحالي وإمكانات المجال الكهربائي أن الوحدة الرئيسية لقياس المجالات الكهرومغناطيسية هي أيضًا "فولت":

[E] \ u003d 1 J / C \ u003d 1 فولت.

3. أساس جميع المصادر الحالية هي المواد الموصلة للكهرباء. لذلك ، فإن المصادر لها مقاومة كهربائية ، وهو ما يسمى المقاومة الداخليةويشار إليه بالحرف r. تتجلى المقاومة الداخلية في تسخين المصدر في وضع التشغيل ، أي عند توصيل المقاوم بمصدر حالي. كمية الحرارة المنبعثة من المصادر الحالية تخضع لقانون جول لينز:

Qr = I2 r t.

تزداد المقاومة الداخلية مع زيادة درجة الحرارة.

2.2 قسم الدائرة الكهربائية. دائرة مغلقة بسيطة

1. لإنشاء تيارات كهربائية ، يجب استخدام المقاومات والمصادر الحالية معًا.

تعريف . دوائر كهربائية بسيطة تسمى أنظمة ، حالة-

من المقاومات والمصادر الحالية والمفاتيح (المفاتيح) المتصلة في سلسلة.

تعريف . قسم من سلسلة بسيطةيسمى جزء من دائرة كهربائية بسيطة ، يحتوي على واحد أو أكثر من المقاومات و / أو المصادر الحالية.

تعريف . قسم متجانس من سلسلة بسيطة يسمى المنطقة التي تحتوي على

سحب المقاومات فقط.

مثال على قسم متجانس من الدائرة هو سلسلة سلسلة من المقاومات (الشكل 1.2.1 ب). يتم وصف ظاهرة التيار المباشر في قسم متجانس من الدائرة ، يتكون من مقاومات ، بواسطة قوانين أوم وجول لينز للتيار في الموصل.

2. التعريف. قسم غير متجانس من السلسلةيسمى قسم يحتوي على مقاومات متصلة بالسلسلة والمصادر الحالية.

تعريف . يُطلق على مجموع مقاومات المقاومات R والمقاومات الداخلية r i لمصادر التيار في قسم غير متجانس من دائرة بسيطة المقاومة الكاملة

من خلال تشكيل قسم غير متجانس من السلسلة.

تيار kov في المنطقة.

تعريف . الجهد الكهربائي على القسم غير المتجانس من الدائرة أ-

B هي القيمة المساوية للمجموع الجبري للجهد الكهربائي الخارجي و EMF (الجمع مع مراعاة العلامات) للمصادر الحالية المدرجة في القسم:

U AB (A -B) + E AB \ u003d U + E AB ؛

هنا E AB \ u003d E 1 + E 2 + ... هو مجموع جبري (جمع مع مراعاة العلامات) لـ EMF للمصادر الحالية في القسم.

تعليق. يمكن ملاحظة أنه بالنسبة لقسم متجانس من الدائرة ، فإن الجهد يساوي بشكل مماثل الجهد الكهربائيبين نقاط الدخول والخروج الحالية:

(U AB) واحد (A - B) واحد = U.

EMF E i في التعبير عن E AB هي الكميات الجبرية: قيمة E i

تؤخذ بعلامة "+" إذايتطابق اتجاه IAB الحالي في قسم الدائرة مع الاتجاه الطبيعي لحركة الشحنات الموجبة في المصدر الأول (في الشكل 2.2.1 E 1 0) ؛ إذا كان اتجاه IAB الحالي عكس الاتجاه الطبيعي لحركة الشحنات الموجبة في المصدر ، فإن قيمة E i مأخوذة من

علامة "-" (في الشكل 2.2.1E 2 0). في هذا الطريق،

E AB \ u003d E 1E 2 ....

3. إذا كانت الموصلات من قسم غير متجانس سلاسل A-Bبلا حراك ، فوفقًا لقانون الحفظ وتحويل الطاقة ، فإن عمل القوى الكهروستاتيكية والقوى الخارجية التي تعمل في المنطقة يساوي الحرارة المنبعثة في المقاوم والمصادر الحالية:

أ AB \ u003d Q AB.

ضع في اعتبارك قسم الدائرة الذي يحتوي على مصدر حالي واحد فقط بمقاومة داخلية r (في هذه الحالة ، E AB \ u003d E 1). من الواضح أن

أ AB \ u003d A R + A r + A STOR ،

حيث (А R + А r) = q + (А –В) هي عمل القوى الكهروستاتيكية عند تحريك شحنة موجبة q +.

من تعريف EMF يتبع ذلك A STOR \ u003d q + E AB. ثم

أ AB \ u003d q + (A - B) + q + E AB \ u003d q + (A - B) + E AB \ u003d q + U AB.

من ناحية أخرى ، مقدار الحرارة Q AB \ u003d Q R + Q r ووفقًا لقانون Joule-Lenz

وتعريف التيار الكهربائي (I t \ u003d q +)

QAB = I2 R t + I2 r t = I (R + r) (I t) = I (R + r) q +.

معادلة الأجزاء اليمنى من التعابير الأخيرة لـ A AB و Q AB يعطي التعبير

قانون أوم المعمم لقسم سلسلة غير متجانس:

قوة التيار في قسم غير متجانس من الدائرة الكهربائية تتناسب طرديا مع الجهد الكهربائيفي نهايات المقطع ويتناسب عكسياً مع المقاومة الكلية للقسم -

أنا \ u003d (A -B) + E AB / (R + r) \ u003d U AB / (R + r).

ومن ثم يتبع ذلك

U AB \ u003d I (R + r) \ u003d IR + Ir U R + U r ،

حيث U R IR و U r Ir هما الفولتية الكهروستاتيكية عبر المقاوم والداخل

مقاومة قسم السلسلة. هذا هوالجهد الكهربائي في نهايات القسم غير المتجانس من الدائرة يساوي مجموع الفولتية الكهروستاتيكية عبر المقاوم والمقاومة الداخلية للمصدر الحالي:

U R + U r \ u003d (A - B) + E AB.

تعليق. بالنسبة إلى قسم متجانس من الدائرة (E AB \ u003d 0 ، r \ u003d 0 ، U r \ u003d 0) بمقاومة مكافئة R ، يتحول قانون أوم المعمم إلى قانون أوم للتيار في الموصل:

U = UR = IR.

تعليق. لا ينطبق قانون أوم المعمم فقط على التيار المباشر (U = const) ، ولكن أيضًا لأي تغيير في التيار بمرور الوقت. في هذه الحالة ، قد يحتوي قسم الدائرة أيضًا على عناصر كهربائية أخرى: (1) المكثفات ذات الجهد U C \ u003d q / C على ألواحها و (2) ملفات لولبية تخلق EMF للحث الكهرومغناطيسي E i \ u003d -LdI / dt. ثم يجب مراعاة الكميتين U C و E i ، على التوالي ، في الجزأين الأيسر والأيمن من معادلة قانون أوم المعمم:

U R + U r + U C \ u003d (A - B) + E AB + E i].

من المهم أن تتذكر أن الحرف A يشير إلى نهاية قسم الدائرة من حيث يتدفق التيار (q 0) إلى القسم.

4. يشير قانون أوم المعمم إلى طريقة لقياس المجالات الكهرومغناطيسية لمصدر حالي. إذا لم يكن هناك تيار في القسم غير المتجانس (I = 0) ، فإنه يتبع ذلك

E AB \ u003d - (A -B) \ u003d (B -A) ،

أي أن EMF الذي يعمل في دائرة غير متجانسة يساوي فرق الجهد الكهروستاتيكي في نهايات الدائرة في الوضع عندما لا يتم إغلاقهما من خلال أقسام أخرى.

يتم تحقيق هذا القياس عن طريق توصيل أقطاب المصدر بأطراف الفولتميتر.

2.3 دائرة مغلقة بسيطة

1. التعريف. دائرة مغلقة بسيطةتسمى السلسلة ، والتي يتم الحصول عليها عن طريق توصيل (إغلاق) المفتاح K بنهايات مقطع من سلسلة بسيطة (الشكل 2.3.1).

تسمى المقاومة R في دائرة مغلقة بسيطة مقاومة خارجية

تأكل.

باستخدام قانون أوم للتيار في الموصل ، يمكنك تحديد أي جزء من EMF E هو الجهد U R على المقاومة الخارجية R:

أنا \ u003d U R / R U R \ u003d I R \ u003d E R / (R + r) \ u003d E / (1 + (r / R)) \ u003d E (1 - (r / R)) ، مع r R.

يمكن ملاحظة أنه كلما زادت المقاومة الخارجية للدائرة ، كلما اقتربت قيمة U R من قيمة E.

إذا كانت المقاومة الخارجية للدائرة أقل بكثير من المقاومة الداخلية

(R r) ، ثم ستذهب السلسلة تيار ماس كهربائى:

أنا KOR \ u003d E / r.

يعتبر وضع الدائرة القصيرة خطيرًا للغاية بالنسبة للمصادر الحالية. مقاومتها الداخلية لها قيم قريبة من 1 أوم (ص 1 أوم). لذلك ، يمكن أن تصل تيارات الدائرة القصيرة ، حتى عند انخفاض EMF ، إلى عشرات الأمبير. حرارة الجول المنبعثة في هذه الحالة ، بما يتناسب مع مربع القوة الحالية (Q I 2) ، يمكنها تعطيل المصدر.

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 ، لا 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 (+). لإنشاء تدفق للكهرباء ، يلزم وجود دائرة كهربائية تتكون من مصدر طاقة تيار مستمر وسلك يشكلان 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 تيار متردد إلى الجهد المستمر 5 الخامس.

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 المتناوب، وفي هذه الحالة يجب أن تؤخذ المتغيرات الأخرى في الاعتبار. 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. أي منهم كميات فيزيائيةيمكن قياسها باستخدام 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.

2. التيار الكهربائي في المعادن. إثبات تجريبي لطبيعة ناقلات الشحنة الكهربائية في المعادن. أساسيات النظرية الإلكترونية الكلاسيكية للتوصيل في المعادن.

تستند فكرة الطبيعة الإلكترونية لحاملات الشحنة في المعادن ، والتي تم وضعها في نظرية درود ولورنتز ، على عدد من البراهين التجريبية الكلاسيكية.

أول هذه التجارب هو تجربة ريكي (1901) ، والتي خلال العام el. تم تمرير التيار من خلال ثلاث أسطوانات معدنية (Cu ، Al ، Cu) من نفس نصف القطر متصلة في سلسلة بنهايات مصقولة بعناية. على الرغم من حقيقة أن الشحنة الإجمالية التي مرت عبر الأسطوانات وصلت إلى قيمة ضخمة (حوالي 3.5 * درجة مئوية) ، لم يتم العثور على تغييرات في كتلة المعادن الخارجية. أثبت هذا الافتراض بأن الجزيئات ذات الكتلة الصغيرة للغاية متورطة في نقل الشحنة.

على الرغم من الكتلة الصغيرة لحاملات الشحنة ، إلا أنها تمتلك خاصية القصور الذاتي ، والتي تم استخدامها في تجارب Mandelstam و Papaleksi ، ثم في تجارب Stewart و Tolman ، اللذان قاما بتدوير الملف بعدد كبير جدًا من المنعطفات إلى ضخمة. السرعة (من أجل 300 م / ث) ، ثم فرملة فجأة. نتيجة لإزاحة الشحنات بسبب القصور الذاتي ، أوجدت نبضة تيار ، ومعرفة أبعاد ومقاومة الموصل وحجم التيار المسجل في التجربة ، كان من الممكن حساب نسبة الشحنة إلى كتلة الجسيم ، والتي تبين أنها قريبة جدًا من القيمة التي يتم الحصول عليها للإلكترون (1.7 * C / kg).

أساسيات النظرية الإلكترونية الكلاسيكية للتوصيل في المعادن

يفسر وجود الإلكترونات الحرة في المعادن بحقيقة أنه أثناء تكوين شبكة بلورية لمعدن (نتيجة اقتراب الذرات المعزولة) ، تنفصل إلكترونات التكافؤ ، المرتبطة بشكل ضعيف نسبيًا بالنواة الذرية ، عن ذرات المعدن ، تصبح "حرة" ويمكنها التحرك خلال الحجم. توجد أيونات معدنية موجبة في عقد الشبكة البلورية ، وتتحرك الإلكترونات الحرة بينها بشكل عشوائي ، وتشكل نوعًا من غاز الإلكترون ، ويبلغ متوسط ​​المسار الحر للإلكترونات حوالي m ( المسافة بين العقد الشبكية) تصطدم إلكترونات التوصيل بالأيونات الشبكية ، مما يؤدي إلى تحويل الطاقة إليها ، ونتيجة لذلك ، يتم إنشاء توازن ديناميكي حراري بين غاز الإلكترون والشبكة ، وفقًا لنظرية درود لورنتز ، فإن الإلكترونات لها نفس الشيء طاقة الحركة الحرارية كجزيئات غاز أحادي الذرة المثالي وفي درجات حرارة الغرفة ستكون السرعة الحرارية للإلكترونات أوامر من حيث الحجم / ثانية ، كل الإلكترون تعتبر مستقلة ولتفسير الظواهر العيانية (على سبيل المثال ، التيار) يكفي معرفة سلوك إلكترون واحد من أجل تحديد سلوك جميع الإلكترونات. لذلك ، تسمى هذه النظرية "تقريب الإلكترون المفرد" ، وعلى الرغم من تبسيطها ، فإنها تعطي بعض النتائج المرضية.

لا يمكن أن تؤدي الحركة الفوضوية الحرارية للإلكترونات إلى ظهور تيار. عندما يتم تطبيق مجال كهربائي على موصل معدني ، فإن جميع الإلكترونات تكتسب حركة موجهة ، يمكن تقدير سرعتها من كثافة التيار ؛ حتى عند الكثافات العالية جدًا (بترتيب 10-10 أمبير / م) ، فإن السرعة الحركة المنظمة حوالي م / ث. لذلك ، في الحسابات ، يمكن استبدال السرعة الناتجة للإلكترون (حراري + أمر) بسرعة الحركة الحرارية.

السؤال الذي يطرح نفسه ، كيف نفسر حقيقة الإرسال الفوري للإشارات الكهربائية عبر مسافات طويلة؟ الحقيقة هي أن الإشارة الكهربائية لا يتم نقلها بواسطة تلك الإلكترونات الموجودة في بداية خط النقل ، ولكن بواسطة مجال كهربائي بسرعة حوالي 3 * م / ث ، بما في ذلك على الفور تقريبًا جميع الإلكترونات على طول السلسلة. لذلك ، يحدث تيار كهربائي على الفور تقريبًا مع إغلاق الدائرة

نوصي بالقراءة

هوائي

ماركو بولو - مكتشف آسيا

هوائي

ماركو بولو - مكتشف آسيا

كهربائي في الشقة

بطاقات أعياد الميلاد

للسيارات

كيفية إنقاص الوزن أثناء الحمل - الفروق الدقيقة الرئيسية

هوائي

التفريغ في الفصل الثاني

أساسيات الهندسة الكهربائية

ما تحتاج لمعرفته حول حكيم للمرأة الحامل هل من الممكن للمرأة الحامل تناول مستحلبات المريمية