DC krótko. Prąd elektryczny DC

2.1. Stały Elektryczność.
Aktualna siła. gęstość prądu

Prąd elektryczny to ukierunkowany ruch ładunków elektrycznych. Jeśli substancja zawiera nośniki ładunków swobodnych - elektrony, jony, zdolne do przemieszczania się na znaczne odległości, to w obecności pola elektrycznego uzyskują ukierunkowany ruch, który nakłada się na ich chaotyczny ruch termiczny. W rezultacie przewoźnicy bezpłatnych opłat dryfują w określonym kierunku.

Charakterystyczną cechą ilościową prądu elektrycznego jest wielkość ładunku przenoszonego przez rozważaną powierzchnię w jednostce czasu. Nazywa się to obecną siłą. Jeśli ładunek D zostanie przeniesiony na powierzchnię w czasie q, to prąd jest równy:

Jednostką natężenia prądu w układzie miar SI jest Amper (A), . Prąd, który nie zmienia się w czasie, nazywany jest prądem stałym.

W tworzeniu prądu mogą uczestniczyć zarówno pozytywne, jak i negatywne nośniki; pole elektryczne przesuwa je w przeciwnych kierunkach. Kierunek prądu jest zwykle określany przez kierunek ruchu dodatnich nośników. W rzeczywistości prąd w większości przypadków jest tworzony przez ruch elektronów, które będąc naładowane ujemnie, poruszają się w kierunku przeciwnym do kierunku prądu. Jeśli dodatnie i ujemne nośniki poruszają się jednocześnie w polu elektrycznym, to całkowity prąd definiuje się jako sumę prądów utworzonych przez nośniki każdego znaku.

Aby określić ilościowo prąd elektryczny, używana jest również inna wartość, zwana gęstością prądu. Gęstość prądu jest wartością równą ładunkowi przechodzącemu w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni prostopadłą do kierunku ruchu ładunków. Gęstość prądu jest wielkością wektorową.

Ryż. 3.1

Oznacz przez n stężenie obecnych nośników, czyli ich liczba na jednostkę objętości. Narysujmy nieskończenie mały obszar D w przewodzie przewodzącym prąd S, prostopadłe do prędkości naładowanych cząstek . Skonstruujmy na nim nieskończenie krótki prosty walec o wysokości , jak pokazano na rys. 3.1. Wszystkie cząstki zamknięte wewnątrz tego cylindra przejdą przez ten obszar w czasie, przenosząc przez niego ładunek elektryczny w kierunku prędkości:

W ten sposób ładunek elektryczny jest przenoszony przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu. Wprowadźmy wektor pokrywający się w kierunku z wektorem prędkości . Otrzymany wektor będzie gęstością prądu elektrycznego. Ponieważ istnieje wolumetryczna gęstość ładunku, gęstość prądu będzie równa . Jeżeli nośniki prądu są zarówno ładunkami dodatnimi, jak i ujemnymi, gęstość prądu określa wzór:

,

gdzie i są gęstościami objętościowymi ładunków dodatnich i ujemnych oraz są prędkościami ich uporządkowanego ruchu.

Pole wektorowe można przedstawić za pomocą linii prądu, które zbudowane są w taki sam sposób, jak linie wektora natężenia, czyli wektor gęstości prądu w każdym punkcie przewodu jest skierowany stycznie do linii prądu.

Siła elektromotoryczna

Jeżeli w przewodniku powstanie pole elektryczne i to pole nie zostanie utrzymane, to ruch nośników prądu spowoduje zanik pola wewnątrz przewodnika i zatrzymanie prądu. Aby utrzymać prąd w obwodzie przez wystarczająco długi czas, konieczne jest przeprowadzenie ruchu ładunków po zamkniętej trajektorii, czyli wykonanie linii prąd stały Zamknięte. Dlatego w obwodzie zamkniętym muszą istnieć odcinki, w których nośniki ładunku będą poruszać się wbrew siłom pole elektrostatyczne, czyli od punktów o mniejszym potencjale do punktów o większym potencjale. Jest to możliwe tylko w obecności sił nieelektrycznych, zwanych siłami zewnętrznymi. Siły zewnętrzne to siły dowolnej natury, z wyjątkiem sił kulombowskich.

Nazywa się wielkość fizyczną równą pracy sił zewnętrznych podczas przesuwania ładunku jednostkowego w danym odcinku obwodu siła elektromotoryczna(EMF) działające w tym obszarze:

Siła elektromotoryczna jest najważniejszą charakterystyką energetyczną źródła. Siła elektromotoryczna jest mierzona, podobnie jak potencjał, w woltach.

W każdym prawdziwym obwód elektryczny zawsze możesz wybrać sekcję, która służy do utrzymania prądu (źródła prądu), a resztę uznać za „obciążenie”. Siły zewnętrzne koniecznie działają w źródle prądu, dlatego w ogólnym przypadku charakteryzuje się siłą elektromotoryczną i oporem r, który nazywa się wewnętrznym oporem źródła. W obciążeniu mogą również działać siły zewnętrzne, ale w najprostszych przypadkach nie występują, a obciążenie charakteryzuje się jedynie oporem.

Wynikowa siła działająca na ładunek w każdym punkcie obwodu jest równa sumie sił elektrycznych i sił zewnętrznych:

Praca wykonana przez tę siłę na ładunku w pewnym odcinku obwodu 1-2 będzie równa:

gdzie jest różnica potencjałów między końcami sekcji 1-2, to siła elektromotoryczna działająca na tę sekcję.

Wartość liczbowo równa pracy wykonanej przez siły elektryczne i zewnętrzne podczas przemieszczania pojedynczego ładunku dodatniego nazywamy spadkiem napięcia lub po prostu napięciem w danym odcinku obwodu. W konsekwencji, .

Odcinek łańcucha, na który nie działają siły zewnętrzne, nazywa się jednorodnym. Obszar, w którym siły zewnętrzne działają na nośniki prądu, nazywany jest niejednorodnym. W przypadku jednorodnego odcinka obwodu, to znaczy napięcie pokrywa się z różnicą potencjałów na końcach odcinka obwodu.

Prawo Ohma

Ohm eksperymentalnie ustanowił prawo, zgodnie z którym siła prądu płynącego przez jednorodny metalowy przewodnik jest proporcjonalna do spadku napięcia na przewodzie:

gdzie jest długość przewodnika, to obszar Przekrój, to współczynnik zależny od właściwości materiału, zwany opornością elektryczną. Rezystywność jest liczbowo równa rezystancji jednostki długości przewodnika o polu przekroju równym jedności.

Ryż. 3.2

W przewodzie izotropowym uporządkowany ruch nośników prądu zachodzi w kierunku wektora natężenia pola elektrycznego. Dlatego kierunki wektorów i pokrywają się. Znajdźmy połączenie między i w tym samym punkcie przewodnika. Aby to zrobić, wybieramy mentalnie w pobliżu pewnego punktu elementarną cylindryczną objętość z generatorami równoległymi do wektorów i (ryc. 3.2). Przez przekrój cylindra przepływa prąd. Ponieważ pole wewnątrz wybranej objętości można uznać za jednolite, napięcie przyłożone do cylindra jest równe , gdzie jest natężeniem pola w danym miejscu. Opór cylindra, zgodnie z (3.2), wynosi . Podstawiając te wartości do wzoru (3.1), dochodzimy do zależności:

,

Korzystając z faktu, że wektory i mają ten sam kierunek, możemy pisać

Przepiszmy (3.4) w postaci

.

Ryż. 3,3

Ta formuła wyraża prawo Ohma dla niejednorodnego odcinka łańcucha.

Rozważ najprostszy obwód zamknięty zawierający źródło prądu i obciążenie z rezystancją R(rys. 3.3). Zaniedbujemy rezystancję przewodów ołowianych. Kładąc , otrzymujemy wyrażenie prawa Ohma dla obwodu zamkniętego:

Idealny woltomierz, podłączony do zacisków źródła prądu roboczego, pokazuje napięcie, zgodnie z prawem Ohma, dla jednorodnego odcinka obwodu - w tym przypadku dla rezystancji obciążenia. Zastępując siłę prądu z tego wyrażenia w prawie Ohma dla obwodu zamkniętego, otrzymujemy:

Widać z tego, że napięcie U na zaciskach działającego źródła jest zawsze mniejsza niż jego EMF. Jest bliżej większy opór masa R. W limicie w , napięcie na zaciskach otwartego źródła jest równe jego EMF. W przeciwnym przypadku, gdy R=0, co odpowiada zwarciu źródła prądu, U=0, a prąd zwarciowy jest maksymalny: .

Prawo Ohma pozwala obliczyć dowolny złożony obwód. Obwód rozgałęziony charakteryzuje się siłą prądów przepływających przez jego sekcje, rezystancją sekcji i siłą elektromotoryczną zawartych w tych sekcjach. Natężenie prądu i EMF są wielkościami algebraicznymi, to znaczy są uważane za dodatnie, jeśli siła elektromotoryczna przyczynia się do ruchu ładunków dodatnich w wybranym kierunku, a prąd płynie w tym kierunku, a ujemny w przeciwnym przypadku. Jednak bezpośrednie obliczenie rozgałęzionych łańcuchów może być trudne. To obliczenie jest znacznie uproszczone dzięki zastosowaniu reguł zaproponowanych przez Kirchhoffa.

Zasady Kirchhoffa

G. Kirchhoff (1824–1887) szczegółowo przestudiował prawo Ohma i opracował ogólną metodę obliczania prądów stałych w obwodach elektrycznych, w tym zawierających kilka źródeł pola elektromagnetycznego. Ta metoda opiera się na dwóch zasadach zwanych prawami Kirchhoffa. Pierwsza zasada Kirchhoffa dotyczy węzłów, czyli punktów, w których zbiegają się co najmniej trzy przewodniki. Ponieważ rozważamy przypadek prądów stałych, w dowolnym punkcie obwodu, w tym w dowolnym węźle, dostępny ładunek musi pozostać stały, więc suma prądów płynących do węzła musi być równa sumie wypływających. Jeśli zgodzimy się uznać prądy dochodzące do węzła za dodatnie, a wychodzące za ujemne, to możemy powiedzieć, że suma algebraiczna sił prądów w węźle jest równa zeru:

Możesz uzyskać ten sam stosunek, jeśli się zgodzisz, omijając obwód w określonym kierunku, na przykład zgodnie z ruchem wskazówek zegara, uważaj za dodatnie te prądy, których kierunek pokrywa się z kierunkiem obwodnicy, a ujemny - te, których kierunek jest przeciwny do kierunku obwodnicy . Za dodatnie uznamy również te pola elektromagnetyczne, które zwiększają potencjał w kierunku omijania obwodu i ujemne - te, które obniżają potencjał w kierunku omijania.

To rozumowanie można zastosować do dowolnej zamkniętej pętli, więc drugą regułę Kirchhoffa można ogólnie zapisać w następujący sposób:

,

gdzie n to liczba sekcji w obwodzie, a m to liczba źródeł pola elektromagnetycznego. Druga zasada Kirchhoffa wyraża oczywistą okoliczność, że kiedy całkowicie obejdziemy tor, wracamy do punktu wyjścia z takim samym potencjałem.

Tak więc w dowolnej zamkniętej pętli, arbitralnie wybranej w rozgałęziony łańcuch przewodniki, suma algebraiczna iloczynów sił prądów przepływających przez rezystancje odpowiednich odcinków obwodu jest równa sumie algebraicznej pola elektromagnetycznego występującego w tym obwodzie.

Z fizyki dla klasy 11 (Kasyanov V.A., 2002),
zadanie №17
do rozdziału " Stały prąd elektryczny. POSTANOWIENIA GŁÓWNE».

Elektryczność

Elektryczność- uporządkowany (ukierunkowany) ruch naładowanych cząstek Ukierunkowany ruch swobodnych ładunków (nośników prądu) w przewodniku jest możliwy pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego

Za kierunek prądu przyjmuje się kierunek ruchu cząstek naładowanych dodatnio.

Aktualna siła w danym momencie- skalarna wielkość fizyczna równa granicy stosunku wielkości ładunku elektrycznego, który przeszedł przez przekrój przewodnika, do przedziału czasu jego przejścia

Jednostka prądu (jednostka bazowa SI) - amper (1 A) 1 A = 1 C/s

Prąd stały - prąd, który nie zmienia się z czasem

Obecne źródło- urządzenie rozdzielające ładunki dodatnie i ujemne

Siły zewnętrzne- siły pochodzenia nieelektrostatycznego, powodujące oddzielenie ładunków w źródle prądu

EMF- skalarna wielkość fizyczna równa stosunkowi pracy sił zewnętrznych do przemieszczenia ładunku dodatniego z bieguna ujemnego źródła prądu do dodatniego do wartości tego ładunku:

EMF jest równe napięciu między biegunami otwartego źródła prądu.

Prawo Ohma dla przewodu jednorodnego (przekrój obwodu): prąd w jednorodnym przewodzie jest wprost proporcjonalny do przyłożonego napięcia i odwrotnie proporcjonalny do rezystancji przewodu

Rezystancja przewodnika jest wprost proporcjonalna do jego rezystywności i długości oraz odwrotnie proporcjonalna do jego pola przekroju.

Jednostką rezystancji jest om (1 om) 1 om = 1 V/A

Rezystor- przewodnik o pewnej stałej rezystancji

Oporność- skalarna wielkość fizyczna, liczbowo równa rezystancji jednorodnego cylindrycznego przewodnika o jednostkowej długości i jednostkowej powierzchni.

Jednostką rezystywności jest omomierz (1 om m).

Rezystancja właściwa przewodnika metalicznego wzrasta liniowo wraz z temperaturą:

gdzie ρ 0 - rezystywność w T 0 \u003d 293 K, ΔT \u003d T- T 0, α - współczynnik temperaturowy rezystancji. Jednostka współczynnik temperatury odporność K -1 . Rezystywność półprzewodnika maleje wraz ze wzrostem temperatury ze względu na wzrost liczby wolnych ładunków zdolnych do przewodzenia prądu elektrycznego.

Otwór- wolny stan elektronowy w sieci krystalicznej, który ma nadmierny ładunek dodatni.

Nadprzewodnictwo- zjawisko fizyczne polegające na nagłym spadku do zera rezystancji substancji.

Krytyczna temperatura jest temperaturą nagłego przejścia materii ze stanu normalnego do stanu nadprzewodzącego.

efekt izotopowy- zależność temperatury krytycznej od masy jonów w sieci krystalicznej.

Prąd elektryczny w nadprzewodniku wynika ze skoordynowanego ruchu par elektronów połączonych interakcją z siecią krystaliczną

Na połączenie szeregowe rezystory, całkowita rezystancja obwodu jest równa sumie ich rezystancji. połączenie równoległe rezystory, przewodność obwodu jest równa sumie ich przewodności Prawo Ohma dla obwodu zamkniętego: siła prądu w obwodzie zamkniętym jest wprost proporcjonalna do pola elektromagnetycznego źródła i odwrotnie proporcjonalna do impedancji obwodu:

gdzie R i r są zewnętrznymi i wewnętrznymi rezystancjami obwodu.

Prawo Ohma dla obwodu zamkniętego z kilkoma źródłami prądu połączonymi szeregowo:

siła prądu w obwodzie zamkniętym z połączonymi szeregowo źródłami prądu jest wprost proporcjonalna do sumy algebraicznej ich pola elektromagnetycznego i odwrotnie proporcjonalna do impedancji obwodu:

Amperomierz mierzy siłę prądu elektrycznego, jest włączony szeregowo w obwód

Bocznica- przewód podłączony równolegle do amperomierza w celu zwiększenia limitu jego pomiarów *

gdzie RA jest rezystancją amperomierza, n jest krotnością zmian w limicie pomiarowym.

Woltomierz mierzy napięcie elektryczne. Połączone równolegle

Dodatkowy opór - przewód połączony szeregowo z woltomierzem w celu zwiększenia jego zakresu pomiarowego.

gdzie R v jest rezystancją woltomierza Ilość ciepła uwolnionego w przewodniku jest równa pracy prądu elektrycznego.

Prawo Joule'a-Lenza: ilość ciepła uwolnionego w przewodniku z prądem jest równa iloczynowi kwadratu natężenia prądu, rezystancji przewodnika i czasu przepłynięcia przez niego prądu:

Moc prądu elektrycznego - praca wykonywana w jednostce czasu przez pole elektryczne podczas uporządkowanego ruchu naładowanych cząstek w przewodniku

Maksymalna moc jest przekazywana do odbiornika, jeśli rezystancja obciążenia jest równa całkowitej rezystancji źródła prądu i przewodów zasilających

Ciecze, podobnie jak ciała stałe, mogą być przewodnikami prądu elektrycznego.

elektrolity- substancje, których roztwory i stopione substancje mają przewodnictwo jonowe.

Dysocjacja elektrolityczna - rozszczepianie cząsteczek elektrolitu na jony dodatnie i ujemne pod działaniem rozpuszczalnika

Elektroliza- uwalnianie na elektrodach substancji wchodzących w skład elektrolitu, gdy przez jego roztwór (lub stopiony) przepływa prąd elektryczny

Prawo Faradaya: masa substancji uwolnionej na elektrodzie jest wprost proporcjonalna do ładunku, który przeszedł przez roztwór (stop) elektrolitu. gdzie k jest elektrochemicznym odpowiednikiem substancji.

Jednostką ekwiwalentu elektrochemicznego jest kilogram na zawieszkę (1 kg/C).

Połączone prawo Faradaya:

gdzie M to masa molowa, n to wartościowość pierwiastek chemiczny; Stała Faradaya F = 9,65-10 4 C/mol.

Temat 4. Stały prąd elektryczny

Pytania do studium:

1. Prawa stałego prądu elektrycznego.

2. Prosty obwód elektryczny.

Wstęp

Elektrostatyka bada oddziaływanie ciał naelektryzowanych (ładunków), które nie są

poruszają się względem siebie. Ale w przyrodzie, a zwłaszcza w elektrotechnice,

zjawiska są najczęściej kojarzone z przenoszenie opłat czyli elektryczny

prądy narciarskie. Badanie prądu elektrycznego jako zjawiska i odkrywanie sposobów jego tworzenia (generowania) było czynnikiem, który zapewnił rozwój elektroenergetyki, elektroniki, elektrochemii, a tym samym przyczynił się do rozwoju wielu nowoczesnych technologii.

Nowoczesne metody odbioru i transmisji energia elektryczna opierają się na kilku prawach odkrytych w XIX wieku. Zjawiska i procesy związane z prądem elektrycznym są badane w części doktryny elektryczności, która nazywa się elektrodynamika. Do tej pory zastosowanie tych praw doprowadziło do powstania kilku nauk technicznych, których złożoność znacznie przewyższa elektrodynamikę.

Wykład omawia podstawowe prawa najprostszego rodzaju prądu - stałego prądu elektrycznego, a także jego prawa dla prądu w przewodnikach metalowych oraz prosty układ przewodników, który nazywamy obwodem elektrycznym.

jeden . Prawa stałego prądu elektrycznego

1.1 Elektryczność. Prąd przewodzenia

1. Zjawisko prądu elektrycznego ujawnia się w prostym eksperymencie. Jeśli dwa przeciwnie naładowane korpusy (na przykład płytki kondensatora) są połączone metalowym drutem (ryc. 1.1.1), wówczas można wykryć krótkotrwały wzrost temperatury drutu, aż do jego stopienia z wystarczającym kondensatorem opłata. Powodem jest to, że naładowane ciała miały różne potencjały i wspólne pole elektryczne, a kiedy zostały połączone przewodem, pole wykonało pracę i

przemieszczanie ładunków wzdłuż drutu z jednego ciała do drugiego. Przemieszczone („przepływające”) ładunki skompensowały się wzajemnie, różnica potencjałów płytek zmniejszyła się do zera, a proces przesuwania ładunków ustał. Ten ruch ładunków to prąd elektryczny. W rozpatrywanym przypadku prąd był krótkoterminowe. W praktyce stosuje się zarówno prądy krótkotrwałe, jak i długoterminowe.

Definicja . Prąd elektryczny nazywany jest uporządkowanym ruchem ładunków elektrycznych - ciał naelektryzowanych mikro- i makroskopowych.

znany trzy odmiany prąd elektryczny:

1) prądy makroskopowe w naturze, ze względu na ruch chmur burzowych w atmosferze lub przepływ magmy wewnętrznie

ri kuli ziemskiej, wyładowania elektryczne piorun; 2) prądy przewodzenia w materii; nośnikami ładunku są elektrony i jo-

3) prądy w próżni, czyli w obszarach przestrzeni, w których materia jest nieobecna lub ma bardzo niskie stężenie (na przykład prądy elektronów w lampach katodowych, cząstki elementarne w promieniowaniu kosmicznym i akceleratory).

Prądy elektryczne są wykrywane na podstawie ich wpływu na ciała zewnętrzne. Te wpływy to:

1) termiczny - prądy ogrzewają ciała, przez które przechodzą;

2) mechaniczne - prądy odchylają igłę magnetyczną lub inne prądy;

3) chemiczne - prądy zapewniają proces elektrolizy w roztworach substancji (elektrolitów);

4) biologiczne - prądy inicjują skurcze mięśni i wpływają na funkcje życiowe obiektów biologicznych.

2. Największe znaczenie praktyczne mają prądy przewodzenia.

Definicja . Prąd przewodzący to prąd elektryczny w ciałach.

Do istnienia prądu przewodzącego konieczne jest posiadanie (1) różnicy potencjałów między punktami ciała oraz (2) swobodnych nośników ładunku elektrycznego w ciałach.

Ciała, w których możliwe jest istnienie prądu przewodzącego, nazywa się przewodniki elektryczne . Muszą być w stanie stałym lub płynnym. Przewodniki obejmują metale i elektrolity - roztwory soli. W metalach swobodnymi nośnikami ładunku elektrycznego są elektrony, a w elektrolitach

– jony (kationy i aniony).

W przypadku braku zewnętrznego pola elektrycznego nośniki ładunku wewnątrz przewodników również się poruszają, ale ruch ten jest termiczny, czyli chaotyczny. Mikroprądy występujące w przewodnikach kompensują się nawzajem. Zewnętrzne pole elektryczne przekazuje wszystkie ładunki składnik ruchu kierunkowego, który nakłada się na chaotyczny.

Definicja . Prędkość uporządkowanego ruchu nośników ładunku w przewodniku z prądem elektrycznym nazywana jest prędkością dryfu nośników ładunku

v DR.

Definicja . Linie, wzdłuż których występuje uporządkowany ruch nośników ładunku w przewodniku, nazywane są liniami strumieniowymi.

Wektory prędkości dryfu są skierowane stycznie do odpowiednich linii prądu.

Reguła: kierunek prędkości dryfu dodatnich nośników ładunku (q0 0 .

Przez pole elektrostatyczne ładunki dodatnie przemieszczają się z punktów o większym potencjale w wartości bezwzględnej do punktów o niższym potencjale.

W przewodnikach metalowych kierunek prądu jest przeciwny do rzeczywistego kierunku ruchu elektronów - rzeczywistych nośników ładunku.

3. Głównymi wielkościami ilościowymi używanymi do opisu prądu elektrycznego są natężenie prądu i gęstość prądu.

Wybieramy punkt N wewnątrz przewodnika i rysujemy wektor prędkości dryfu v DR i odpowiednią linię prądu przez niego (ryc. 1.1.2). Następnie konstruujemy elementarny (nieskończenie mały) obszar dS, który przechodzi przez t. Nperpendi-

w szczególności do wektora v DR : dS v DR .

W obecności prądu w przewodniku ładunek dq przechodzi przez obszar dS w czasie dt. To oczywiste, że

d qd td q= Id t.

Definicja Aktualna siła w pobliżu danego punktu Nazywa się przewodnik N

skalarna wielkość fizyczna równa ładunkowi elektrycznemu przechodzącemu przez elementarny obszar d S na jednostkę czasu:

I = dq/dt.

Jeśli koncentracja nośników ładunku w przewodniku wynosi n, a każdy nośnik ma ładunek q 0,

wtedy łatwo wykazać, że dq =q 0 n v DS dS dt . Następnie rys. 1.1.2 gęstość prądu i siła prądu w punkcie N przewodu

są opisane wyrażeniami:

j=q0nvDR,j=q0nvDR;

I = jd S = q0 nv DR d S.

Podstawową jednostką pomiaru natężenia prądu jest „amper”: \u003d 1 A, a gęstość prądu - „amper podzielony przez metr kwadratowy”: \u003d 1 A / m 2.

Oszacowanie wskazuje, że przy prądzie I = 1A w przewodzie miedzianym, dla którego stężenie elektronów walencyjnych wynosi n 1028 m–3, ich prędkość dryfu wynosi v DR 10–2 m/s. Ta prędkość jest znacznie mniejsza niż średnia prędkość chaotycznego ruchu elektronów walencyjnych w objętości przewodnika (v СР 106 m/s).

4. W praktyce bardzo szeroko stosowane są przewodniki metalowe. stały przekrój normalny:S=idem. Dla nich linie prądu są równoległe, a wektor

ry gęstość prądu we wszystkich punktach dowolnego normalnego odcinka w tym samym momencie

Punkty czasowe są takie same, to znaczy są równoległe, skierowane w jednym kierunku i równe w wartości bezwzględnej: j S , j = = const. Natężenie prądu w przewodach o stałym przekroju jest sumą natężenia prądu przez wszystkie n obszarów elementarnych dS i, na które można podzielić dowolny normalny przekrój S:

5. Definicja. Prąd elektryczny nazywany jest stałym, jeśli prąd

nie zmienia się w czasie.

Z definicji natężenia prądu wynika, że ​​przy stałym prądzie przez dany odcinek S przewodnika przez równe okresy czasu t przechodzi tę samą ilość

opłata q :

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

W przypadku dwóch przewodów o różnych przekrojach S 1 i S 2 przy tej samej sile prądu (I 1 \u003d I 2) moduły gęstości prądu są odwrotnie proporcjonalne do powierzchni przekroju przewodów (j \u003d I / S ) są powiązane według następującego wyrażenia:

j1 / j2 = S2 / S1 .

1.2 Prawo Ohma dla prądu w przewodniku

1. Prąd elektryczny w przewodniku występuje, gdy na końcach przewodnika występuje różnica potencjałów w polu elektrycznym (napięcie elektrostatyczne). Eksperymentalnie związek między siłą prądu a napięciem ustalił niemiecki fizyk G. Ohm

Prawo Ohma dla prądu w przewodniku: siła prądu w jednorodnym przewodniku jest wprost proporcjonalna do napięcia elektrostatycznego na jego końcach -

Nazywa się współczynnik proporcjonalności (gr. lambda) przewodnictwo elektryczne(przewodnictwo elektryczne) konduktor.

Ale zwykle zamiast przewodności elektrycznej odwrotnie proporcjonalna

jego wartość - rezystancja elektryczna przewodu R 1/ .

W tym przypadku prawo Ohma dla dyrygenta ma postać:

Ja = U/R.

Podstawowa jednostka miary opór elektryczny to „om”: [ R ] \u003d 1 V / A \u003d 1 Ohm - jest to rezystancja przewodnika, w którym przy różnicy potencjałów 1 V płynie prąd stały 1 A.

2. Doświadczalnie ustalono, że opór elektryczny zależy (1) od skład chemiczny przewodniki, (2) ich kształt i rozmiar oraz (3) ich temperatura.

Rezystancja przewodu jednorodnego o stałym przekroju wprost proporcjonalna do jego długości i odwrotnie proporcjonalna do jego powierzchni normalna Przekrój:

R = l/S.

Współczynnik proporcjonalności w tym wyrażeniu jest fizyczną cechą substancji, z której składa się przewodnik, i jest nazywany specyficzny elektryczny

odporność chemiczna substancji, z której składa się przewodnik.

Jednostką rezystywności jest „ohm razy

miernik ”: \u003d 1 Ohm m. Srebro ma najniższą rezystywność

(= 1,6 10–8 omów m) i miedzi (= 1,7 10–8 omów m).

3. Zależność rezystancji przewodu od temperatury wynika z temperaturowej zależności rezystywności. W temperaturach nie różni się zbytnio od normalnego, ta zależność w pierwszym przybliżeniu ma postać:

0 (1 + t) = 0 T , R = R 0 (1 + t) = R 0 T ;

tutaj i 0 ,R i R 0 – oporność oraz rezystancję przewodu w temperaturach odpowiednio t i 0C (T i 273,15K). Współczynnik proporcjonalności (1/273)K -1 jest prawie taki sam dla wszystkich przewodników metalowych:

(1/273) K -1 - i jest nazywany współczynnikiem temperaturowym oporu.

Wzrost oporu elektrycznego wraz ze wzrostem temperatury jest główną cechą, zgodnie z którą ze wszystkich substancji przewodzących, grupa przewodników. Inne grupy substancji charakteryzują się spadkiem rezystancji wraz ze wzrostem temperatury; oni tworzą grupy półprzewodnikowe iść-

elektrycy.

4. W obwodach elektrycznych i radiowych często konieczne jest posiadanie określonych wartości rezystancji przewodów. Są instalowane poprzez wybór znormalizowanych przewodników zwanych rezystorami. Rezystory są łączone w systemy. Obliczanie rezystancji układu rezystorowego (odpowiednik

rezystancja systemu) opiera się na zależnościach, które podlegają

tvleniya dwa proste systemy- łańcuch równoległy i szeregowy-

zistory.

Schemat łańcuch równoległy rezystory o rezystancjach R 1, R 2, R 3, .., R n pokazano na rys. 1.2.1a: najpierw jeden z dwóch zacisków każdego rezystora jest połączony i tworzy pierwszy węzeł A, a następnie drugi wniosek są połączone w drugim węźle B. W węźle-

ly przyłożone jest napięcie U i A, to samo dla wszystkich rezystorów:

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

Prąd o sile I płynie do węzła A z dodatniego bieguna źródła.Tutaj jest podzielony na prądy Ja 1, Ja 2, Ja 3,.., Ja n, które połączą się w węźle B w prąd o tym samym siła początkowa I. Oznacza to, że siła prądu I jest równa sumie sił prądu we wszystkich rezystorach:

Z drugiej strony, zgodnie z prawem Ohma, I \u003d U / R PAR, gdzie R PAR jest równoważną rezystancją równoległego łańcucha rezystorów. Zrównanie właściwych części ostatnich wyrażeń

zhenii, otrzymujemy wzór do obliczania RPAR : wartość odwrotnie proporcjonalna do równoważnej rezystancji równoległego ciągu rezystorów jest równa sumie wartości odwrotnie proporcjonalnych do ich rezystancji:

5. Schemat łańcuch seryjny rezystory o rezystancjach R 1, R 2, R 3, .., R n pokazano na rys. 1.2.1b: rezystory są połączone z ich zaciskami jak wagony.

Jeśli napięcie jest przyłożone do wolnych zacisków skrajnych rezystorów R 1 i R n, to

la prąd będzie taki sam we wszystkich opornikach:

I 1 \u003d I 2 \u003d I 3 \u003d ... \u003d I n \u003d I,

a napięcie na każdym z rezystorów, zgodnie z prawem Ohma, zależy od jego własnej rezystancji:

Ui = Ii Ri = IRi .

Oczywiście napięcie U na końcach łańcucha jest równe sumie napięć na każdym rezystorze:

Z drugiej strony, U = IR LAST , gdzie R LAST jest równoważną rezystancją rozważanego obwodu. Porównując właściwe części ostatnich wyrażeń otrzymujemy, że ekwiwalent

Rezystancja taśmy szeregowego łańcucha rezystorów jest równa sumie ich rezystancji:

R OSTAT= Rj. ja 0

Wykorzystując otrzymane współczynniki R PAR i R LATCH można obliczyć rezystancję dowolnego układu rezystorów, stopniowo podkreślając w nim szeregowe i/lub równoległe łańcuchy.

1.3 Prawo Joule'a-Lenza dla prądu w przewodniku

1. Prąd elektryczny w przewodniku istnieje dzięki pracy wykonanej przez pole elektrostatyczne w celu przeniesienia ładunku dodatniego wzdłuż przewodnika:

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

Przy prądzie stałym q \u003d I t. Następnie, biorąc pod uwagę Prawo Ohma dla prądu w przewodniku, możemy wyrazić pracę pola elektrostatycznego parametrami prądu:

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

2. J.P. Joule i niezależnie od niego rosyjski fizyk E.Kh. Lenz (1804-1865) w

1841-42 ustalone eksperymentalnie: jeśli prąd przepływa przez stacjonarny

przewodnik metalowy, wówczas jedynym obserwowanym efektem jest nagrzewanie przewodnika, czyli uwalnianie ciepła Q do otaczającej przestrzeni.

W tym przypadku na mocy prawa zachowania i przemiany energii

QR = AR = I2 Rt.

Ta równość jest ilościowym wyrazem prawa Joule-Lenza dla dyrygenta: ilość uwolnionego ciepła w jakimkolwiek dyrygent, gdy pro-

kiedy przepływa przez niego prąd stały, jest on równy iloczynowi kwadratu natężenia prądu i oporu elektrycznego przewodnika oraz czasu przepływu prądu.

Korzystanie z prawa Ohma pozwala modyfikować wyrażenie prawa Joule-Lenza:

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

Oczywiste jest, że jeśli przewodnik przewodzący prąd porusza się pod wpływem pole magnetyczne(silnik elektryczny) lub zachodzą w nim procesy chemiczne (elektroliza), wtedy praca prądu przekroczy ilość wydzielanego ciepła.

Intensywność wydzielania ciepła charakteryzuje się mocą prądu - fizyczną

o wartości równej pracy prądu na jednostkę czasu:

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

3. Uwalnianie ciepła tłumaczy się tym, że nośniki ładunku oddziałują z siecią krystaliczną przewodnika i przekazują do niej energię swojego uporządkowanego ruchu.

Efekt cieplny prądu znalazł szerokie zastosowanie w technologii, która rozpoczęła się wraz z wynalezieniem w 1873 roku. Rosyjski inżynier A.N. Lodygin (1847-1923) żarówka rozżarzony. Na tym zjawisku opiera się działanie elektrycznych pieców muflowych, urządzeń do spawania łukowego i oporowego metali, domowych grzałek elektrycznych i wielu innych.

2. Prosty obwód elektryczny

2.1 Źródło prądu stałego. Siła elektromotoryczna źródła prądu

1. Jeżeli na nośniki ładunku w przewodniku (rezystor) działa tylko siła pola elektrostatycznego (jak w eksperymencie zilustrowanym na rys. 1.1.1), to nośniki przemieszczają się z punktów przewodnika o wyższym potencjale do punktów o niższym potencjale. Prowadzi to do wyrównania potencjałów we wszystkich punktach przewodnika i odpowiednio do zaniku prądu.

Główne praktyczne zastosowanie dotyczy prądów ciągłych, w tym prądów stałych. O istnienie prąd stały potrzebne są urządzenia, które są w stanie stworzyć i utrzymać na końcach przewodu stała różnica potencjałów. Ta-

jakie urządzenia są nazywane źródła prądu stałego.W aktualnych źródłach pro-

następuje ciągła przestrzenna separacja ładunków dodatnich i ujemnych na biegunach źródła , co zapewnia potencjalną różnicę między nimi.

do biegunów źródła prądu (rys. 2.1.1).

Ważne jest, aby w przeciwieństwie do prądu w przewodniku wewnątrz źródła aktualny (jak

ładunki dodatnie) jest skierowany z negatywu biegun jest dodatni

nomu . Ten kierunek nazywa się naturalny kierunek prądu w źródle.

Fizycznie poprawnie odzwierciedla istotę procesów w źródle prądu i odpowiada regule określającej kierunek prądu w rezystorze podłączonym do biegunów źródła.

Rola źródła zasilania jest podobna do roli pompy, która jest niezbędna do pompowania płynu przez rury układu hydraulicznego. Formalnie rzecz biorąc, źródło prądu „pompuje” ładunki dodatnie z bieguna ujemnego do bieguna dodatniego.

2. Siły zewnętrzne wykonują pracę ZATRZYMANIE na oderwaniu i przemieszczaniu ładunków elektrycznych wewnątrz źródła oraz wytworzeniu pola elektrycznego między jego biegunami.

Definicja . Siła elektromotoryczna (EMF) źródła prądu jest wielkością fizyczną równą pracy sił zewnętrznych wykonanych w źródle przy wytworzeniu jednostki ładunku dodatniego:

E A STOR / q + .

Podobieństwo definicji pola elektromagnetycznego źródła prądu i potencjału pola elektrycznego wyjaśnia, że ​​główną jednostką miary pola elektromagnetycznego jest również „wolt”:

[ E ] \u003d 1 J / C \u003d 1 V.

3. Podstawą wszystkich źródeł prądu są substancje przewodzące prąd elektryczny. Dlatego źródła mają opór elektryczny, który nazywa się opór wewnętrzny i jest oznaczony literą r. Rezystancja wewnętrzna objawia się nagrzewaniem źródła w trybie pracy, to znaczy, gdy rezystor jest podłączony do źródła prądu. Ilość ciepła uwalnianego w źródłach prądu jest zgodna z prawem Joule-Lenza:

Qr = I2 r t.

Opór wewnętrzny wzrasta wraz z temperaturą.

2.2 Sekcja obwodu elektrycznego. Prosty obwód zamknięty

1. Aby wytworzyć prądy elektryczne, rezystory i źródła prądu muszą być używane razem.

Definicja . Proste obwody elektryczne nazywane są systemami, stan-

z rezystorów, źródeł prądu i kluczy (przełączników) połączonych szeregowo.

Definicja . Sekcja prostego łańcucha Wywoływana jest część prostego obwodu elektrycznego, zawierająca jedną lub inną liczbę rezystorów i / lub źródeł prądu.

Definicja . Jednorodny odcinek prostego łańcucha nazywa się obszarem zawierającym

ciągnąc tylko rezystory.

Przykładem jednorodnej sekcji obwodu jest szeregowy łańcuch rezystorów (rys. 1.2.1b). Zjawisko prądu stałego w jednorodnym odcinku obwodu, składającym się z rezystorów, jest opisane prawami Ohma i Joule-Lenza dla prądu w przewodniku.

2. Definicja. Niejednorodny odcinek łańcucha nazywana sekcją zawierającą połączone szeregowo rezystory i źródła prądu.

Definicja . Nazywa się sumę rezystancji rezystorów R i rezystancji wewnętrznych r i źródeł prądu w niejednorodnym odcinku prostego obwodu całkowity opór

przez utworzenie niejednorodnej części łańcucha.

prąd kov w okolicy.

Definicja . Napięcie elektryczne na niejednorodnym odcinku obwodu A-

B jest wartością równą sumie algebraicznej zewnętrznego napięcia elektrycznego i pola elektromagnetycznego (sumowanie z uwzględnieniem znaków) źródeł prądu zawartych w sekcji:

U AB (A -B) + E AB \u003d U + E AB;

tutaj E AB \u003d E 1 + E 2 + ... to suma algebraiczna (sumowanie z uwzględnieniem znaków) pola elektromagnetycznego bieżących źródeł w sekcji.

Komentarz. Widać, że dla jednorodnego odcinka obwodu napięcie jest identycznie równe napięcie elektrostatyczne pomiędzy obecnymi punktami wejścia i wyjścia:

(UAB) JEDEN (A - B) JEDEN = U.

EMF E i w wyrażeniu na E AB są wielkości algebraiczne: wartość E i

jest przyjmowany ze znakiem „+”, jeśli kierunek prądu IAB w odcinku obwodu pokrywa się z naturalnym kierunkiem ruchu ładunków dodatnich w i-tym źródle (na ryc. 2.2.1 E 1 0); jeżeli kierunek prądu IAB jest przeciwny do naturalnego kierunku ruchu ładunków dodatnich w źródle, to wartość E i pobierana jest z

znak „-” (na rys. 2.2.1E 2 0). W ten sposób,

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

3. Jeżeli przewody o przekroju niejednorodnym łańcuchy A-B są nieruchome, to zgodnie z prawem zachowania i przemiany energii praca sił elektrostatycznych i zewnętrznych działających w tym obszarze jest równa ciepłu wydzielonemu w rezystorze i źródłach prądu:

AB \u003d Q AB.

Rozważ sekcję obwodu zawierającą tylko jedno źródło prądu o rezystancji wewnętrznej r (w tym przypadku E AB \u003d E 1 ). To oczywiste, że

A AB \u003d A R + A r + A STOR,

gdzie (А R +А r ) =q + (А –В ) jest pracą sił elektrostatycznych podczas ruchu ładunku dodatniego q + .

Z definicji EMF wynika, że ​​A STOR \u003d q + E AB. Następnie

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

Z drugiej strony ilość ciepła Q AB \u003d Q R + Q r i zgodnie z prawem Joule-Lenza

i definicja prądu elektrycznego (I t \u003d q + )

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

Zrównanie prawych części ostatnich wyrażeń dla A AB i Q AB daje wyrażenie

uogólnione prawo Ohma dla niejednorodnego odcinka łańcucha:

natężenie prądu w niejednorodnym odcinku obwodu elektrycznego jest wprost proporcjonalne do napięcie elektryczne na końcach sekcji i jest odwrotnie proporcjonalna do całkowitej rezystancji sekcji -

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

Stąd wynika, że

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

gdzie U R IR i U r Ir są napięciami elektrostatycznymi na rezystorze i wewnętrznym

odporność sekcji łańcucha. To znaczy napięcie elektryczne na końcach niejednorodnego odcinka obwodu jest równe sumie napięć elektrostatycznych na rezystorze i rezystancji wewnętrznej źródła prądu:

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

Komentarz. Dla jednorodnego odcinka obwodu (E AB \u003d 0, r \u003d 0, U r \u003d 0) o równoważnej rezystancji R, uogólnione prawo Ohma zamienia się w prawo Ohma dla prądu w przewodzie:

U=UR=IR.

Komentarz. Uogólnione prawo Ohma obowiązuje nie tylko dla prądu stałego (U = const), ale także dla każdej zmiany prądu w czasie. W takim przypadku sekcja obwodu może również zawierać inne elementy elektryczne: (1) kondensatory o napięciu U C \u003d q / C na ich płytkach oraz (2) solenoidy wytwarzające pole elektromagnetyczne indukcji elektromagnetycznej E i \u003d -LdI / dt. Następnie należy wziąć pod uwagę wielkości U C i E i odpowiednio w lewej i prawej części równania uogólnionego prawa Ohma:

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

Należy pamiętać, że litera A oznacza koniec odcinka obwodu, z którego prąd (q 0) wpływa do odcinka.

4. Uogólnione prawo Ohma wskazuje metodę pomiaru pola elektromagnetycznego źródła prądu. Jeśli w sekcji niejednorodnej nie ma prądu (I = 0), to z tego wynika, że

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

oznacza to, że siła elektromotoryczna działająca w niejednorodnym obwodzie jest równa różnicy potencjałów elektrostatycznych na końcach obwodu w trybie, gdy nie są one zamknięte przez inne sekcje.

Pomiar ten realizowany jest poprzez podłączenie biegunów źródła do zacisków woltomierza.

2.3 Prosty obwód zamknięty

1. Definicja. Prosty obwód zamknięty wywoływany jest łańcuch, który uzyskuje się przez połączenie (zamknięcie) klucza K z końcami odcinka prostego łańcucha (ryc. 2.3.1).

Nazywa się rezystancję R w prostym obwodzie zamkniętym rezystancja zewnętrzna

jeść.

Korzystając z prawa Ohma dla prądu w przewodniku, możesz określić, jaka część pola elektromagnetycznego E jest napięciem U R na rezystancji zewnętrznej R:

I \u003d U R / R U R \u003d I R \u003d E R / (R + r) \u003d E / (1 + (r / R )) \u003d E (1 - (r / R)), z r R.

Można zauważyć, że im większa rezystancja zewnętrzna obwodu, tym wartość UR jest bliższa wartości E .

Jeśli rezystancja zewnętrzna obwodu jest znacznie mniejsza niż rezystancja wewnętrzna

(R r ), to łańcuch pójdzie prąd zwarcia:

I KOR \u003d E / r.

Tryb zwarcia jest niezwykle niebezpieczny dla źródeł prądu. Ich rezystancja wewnętrzna ma wartości zbliżone do 1 oma (r 1 om). Dlatego prądy zwarciowe, nawet przy niskim EMF, mogą sięgać dziesiątek amperów. Ciepło Joule'a uwolnione w tym przypadku, proporcjonalne do kwadratu natężenia prądu (Q I 2 ), może wyłączyć źródło.

Stały prąd elektryczny to ciągły ruch elektronów z obszaru o ładunku ujemnym (-) do obszaru o ładunku dodatnim (+) przez materiał przewodzący, taki jak drut metalowy. Chociaż wyładowania statyczne są spontanicznymi ruchami naładowanych cząstek z powierzchni naładowanej ujemnie do powierzchni naładowanej dodatnio, nie ma ciągłego ruchu cząstek przez przewodnik.

Aby wytworzyć przepływ elektronów, potrzebny jest stały obwód prądu elektrycznego. Jest to źródło energii (na przykład bateria) i przewodnik biegnący od bieguna dodatniego do ujemnego. W obwód można włączyć różne urządzenia elektryczne.

Ciągły ruch elektronów

Prąd stały to ciągły ruch elektronów przez materiał przewodzący, taki jak drut metalowy. Naładowane cząstki poruszają się w kierunku potencjału dodatniego (+). Aby wytworzyć przepływ energii elektrycznej, wymagany jest obwód elektryczny składający się ze źródła prądu stałego i drutu tworzącego zamkniętą pętlę. Dobrym przykładem takiego obwodu jest latarka.

Chociaż ujemnie naładowane elektrony przemieszczają się przez przewód do dodatniego (+) bieguna zasilacza, to ruch prądu jest wskazywany w przeciwnym kierunku. To wynik niefortunnej i mylącej konwencji. Naukowcy, którzy eksperymentowali z prądami, wierzyli, że elektryczność przeniosła się z (+) do (-), co było powszechnie akceptowane jeszcze przed odkryciem elektronów. W rzeczywistości ujemnie naładowane cząstki poruszają się w kierunku bieguna dodatniego, przeciwnie do kierunku wskazanego jako kierunek przepływu prądu. To mylące, ale po zawarciu umowy trudno jest to naprawić.

Napięcie, prąd i rezystancja

Energia elektryczna przechodząca przez przewód lub inny przewodnik charakteryzuje się napięciem U, prądem I i rezystancją R. Napięcie jest energią potencjalną. Prąd to przepływ elektronów w przewodniku, a opór to jego siła tarcia.

Dobrym sposobem na myślenie o stałym prądzie elektrycznym jest użycie analogii wody przepływającej przez wąż. Napięcie to potencjał, który rośnie na jednym końcu drutu z powodu nadmiaru ujemnie naładowanych elektronów. To jak zwiększone ciśnienie wody w wężu. Potencjał powoduje, że elektrony przemieszczają się przez drut do obszaru o ładunku dodatnim. Ta potencjalna energia nazywana jest napięciem i jest mierzona w woltach.

Stały prąd elektryczny to przepływ elektronów mierzony w amperach. To jak prędkość wody przepływającej przez wąż.

Ohm jest jednostką miary oporu elektrycznego. Atomy przewodnika są ułożone tak, że elektrony przechodzą przez nie z niewielkim tarciem. W izolatorach lub słabych przewodnikach atomy stawiają silny opór lub utrudniają ruch naładowanych cząstek. Jest to analogiczne do tarcia wody w wężu podczas jej przechodzenia.

Tak więc napięcie jest jak ciśnienie, przepływ jest jak prąd, a opór hydrauliczny jest jak elektryczność.

Tworzenie prądu stałego

Chociaż elektryczność statyczna może być rozładowywana przez metalowy drut, nie jest to źródło prądu stałego. Są to baterie i generatory.

Baterie wykorzystują reakcje chemiczne do wytwarzania prądu stałego. Na przykład, akumulator składa się z płytek ołowianych umieszczonych w roztworze kwasu siarkowego. Kiedy płytki otrzymują ładunek z sieci lub alternatora samochodu, zmieniają się chemicznie i utrzymują ładunek. To źródło prądu stałego może być następnie wykorzystane do zasilania reflektorów samochodowych itp. Problem polega na tym, że Kwas siarkowy bardzo żrący i niebezpieczny.

Kolejną baterię można wykonać niezależnie od cytryny. Nie wymaga ładowania, ale zależy od kwaśnego odczynu różnych metali. Najlepiej sprawdzają się miedź i cynk. Możesz użyć drutu miedzianego lub monety. Jako kolejną elektrodę można użyć ocynkowanego gwoździa. Żelazo też będzie działać, ale nie tak dobrze. Wystarczy się przykleić kabel miedziany i ocynkowany gwóźdź w zwykłą cytrynę i zmierz napięcie między nimi za pomocą woltomierza. Niektórym udało się nawet zapalić latarkę tą baterią.

Niezawodnym źródłem jest generator, który jest wykonany z drutu nawiniętego między północnym i południowym biegunem magnesu.

Zatem stały prąd elektryczny to ciągły ruch elektronów od ujemnego do dodatniego bieguna przewodnika, takiego jak metalowy drut. Do przejścia naładowanych cząstek potrzebny jest obwód. W nim kierunek ruchu prądu jest przeciwny do przepływu elektronów. Obwód charakteryzuje się takimi wielkościami jak napięcie, prąd i rezystancja. Źródłami prądu stałego są baterie i generatory.

Obwody elektryczne

Obwód elektryczny prądu stałego składa się ze źródła, do którego biegunów są podłączone przewody, łączące odbiorniki w obwodzie zamkniętym. Jest to warunek wstępny przepływu prądu. Obwody mogą być szeregowe, równoległe lub kombinowane.

Jeśli weźmiesz źródło prądu stałego, takie jak bateria, i podłączysz jego dodatnie i ujemne bieguny przewodami do obciążenia, takiego jak żarówka, powstaje obwód elektryczny. Innymi słowy, prąd przepływa z jednego zacisku akumulatora do drugiego. Szeregowo z lampą można zainstalować wyłącznik, który w razie potrzeby będzie regulował dopływ prądu stałego.

Źródła prądu stałego

Obwód wymaga źródła zasilania. Z reguły używa się do tego baterii lub akumulatora. Innym źródłem energii jest generator prądu stałego. Dodatkowo przez prostownik można przepuścić prąd przemienny. Zwykły adapter używany z niektórymi urządzeniami przenośnymi (takimi jak smartfony) konwertuje 220 V AC na stałe napięcie 5 V.

przewodniki

Przewody i obciążenie muszą przewodzić prąd. Miedź lub aluminium są dobrymi przewodnikami i mają niską rezystancję. Włókno wolframowe w lampie żarowej przewodzi prąd, ale ma wysoką rezystancję, która powoduje jego nagrzewanie i świecenie.

Połączenie szeregowe i równoległe

W obwodzie elektrycznym kilka urządzeń, takich jak żarówki, można podłączyć w jednej linii między dodatnim i ujemnym biegunem akumulatora. Takie połączenie nazywa się szeregowym. Jednym z problemów związanych z tym układem jest to, że jeśli jedna żarówka przepala się, działa jak przełącznik i wyłącza cały obwód.

Odbiorniki mogą być również połączone równolegle, dzięki czemu w przypadku zgaśnięcia którejś z lamp obwód nie zostanie pozbawiony napięcia. obwód równoległy włączanie jest stosowane nie tylko w girlandach choinkowych - okablowanie elektryczne w domach odbywa się również równolegle. Dzięki temu oświetlenie i urządzenia można włączać i wyłączać niezależnie od siebie.

Prawo Ohma

Prawa stałego prądu elektrycznego obejmują prawo Ohma, które jest najbardziej podstawową formułą dla obwodów elektrycznych. Według niego prąd przepływający przez przewodnik jest wprost proporcjonalny do różnicy potencjałów na nim. Prawo zostało sformułowane po raz pierwszy w 1827 r. Niemiecki fizyk Georg Ohm kiedy badał przewodnictwo metali. Prawo Ohma najlepiej opisuje proste obwody elektryczne prądu stałego. Chociaż dotyczy to również prąd przemienny, w takim przypadku należy wziąć pod uwagę inne możliwe zmienne. Zależność między prądem, napięciem i rezystancją pozwala obliczyć jedną wielkość fizyczną, jeśli znane są wartości dwóch pozostałych.

Prawo Ohma pokazuje zależność między napięciem, prądem i rezystancją w prostym obwodzie elektrycznym.. W najprostszej formie jest zapisany jako U = I × R. Tutaj U to napięcie w woltach, I to prąd w amperach, a R to rezystancja w omach. Tak więc, jeśli I i R są znane, można obliczyć U. W razie potrzeby wzór można zmodyfikować metodami algebraicznymi. Na przykład, jeśli U i R są znane i trzeba je znaleźć, należy użyć równania I = U / R. Lub, jeśli podano U i I i należy obliczyć R, to wyrażenie R = U / Jestem używany.

Znaczenie prawa Ohma polega na tym, że jeśli znana jest wartość dwóch zmiennych w równaniu, to można określić trzecią. którykolwiek z nich wielkości fizyczne można zmierzyć woltomierzem. Większość woltomierzy lub multimetrów mierzy U, I, R prądu stałego i przemiennego.

Obliczenia U, I, R

Napięcie prądu stałego o znanym prądzie i rezystancji można znaleźć za pomocą wzoru U = I × R. Na przykład, jeśli I = 0,2 A i R = 1000 omów, to U = 0,2 A * 1000 omów = 200 V.

Jeśli napięcie i rezystancja są znane, prąd można obliczyć za pomocą równania I = V / R. Na przykład, jeśli U = 110 V i R = 22000 omów, to I = 110 V / 22000 omów = 0,005 A.

Jeśli napięcie i prąd są znane, to R = V / I. Jeśli V = 220 V i I = 5 A, to R = 220 V / 5 A = 44 omy.

W ten sposób, Prawo Ohma pokazuje zależność między napięciem, prądem i rezystancją w prostym obwodzie elektrycznym.. Może być stosowany zarówno do obwodów prądu stałego, jak i prądu przemiennego.

Moc prądu stałego

Ładunek poruszający się w obwodzie (jeśli nie jest nadprzewodnikiem) zużywa energię. Może to spowodować rozgrzanie lub obrót silnika. Energia elektryczna to szybkość, z jaką energia elektryczna jest przekształcana w inną formę, taką jak energia mechaniczna, ciepło lub światło. Jest równy iloczynowi prądu i napięcia: P = U × I. Jest mierzony w watach. Na przykład, jeśli U \u003d 220 V i I \u003d 0,5 A, to P \u003d 220 V * 0,5 A \u003d 110 W.

2. Prąd elektryczny w metalach. Eksperymentalne potwierdzenie natury nośników ładunków elektrycznych w metalach. Podstawy klasycznej elektronicznej teorii przewodnictwa w metalach.

Idea elektronowego charakteru nośników ładunku w metalach, która została sformułowana w teorii Drudego i Lorentza, opiera się na szeregu klasycznych dowodów eksperymentalnych.

Pierwszym z tych eksperymentów jest doświadczenie Rikke (1901), w którym w ciągu roku el. prąd przepuszczano przez trzy metalowe cylindry (Cu, Al, Cu) o tym samym promieniu, połączone szeregowo ze starannie wypolerowanymi końcami. Pomimo tego, że całkowity ładunek, który przeszedł przez cylindry osiągnął ogromną wartość (około 3,5*C), nie stwierdzono zmian w masie najbardziej zewnętrznych metali. Udowodniło to założenie, że w przenoszeniu ładunku biorą udział cząstki o wyjątkowo małej masie.

Pomimo niewielkiej masy nośników ładunku mają one właściwość bezwładności, która została wykorzystana w eksperymentach Mandelstama i Papaleksi, a następnie w eksperymentach Stuarta i Tolmana, którzy kręcili cewkę z bardzo dużą liczbą zwojów do ogromnego prędkość (rzędu 300 m/s), a następnie gwałtownie zahamował. W wyniku przemieszczenia ładunków na skutek bezwładności wytworzył impuls prądowy, a znając wymiary i rezystancję przewodnika oraz wielkość prądu zarejestrowanego w eksperymencie, można było obliczyć stosunek ładunku do masa cząstki, która okazała się bardzo zbliżona do wartości uzyskanej dla elektronu (1,7*C/kg).

Podstawy klasycznej elektronowej teorii przewodnictwa w metalach

Istnienie wolnych elektronów w metalach tłumaczy się tym, że podczas tworzenia sieci krystalicznej metalu (w wyniku zbliżania się izolowanych atomów) elektrony walencyjne, stosunkowo słabo związane z jądrami atomowymi, odrywają się od atomów metali , stają się „wolne” i mogą poruszać się w objętości. dodatnie jony metali znajdują się w węzłach sieci krystalicznej, a swobodne elektrony poruszają się między nimi losowo, tworząc rodzaj gazu elektronowego, średnia swobodna droga elektronów wynosi około m ( odległość między węzłami sieci. Elektrony przewodzące zderzają się z jonami sieciowymi, przekazując im energię, w wyniku czego między gazem elektronowym a siecią ustala się równowaga termodynamiczna.Według teorii Drudego-Lorentza elektrony mają to samo energia ruchu termicznego jak cząsteczki idealnego gazu jednoatomowego i w temperaturze pokojowej prędkość termiczna elektronów będzie rzędów wielkości / s, cały elektron Uważa się je za niezależne i aby wyjaśnić zjawiska makroskopowe (na przykład prąd) wystarczy znać zachowanie jednego elektronu, aby określić zachowanie wszystkich elektronów. Dlatego taka teoria nazywana jest „przybliżeniem jednoelektronowym” i pomimo swojego uproszczenia daje pewne zadowalające wyniki.

Chaotyczny ruch termiczny elektronów nie może prowadzić do pojawienia się prądu. Po przyłożeniu pola elektrycznego do przewodnika metalowego wszystkie elektrony uzyskują ukierunkowany ruch, którego prędkość można oszacować na podstawie gęstości prądu; nawet przy bardzo dużych gęstościach (rzędu 10 -10 A / m) prędkość zleconego ruchu wynosi około m/s. Dlatego w obliczeniach wynikową prędkość elektronu (termiczną + uporządkowaną) można zastąpić prędkością ruchu termicznego.

Powstaje pytanie, jak wytłumaczyć fakt chwilowej transmisji sygnałów elektrycznych na duże odległości? Faktem jest, że sygnał elektryczny nie jest przenoszony przez te elektrony, które znajdują się na początku linii przesyłowej, ale przez pole elektryczne o prędkości około 3 * m / s, obejmujące prawie natychmiast wszystkie elektrony wzdłuż łańcucha. Dlatego prąd elektryczny pojawia się prawie natychmiast po zamknięciu obwodu

Polecamy lekturę

sprzęt elektryczny

Gotowanie zapiekanki ryżowej jak w przedszkolu

Stabilizatory i UPS

Rosół z kukurydzą w puszkach i serem

Montowanie

Kurczak z ziemniakami w piekarniku - najlepsze przepisy

sprzęt elektryczny

Indyk w piekarniku kalorie na 100

Antena

Marco Polo - Odkrywca Azji

Antena

Marco Polo - Odkrywca Azji