Какъв вид електрически ток се нарича постоянен. Постоянен електрически ток. основни положения

4.1. Характеристики на електрически ток. Условие за наличие на ток на проводимост.

Електричество- подредено движение на заредени частици. Електрически ток, възникващ в проводящи среди в резултат на подреденото движение на свободни заряди под въздействието на електрическо полесъздаден в тези среди се нарича ток на проводимост. В металите токоносителите са свободни електрони, в електролитите - отрицателни и положителни йони, в полупроводниците - електрони и дупки, в газовете - йони и електрони.

Посоката на електрическия ток е посоката на подреденото движение на положителния електрически заряди. Но в действителност в металните проводници токът се извършва от подредено движение на електрони, които се движат в посока, обратна на посоката на тока.

Текуща силанаречен скаларен физическо количество, равно на съотношението на заряда dq,пренесени през разглежданата повърхност за кратък период от време, до стойността на този интервал: .

Електрическият ток се нарича постоянен, ако силата на тока и неговата посока не се променят във времето. За постоянен ток.

Според класическата електронна теория силата на тока е , Където д- заряд на електрона, - концентрация на свободни електрони в проводник, - скорост на насочено движение на електроните, С- площ на напречното сечение на проводника. Единицата за ток в SI е ампер: 1 A = 1 C/s - силата на тока, при която заряд от 1 C преминава през напречното сечение на проводника за 1 s.

Посоката на електрическия ток в различни точки на разглежданата повърхност и разпределението на силата на тока върху тази повърхност се определят от плътността на тока.

Вектор на плътност на токае насочена обратно на посоката на движение на електроните - токоносители в металите и е числено равна на отношението на силата на тока през малък повърхностен елемент, нормален към посоката на движение на заредените частици, към стойността dSплощ на този елемент: .

Сила на тока през произволна повърхност С:, където е проекцията на вектора йкъм нормалната посока.

За хомогенен проводник.

Електрическият ток възниква под въздействието на електрическо поле. В този случай равновесното (електростатично) разпределение на зарядите в проводника се нарушава и неговата повърхност и обем престават да бъдат еквипотенциални. се появява вътре в проводника електрическо полеи тангенциалната компонента на напрегнатостта на електрическото поле на повърхността на проводника. Електрическият ток в проводник продължава, докато всички точки на проводника станат еквипотенциални. За да бъде токът постоянен във времето, е необходимо през еднакви интервали от време да преминава през единица повърхност. същата такса, т.е. напрегнатостта на електрическото поле във всички точки на проводника, през които протича този ток, остава непроменена. Следователно зарядите не трябва да се натрупват или намаляват никъде в проводник, протичащ постоянен ток. В противен случай електрическото поле на тези заряди би се променило. Това условие означава, че веригата на постоянен ток трябва да бъде затворена и силата на тока трябва да бъде еднаква във всички напречни сечения на веригата.

За поддържане на ток е необходимо източник електрическа енергия - устройство, в което всеки вид енергия се преобразува в електрическа.

Ако в проводник се създаде електрическо поле и не се вземат мерки за поддържането му, много бързо полето вътре в проводника ще изчезне и токът ще спре. За поддържане на тока е необходимо да се извърши циркулация на заряди, при която те да се движат по затворен път. Циркулацията на вектора на електростатичното поле е нула, следователно, заедно с областите, в които положителните заряди се движат по линиите на електрическото поле, трябва да има области, в които се извършва прехвърляне на заряд срещу силите на електрическото поле. Движението на заряди в тези области е възможно с помощта на сили от неелектричен произход, т.е. външни сили.

4.2. Електродвижеща сила. Волтаж. Потенциална разлика.

Външните сили за поддържане на ток могат да се характеризират с работата, която извършват върху зарядите. Нарича се количеството, равно на работата на външните сили на единица положителен заряд електродвижеща сила(ЕМП).ЕДС, действаща в затворена верига, може да се определи като циркулация на вектора на напрегнатост на полето на външни сили.

EMF се изразява във волтове.

Волтаж(или спад на напрежението) в участък от веригата 1-2 е физическа величина, която числено е равна на работата, извършена от полученото поле на електростатични и външни сили при движение по верига от точка 1 точно 2 единица положителен заряд: .

При липса на външни сили напрежението Uсъвпада с потенциалната разлика.

4.2. Закони на постоянния ток.

През 1826 г. немският учен Г. Ом експериментално установява закона, според който силата на тока, протичащ през хомогенен метален проводник, е пропорционална на спада на напрежението в проводника: (Законът на Ом в интегрална форма). Хомогеннанаричан проводник, в който не действат външни сили.

величина РНаречен електрическо съпротивление проводник, зависи от свойствата на проводника и неговите геометрични размери: , където - съпротивление, т.е. съпротивление на проводник с дължина 1 m 2 с площ на напречното сечение 1 m 2, - дължина на проводника, С-площ на напречното сечение на проводника. Съпротивлението на проводник е мярка за съпротивлението на проводника срещу установяването на електрически ток в него. Единицата за съпротивление е 1 ом. Един проводник има съпротивление 1 ом, ако при потенциална разлика 1 V токът в него е 1 А.

Генерализиран Закон на Ом за участък от верига с ЕМП: произведението на електрическото съпротивление на участък от веригата и тока в него е равно на сумата от спада електрически потенциалв тази зона и ЕМП на всички източници на електрическа енергия, включени в разглежданата зона: .

Обобщеният закон на Ом за участък от верига изразява закона за запазване и преобразуване на енергията по отношение на участък от верига с електрически ток.

Законът на Ом в диференциална форма: плътността на проводимия ток е пропорционална на напрежението делектрическо поле в проводника и съвпада с него по посока, т.е. . Коефициентът на пропорционалност се нарича специфична електропроводимост на средата, а стойността е електрическото съпротивление на средата.

Зависимост на съпротивлението от температуратаизразено с формулата , където е съпротивлението при , е термичният коефициент на съпротивление, в зависимост от свойствата на проводника, и е температурата в градуси по Целзий.

Много метали и сплави напълно губят устойчивостта си при температури под 25K и стават свръхпроводници. Свръхпроводимосте квантов феномен. Когато ток протича в свръхпроводник, не се получава загуба на енергия. Много силно магнитно поле разрушава свръхпроводящото състояние.

Температурна зависимост:

ПоследователенВръзка на проводници се нарича, когато краят на един проводник е свързан с началото на друг. Токът, протичащ през последователно свързани проводници, е еднакъв. Общото съпротивление на веригата е равно на сумата от съпротивленията на всички отделни проводници, включени във веригата: .

Паралеленсвързване на проводници се нарича, когато единият край на всички проводници е свързан в един възел, а другият край в друг . При паралелна връзканапрежението във всички проводници е еднакво, равно на потенциалната разлика в съединителните възли: . Проводимостта (т.е. реципрочната стойност на съпротивлението) на всички паралелно свързани проводници е равна на сумата от проводимостта на всички отделни проводници: .

Закон на Ом за пълна верига: пълна затворена верига се състои от външно съпротивление Ри източник на ток с ЕДС, равна на , и вътрешно съпротивление . Силата на тока в пълна верига е право пропорционална на ЕДС на източника на ток и обратно пропорционална на общото съпротивление на веригата: .

2.1. Константа електричество.
Текуща сила. Плътност на тока

Електрическият ток е насоченото движение на електрически заряди. Ако веществото съдържа свободни носители на заряд - електрони, йони, способни да се движат на значителни разстояния, то при наличие на електрическо поле те придобиват насочено движение, което се наслагва върху топлинното им хаотично движение. В резултат на това свободните носители на заряд се движат в определена посока.

Количествена характеристика на електрическия ток е количеството заряд, пренесен през разглежданата повърхност за единица време. Нарича се сила на тока. Ако заряд D се прехвърля през повърхността с течение на времето р, тогава силата на тока е:

Единицата за ток в системата от единици SI е ампер (A), . Ток, който не се променя във времето, се нарича постоянен.

Както положителните, така и отрицателните носители могат да участват в генерирането на ток; електрическото поле ги движи в противоположни посоки. Посоката на тока обикновено се определя от посоката на движение на положителните носители. Всъщност токът в повечето случаи се създава от движението на електрони, които, заредени отрицателно, се движат в посока, обратна на тази, приета за посока на тока. Ако положителните и отрицателните носители се движат едновременно в електрическо поле, тогава пълен токсе определя като сбор от токове, образувани от носителите на всеки знак.

За количествена характеристика на електрическия ток се използва и друга величина, която се нарича плътност на тока. Плътността на тока е количеството равен на зарядапреминаващи за единица време през единица площ, перпендикулярна на посоката на движение на зарядите. Плътността на тока е векторна величина.

Ориз. 3.1

Нека означим с нконцентрация на токови носители, тоест техният брой на единица обем. Нека начертаем безкрайно малка площ D в проводник с ток С, перпендикулярна на скоростта на заредените частици. Нека построим безкрайно къс прав цилиндър с височина върху него, както е показано на фиг. 3.1. Всички частици, затворени вътре в този цилиндър, ще преминат през платформата във времето, прехвърляйки електрически заряд през нея в посока на скоростта:

По този начин електрическият заряд се пренася през единица площ за единица време. Нека въведем вектор, съвпадащ по посока с вектора на скоростта. Полученият вектор ще бъде плътността на електрическия ток. Тъй като има обемна плътност на заряда, плътността на тока ще бъде равна на . Ако носителите на ток са както положителни, така и отрицателни заряди, тогава плътността на тока се определя по формулата:

,

къде и – насипни плътностиположителни и отрицателни заряди и – скоростта на тяхното подредено движение.

Векторното поле може да бъде изобразено с помощта на токови линии, които са конструирани по същия начин като векторните линии на напрежението, т.е. векторът на плътността на тока във всяка точка на проводника е насочен тангенциално към токовата линия.

Електродвижеща сила

Ако в проводник се създаде електрическо поле и това поле не се поддържа, тогава движението на токоносителите ще доведе до факта, че полето вътре в проводника ще изчезне и токът ще спре. За да се поддържа ток във веригата за достатъчно дълго време, е необходимо да се движат зарядите по затворен път, тоест да се направят линиите на постоянен ток затворени. Следователно в затворена верига трябва да има секции, в които носителите на заряд ще се движат срещу силите на електростатичното поле, тоест от точки с по-нисък потенциал към точки с по-висок потенциал. Това е възможно само при наличието на неелектрични сили, наречени външни сили. Силите на трети страни са сили от всякакво естество, с изключение на тези на Кулон.

Физическа величина, равна на работата на външни сили при преместване на единичен заряд в даден участък от веригата, се нарича електродвижеща сила (ЕМС), действаща в този участък:

Електродвижещата сила е най-важната енергийна характеристика на източника. Електродвижещата сила се измерва, подобно на потенциала, във волтове.

Във всяка реална електрическа веригаВинаги можете да изберете раздел, който служи за поддържане на ток (източник на ток), а останалото да считате за „натоварване“. Външни сили задължително действат в източник на ток, така че в общия случай той се характеризира с електродвижеща сила и съпротивление r,което се нарича вътрешно съпротивление на източника. В товара могат да действат и външни сили, но в най-простите случаи ги няма и товарът се характеризира само със съпротивление.

Получената сила, действаща върху заряда във всяка точка на веригата, е равна на сумата от електрическите сили и силите на трети страни:

Работата, извършена от тази сила върху заряда в някой участък от верига 1-2, ще бъде равна на:

където е потенциалната разлика между краищата на секция 1-2, е електродвижещата сила, действаща в тази секция.

Стойност, числено равна на работата, извършена от електрически и външни сили при преместване на един положителен заряд, се нарича спад на напрежението или просто напрежението в даден участък от веригата. следователно .

Участъкът от веригата, в който не действат външни сили, се нарича хомогенен. Областта, в която външните сили действат върху токоносителите, се нарича нехомогенна. За хомогенен участък от веригата, т.е. напрежението съвпада с потенциалната разлика в краищата на участъка от веригата.

Закон на Ом

Ом експериментално установи закона, според който силата на тока, протичащ през хомогенен метален проводник, е пропорционална на спада на напрежението в проводника:

където е дължината на проводника, е площта на напречното сечение, е коефициент, зависещ от свойствата на материала, наречен електрическо съпротивление. Специфичното съпротивление е числено равно на съпротивлението на единица дължина на проводник с площ на напречното сечение, равна на единица.

Ориз. 3.2

В изотропен проводник подреденото движение на токоносителите се извършва по посока на вектора на напрегнатостта на електрическото поле. Следователно посоките на векторите съвпадат. Нека намерим връзката между и в същата точка на проводника. За да направите това, нека изберем мислено в близост до определена точка елементарен цилиндричен обем с образуващи, успоредни на векторите и (фиг. 3.2). Силов ток протича през напречното сечение на цилиндъра. Тъй като полето в избрания обем може да се счита за равномерно, напрежението, приложено към цилиндъра, е равно на , където е напрегнатостта на полето в дадено място. Съпротивлението на цилиндъра, съгласно (3.2), е равно на . Замествайки тези стойности във формула (3.1), стигаме до връзката:

,

Възползвайки се от факта, че векторите и имат една и съща посока, можем да напишем

Нека пренапишем (3.4) във формата

.

Ориз. 3.3

Тази формула изразява закона на Ом за нееднороден участък от веригата.

Нека разгледаме най-простата затворена верига, съдържаща източник на ток и товар със съпротивление Р(фиг. 3.3). Пренебрегваме съпротивлението на захранващите проводници. Поставяйки , получаваме израза за закона на Ом за затворена верига:

Идеалният волтметър, свързан към клемите на работещ източник на ток, показва напрежение, както следва от закона на Ом за хомогенен участък от веригата - в този случай съпротивлението на натоварване. Замествайки силата на тока от този израз в закона на Ом за затворена верига, получаваме:

От това се вижда, че напрежението Uна клемите на работещ източник винаги има по-малко от неговия ЕМП. Колкото по-близо е до, толкова по-голяма е устойчивостта на натоварване Р.В границите на напрежението на клемите на отворен източник е равно на неговата ЕДС. В обратния случай, когато R=0, което съответства на късо съединение на източника на ток, U=0, а токът при късо съединение е максимален: .

Законът на Ом ви позволява да изчислите всеки сложна верига. Разклонената верига се характеризира със силата на токовете, протичащи през нейните секции, съпротивлението на секциите и ЕДС, включени в тези секции. Силата на тока и ЕДС са алгебрични величини, т.е. те се считат за положителни, ако електродвижещата сила насърчава движението на положителни заряди в избраната посока и токът протича в тази посока, и отрицателен в обратния случай. Директното изчисляване на разклонени вериги обаче може да бъде трудно. Това изчисление е значително опростено, когато се използват правилата, предложени от Кирхоф.

Правилата на Кирхоф

Г. Кирхоф (1824–1887) изучава подробно закона на Ом и развива общ методизчисляване на постоянен ток в електрически вериги, включително тези, съдържащи няколко източника на ЕМП. Този метод се основава на две правила, наречени закони на Кирхоф. Първото правило на Кирхоф се прилага за възли, тоест точки, в които се събират поне три проводника. Тъй като разглеждаме случая на постоянни токове, тогава във всяка точка на веригата, включително във всеки възел, наличният заряд трябва да остане постоянен, следователно сумата от токовете, протичащи във възела, трябва да бъде равна на сумата от токовете, изтичащи навън. Ако се съгласим да считаме токовете, приближаващи възела, за положителни, а изходящите токове за отрицателни, тогава можем да кажем, че алгебричната сума на силите на тока във възела е равна на нула:

Можете да получите същата връзка, ако се съгласите, когато обикаляте веригата в определена посока, например по посока на часовниковата стрелка, да считате за положителни тези токове, чиято посока съвпада с посоката на байпаса и отрицателни - тези, чиято посока е противоположна на посока на байпаса. Също така ще считаме за положителни тези ЕМП, които увеличават потенциала в посока на заобикаляне на веригата и отрицателни - тези, които намаляват потенциала в посока на заобикаляне.

Тези аргументи могат да бъдат приложени към всеки затворен цикъл, така че второто правило на Кирхоф в общ изгледможе да се напише по следния начин:

,

Където не броят на секциите във веригата, а m е броят на източниците на ЕМП. Второто правило на Кирхоф изразява очевидния факт, че когато напълно заобиколим веригата, се връщаме в началната точка със същия потенциал.

По този начин, във всяка затворена верига, произволно избрана в разклонена верига от проводници, алгебричната сума на продуктите на токовете, протичащи през съпротивлението на съответните секции на веригата, е равна на алгебричната сума на ЕДС, срещани в тази верига.

Електричество

Когато заредените частици се движат в проводник, електрическият заряд се прехвърля от едно място на друго. Въпреки това, ако заредените частици претърпят произволно топлинно движение, като например свободни електрони в метал, тогава не се извършва прехвърляне на заряд. Електрическият заряд се движи през напречното сечение на проводник само ако, в допълнение към произволното движение, електроните участват в подредено движение. В този случай те казват, че в проводника се установява електрически ток.
Токов ударнаречено подредено (насочено) движение на заредени частици.Електрическият ток възниква от подреденото движение на свободни електрони или йони.
Общият заряд, пренесен през всяко напречно сечение на проводник, е нула, тъй като зарядите с различни знаци се движат с еднаква средна скорост.
Електрическият ток има определена посока. Посоката на тока се приема за посока на движение на положително заредени частици. Ако токът се формира от движението на отрицателно заредени частици, тогава посоката на тока се счита за противоположна на посоката на движение на частиците.
Ние не виждаме директно движението на частиците в проводник. Наличието на електрически ток се показва от следните действия или явления, които го придружават:
1. проводникът, през който протича ток, се нагрява,
2. електрическият ток може да промени химическия състав на проводника,
3. Токът упражнява сила върху съседни течения и намагнитни тела.
Ако във веригата се установи електрически ток, това означава, че през напречното сечение на проводника непрекъснато се пренася електрически заряд. Пренесеният заряд за единица време служи като основна количествена характеристика на тока, т.нар сила на тока. Ако през напречното сечение на проводника във времето Δtпрехвърлена такса Δq, тогава силата на тока е:

Силата на тока е равна на съотношението на заряда Δq, пренесен през напречното сечение на проводника през интервала от време Δt към този интервал от време. Ако силата на тока не се променя с времето, токът се нарича постоянен.
Силата на тока е скаларна величина. Тя може да бъде както положителна, така и отрицателна. Знакът на тока зависи от това коя посока по протежение на проводника се приема за положителна. Сила на тока I > 0, ако посоката на тока съвпада с условно избраната положителна посока по протежение на проводника. Иначе аз< 0.
Силата на тока зависи от:
1. заряд, пренасян от всяка частица (q 0);
2. концентрация на частици (n);
3. скорост на насочено движение на частиците (v);
4. площ на напречното сечение на проводника (S).

В международната система единици Силата на тока се изразява в ампери (A). Токът се измерва с амперметри.
Условия за възникване и съществуване на постоянен електрически ток:
1. наличие на свободни заредени частици;
2. Върху заредените частици трябва да действат сили, които осигуряват тяхното организирано движение за краен период от време.
За да съществува постоянен ток на проводимост в един проводник, е необходимо да се извърши следните условия:
а) напрегнатостта на електрическото поле в проводника трябва да е различна от нула и не трябва да се променя с времето;
б) веригата за постоянен ток трябва да е затворена;
в) за безплатни електрически такси, в допълнение към Кулонови сили, трябва да действат неелектростатични сили, наречени външни сили. Сили на трети страни могат да бъдат създадени от източници на ток (галванични клетки, батерии, електрически генератории т.н.).

Закон на Ом за участък от верига

Силата на тока в проводник е право пропорционална на приложеното напрежение и обратно пропорционална на съпротивлението на проводника:

Съпротивление на проводника R- величина, характеризираща съпротивлението на проводник срещу установяване на електрически ток в него. Съпротивлението се измерва в ома (ома). Ако при напрежение 1 V в проводник се установи ток от 1 A, тогава съпротивлението на такъв проводник е 1 Ohm.
Съпротивлението на проводник е право пропорционално на неговата дължина l и обратно пропорционално на неговата площ на напречното сечение S:

където коефициентът на пропорционалност ρ се нарича съпротивление. Специфичното съпротивление зависи от вида на веществото и от температурата (с повишаване на температурата съпротивлението на повечето метали се увеличава), числено е равно на съпротивлението на проводник с единица дължина и единица напречно сечение.

Електродвижеща сила

Физическо количество, равно на съотношението на работата на външно поле за преместване на заряд към големината на този заряд, се нарича електродвижеща сила:

Електродвижещата сила се изразява във волтове.
Трета странае поле с неелектростатичен произход, чиято работа във всяка затворена верига не е нула. Такова поле, заедно с полето на Кулон, се създава в източници на ток: батерии, галванични клетки, генератори и др. Това е външното поле, което компенсира загубите на енергия в електрическата верига.

Закон на Ом за пълна верига

Съпротивлението на източника често се нарича вътрешно съпротивление r за разлика от външното съпротивление R на веригата. В генератор r е съпротивлението на намотките, а in галванична клетка- съпротивление на електролитния разтвор и електродите.
Законът на Ом за затворена верига свързва тока във веригата, ЕДС и общото съпротивление R+r на веригата.

Произведението на тока и съпротивлението на секция от верига често се нарича спад на напрежението в тази секция. По този начин ЕМП е равна на сумата от падовете на напрежение във вътрешните и външните секции на затворената верига.
Закон на Омза затворена верига е записано във формата

Силата на тока в пълна верига е равна на съотношението на ЕДС на веригата към нейното общо съпротивление.
Силата на тока зависи от три величини; EMF, съпротивления R и r на външните и вътрешните секции на веригата. Общата ЕМП на веригата е равна на алгебричната сума на ЕМП на отделните елементи.

Последователно и паралелно свързване на проводници

Серийно свързване на проводници. При серийна връзкаелектрическата верига няма разклонения. Всички проводници са свързани към веригата един след друг.

сила на тока	волтаж	съпротива	връзка напрежение-съпротивление

Паралелно свързване на проводници

сила на тока	волтаж	съпротива	връзка между ток и съпротивление

Паралелното свързване е най-разпространеният начин за свързване на различни консуматори. В този случай повредата на едно устройство не засяга работата на останалите, докато при серийно свързване повредата на едно устройство отваря веригата.

Правилата на Кирхоф

1. Във всяка точка на разклоняване на проводниците алгебричната сума на токовете е нула. Токовете, отиващи към точката на разклоняване, и токовете, произтичащи от нея, трябва да се считат за стойности с различни знаци.

2.Във всяка затворена верига алгебричната сума на произведенията на силата на тока в отделните секции и тяхното съпротивление е равна на алгебричната сума на ЕРС на източниците в тази верига.

1. Посоките на теченията се избират произволно. Ако след изчисленията I>0, тогава посоката е избрана правилно, ако I<0, то направление противоположно.
2. Произволен затворен цикъл се преминава в една посока. Ако тази посока съвпада с посоката на стрелката, тогава IR>0, ако е противоположна, тогава IR<0. Если при обходе контура источник тока проходит от "-" к "+", то его ξ>0.
3. Всички EMF и всички R трябва да бъдат включени в системата от уравнения.

Работа и мощност на тока

Кулон и електрическите сили на трета страна извършват работа А при преместване на заряди по електрическа верига. Ако електрическият ток е постоянен и проводниците, образуващи веригата, са неподвижни, тогава енергията W, която се трансформира необратимо за време t в обема на проводника, е равна на извършената работа:
W = A = IUΔt,

Където I е силата на тока, U е спадът на напрежението в проводника.
Текуща работа на участък от веригата е равно на произведението на тока, напрежението и времето, през което е извършена работата.
Необратимите енергийни трансформации в проводник с ток се причиняват от взаимодействието на проводящи електрони с възли кристална решеткаметал В резултат на сблъсъка на електрони с положителни йони, разположени в местата на решетката, електроните предават енергия на йоните. Тази енергия се използва за нагряване на проводника.
Сила на електрически токравно на съотношението на работата, извършена от тока във времето към този интервал от време:

Където A е работата, извършена от тока през времето - силата на тока, U е спадът на напрежението в даден участък от веригата. Единицата за мощност на електрически ток е ват, [P] = .

Количество топлина, освободени в проводника за времето:

Последната формула изразява Закон на Джаул-Ленц: количеството топлина, генерирано от тока в проводника, е право пропорционално на силата на тока, времето, през което той преминава през проводника, и спада на напрежението в него.

Електрически ток в полупроводниците

полупроводниципо електрическа проводимост те заемат междинно положение между металите и диелектриците. Токът в полупроводниците е подреденото движение на електрони и дупки, което възниква под въздействието на електрическо поле. Съпротивлението на полупроводниците рязко намалява с повишаване на температурата, за разлика от металите.
Самопроводимостполупроводниците обикновено са малки. При наличие на примеси в полупроводниците, наред с присъщата проводимост, се появява допълнителен нечистота.
Ако като примес се използва елемент, чиято валентност е с единица по-малка от валентността на дадения полупроводник ( акцепторни примеси), тогава за образуване на нормални двойни електронни връзки със съседни атоми, на примесния атом липсва един електрон: в резултат на това, дупка. Такива полупроводници се наричат p-тип полупроводници(основните носители на заряд в тях са дупки, малцинствените носители на заряд са електрони). Ако валентността на примеса е една единица по-голяма от тази на полупроводника ( донорна примес), тогава един от електроните в атома на примеса, който не участва в химическа връзка, лесно напуска атома и става свободен. Оказва се, че е полупроводник n-тип(мажорните носители са електрони, малцинствените носители са дупки).
Зоната на контакт между два вида полупроводници се нарича pn преход. Когато се образува такъв контакт, електроните започват да дифундират от n-тип полупроводник в p-тип полупроводник и дупките започват да дифундират към тях. В резултат на това n-областта става положително заредена, а p-областта отрицателно и се появява електрическо поле, което спира дифузията на електрони и дупки. Ако свържете полупроводник с p-n преход към електрическа верига, свържете p-областта към положителния полюс, а n-областта към отрицателния (директна връзка), съпротивлението на прехода ще бъде незначително. При обратно превключване p-n преходът практически не позволява преминаването на ток. Това свойство се използва в полупроводникови диоди.
Използват се полупроводникови диоди електронна технологияза изправяне на електрически ток заедно с вакуумни двуелектродни лампи. Освен това в производството на потребителска електроника лампите практически вече не се използват, тъй като полупроводниковите диоди имат редица предимства.
Например, за да работи двуелектродна лампа, е необходим специален източник на енергия за нагряване на катодната нишка (в противен случай няма да възникне термоелектронна емисия и в лампата няма да се появят носители на заряд - термоелектроника). Полупроводниковите диоди не изискват такъв източник на захранване и при използването им в достатъчно големи и сложни вериги се постигат значителни икономии на енергия. В допълнение, при същите стойности на коригирания ток, полупроводниковите диоди са много по-миниатюрни от вакуумните тръби.

Електрически ток в електролити

Експериментите показват, че течностите могат да бъдат диелектрици, полупроводници или проводници. Най-известната диелектрична течност е водата. Лесно е да се провери, че водата е диелектрик, като поставите два електрода в буркан с вода и ги свържете към източник на ток. В такава верига практически няма да има ток.
Ситуацията ще бъде съвсем различна, ако водата бъде заменена с някакъв проводящ разтвор. Такива разтвори, които имат електрическа проводимост, се наричат електролити. Когато в електролитите се създаде електрическо поле, в тях възниква ток, в резултат на което положителните йони започват да се движат към катода, а отрицателните йони (и електроните) към анода.
Йонната проводимост в такива електролити, като разтвори на киселини, основи и соли, се обяснява с електролитна дисоциация. Дисоциация- това е разпадането на молекулите на йони под въздействието на електрическото поле на молекулите на полярния разтворител. Противоположно заредените йони при сблъсък могат отново да се обединят в неутрални молекули - рекомбинират. При липса на електрическо поле в разтвора се установява динамично равновесие, когато процесите на дисоциация и рекомбинация се балансират взаимно.
Когато токът преминава през електролита, се наблюдава процесът на електролиза - освобождаването на вещества, които изграждат електролита върху електродите.

Електрически ток в газове

Газовете, за разлика от металите и електролитите, се състоят от електрически неутрални атоми и молекули и нормални условияне съдържат свободни токоносители (електрони и йони). Газовете при нормални условия са диелектрици. Носителите на електрически ток в газовете могат да възникнат само когато йонизация на газове- отделяне на електрони от техните атоми или молекули. В този случай атомите (молекулите) на газовете се превръщат в положителни йони. Отрицателни йонив газове може да възникне, ако атомите (молекулите) прикрепят електрони към себе си.
Електрическият ток в газовете се нарича газоразрядни. За да се извърши газов разряд, трябва да се приложи електрическо или магнитно поле към тръбата, съдържаща йонизирания газ (газоразрядна тръба).

плазма.

Вещество, съдържащо смес от неутрални атоми, свободни електрони и положителни йони, се нарича плазма. Плазма в резултат на електрически разряди с относително малък ток (например в тръби " дневна светлина") се характеризира с много ниски концентрации на заредени частици в сравнение с неутралните ( ). Обикновено се нарича нискотемпературен, защото температурата на атомите и йоните е близка до стайната. Средната енергия на много по-леките електрони се оказва много по-голяма. Че. нискотемпературната плазма е значително неравновесна, отворена среда. Както беше отбелязано, в такива среди са възможни процеси на самоорганизация. Глоба известен примере генерирането на високо подредено кохерентно лъчение в плазмата на газовите лазери.
Плазмата може да бъде и термодинамично равновесна. За съществуването му е необходимо топлина(при което енергията на топлинното движение е сравнима с йонизационната енергия). Такива температури съществуват на повърхността на Слънцето и могат да възникнат при много мощни електрически разряди (мълнии) или при ядрени експлозии. Такава плазма се нарича гореща.

Закон на Джаул-Ленц

В електрическата верига, когато токът преминава, възникват поредица от енергийни трансформации. в външна площвериги, работата по преместване на заряда се извършва от силите на стационарно електрическо поле и енергията на това поле се преобразува в други видове: механична, термична, химическа и в енергията на електромагнитното излъчване. следователно работа на пълно работно времеток във външната част на веригата

А 0=Wmeh+Ахим+Wizl+Q.

Ако на участък от веригата под въздействието на електрическо поле няма механична работаи не настъпват химически трансформации, тогава работата на електрическия ток води само до нагряване на проводника.

В този случай количеството отделена топлина е равно на работата, извършена от тока.

Количество топлина Q, пуснат от ток азпо време на Tна участък от веригата със съпротивление Р, равно на Q=аз 2Rt.

Тази формула изразява Закон на Джаул-Ленц, инсталиран емпиричнопрез 19 век двама учени (английски - J. Joule и руски E. X. Lenz).

Когато електрически ток преминава през проводник, количеството топлина, отделена в проводника, е право пропорционално на квадрата на тока, съпротивлението на проводника и времето, през което токът преминава.

Действието на много електрически нагреватели се основава на закона на Джаул Ленц. Това са ютии, електрически печки, електрически чайници, бойлери, поялници, електрически камини и др.

Основната част на всеки електрически нагревател е нагревателен елемент (проводник с високо съпротивление е навит върху плоча, изработена от топлоустойчив материал: слюда, керамика).

Горната формула на закона на Джаул-Ленц е удобна за използване при последователно свързване на резистори, тъй като силата на тока във всички секции на последователно свързаната верига е еднаква. Ако два резистора със съпротивления са свързани последователно Р 1 и Р 2, тогава Q 1=аз 2Р 1T, Q 2=аз 2Р 2T, където Q 1Q 2=Р 1Р 2, т.е. количеството топлина, генерирано от тока в секции на последователно свързана верига, е пропорционално на съпротивлението на тези секции.

Съгласно закона на Ом, за хомогенен участък от верига с постоянен ток аз=UR. Тогава Q=U 2Rt .

Тази формула е удобна за използване при паралелно свързване на резистори, тъй като напрежението на всеки клон на такава верига е еднакво. Ако два резистора със съпротивления са свързани паралелно Р 1 и Р 2, тогава Q 1=U 2Р 1T , Q 2=U 2Р 2T, където

Q 1Q 2=Р 2Р 1,

тези. количеството топлина, генерирано от тока в клоновете на паралелно свързана верига, е обратно пропорционално на съпротивлението на резисторите, включени в тези клонове.

Тема 4. Постоянен електрически ток

Въпроси за проучване:

1. Закони за постоянен електрически ток.

2. Проста електрическа верига.

Въведение

Електростатиката изучава взаимодействието на наелектризирани тела (заряди), които не могат

движещи се една спрямо друга.Но в природата и особено в електротехниката,

Китайските феномени най-често се свързват с движещи се заряди, тоест електрически

небесни течения. Изучаването на електрическия ток като явление и откриването на начини за неговото създаване (генериране) беше факторът, който осигури развитието на електроенергетиката, електрониката, електрохимията и по този начин допринесе за формирането на много съвременни технологии.

Съвременните методи за получаване и предаване на електрическа енергия се основават на няколко закона, открити през 19 век. Явленията и процесите, свързани с електрическия ток, се изучават в раздела на изследването на електричеството, наречен електродинамика.Към днешна дата прилагането на тези закони е довело до създаването на няколко технически науки, чиято сложност значително надхвърля електродинамиката.

Тази лекция разглежда основните принципи на прост типток - постоянен електрически ток, както и неговите закони за тока в метални проводници и проста система от проводници, която се нарича електрическа верига.

1 . Закони за постоянен електрически ток

1.1 Електричество. Ток на проводимост

1. Явлението електрически ток се среща в прост опит. Ако две различно заредени тела (например кондензаторни плочи) са свързани с метална жица (фиг. 1.1.1), тогава можете да откриете краткотрайно повишаване на температурата на жицата, до нейното топене, ако зарядът на кондензатора е достатъчно. Причината е, че заредените тела са имали различни потенциали и общо електрическо поле и когато са били свързани с жица, полето е работило и

премества заряди по жица от едно тяло към друго. Преместените („потекли“) заряди се компенсират взаимно, потенциалната разлика между плочите намалява до нула и процесът на преместване на зарядите спира. Това движение на заряди е електрически ток. В разглеждания случай токът бил краткосрочен. На практика се използват както краткотрайни, така и дълготрайни токове.

Определение . Електрическият ток е закономерно движение на електрически заряди - микро- и макроскопични наелектризирани тела.

Известен три разновидностиелектрически ток:

1) макроскопични токовев природата, причинени от движението на гръмотевични облаци в атмосферата или вътрешни потоци магма

ри Глобус, електрически разряди от мълния; 2) проводими токовепо същество; носители на заряд са електрони и йо-

3) токове във вакуум, т.е. в области на пространството, в които материята отсъства или има много ниска концентрация (например електронни токове в електроннолъчеви тръби, елементарни частицив космически лъчи и ускорители).

Електрическите токове се откриват чрез въздействието им върху външни тела. Тези въздействия са:

1) термични - теченията нагряват телата, през които преминават;

2) механични - токовете отклоняват магнитна стрелка или други токове;

3) химически - токовете осигуряват процеса на електролиза в разтвори на вещества (електролити);

4) биологични - токовете инициират мускулна контракция и засягат жизнените функции на биологичните обекти.

2. С най-голямо практическо значение са проводими токове.

Определение . Токът на проводимост е електрически ток в телата.

За съществуването на ток на проводимост е необходимо наличието на (1) потенциална разлика между точките на тялото и (2) свободни носители на електрически заряд в телата.

Наричат ​​се тела, в които може да съществува проводящ ток електрически проводници . Те трябва да са в твърдо или течно състояние. Проводниците включват метали и електролити - солни разтвори. При металите свободните носители на заряд са електроните, а при електролитите

– йони (катиони и аниони).

При липса на външно електрическо поле носителите на заряд вътре в проводниците също се движат, но това движение е термично, тоест хаотично. Съществуващите в проводниците микротокове взаимно се компенсират. Външно електрическо поле дава всички заряди насочен компонент, което се наслагва върху хаотичното.

Определение . Скоростта на подредено движение на носителите на заряд в проводник с електрически ток се нарича скорост на дрейфа на носителите на заряд

v DR.

Определение . Линиите, по които се извършва подреденото движение на носители на заряд в проводник, се наричат ​​токови линии.

Векторите на скоростта на дрейфа са насочени допирателно към съответните линии на тока.

Правило: посоката на скоростта на дрейфа на положителни носители на заряд (q0 0 .

Чрез електростатично поле положителните заряди се преместват от точки с по-висок потенциал към точки с по-нисък потенциал.

В металните проводници посоката на тока е противоположна на истинската посока на движение на електроните – истинските носители на заряд.

3. Основните количествени величини, използвани за описание на електрическия ток, са силата на тока и плътността на тока.

Нека изберем определена точка N вътре в проводника и да начертаем през нея вектора на скоростта на дрейфа v DR и съответната линия на тока (фиг. 1.1.2). След това ще построим елементарна (безкрайно малка) област dS, която минава през точката N перпендикулярно

кулярен към вектор v DR: dS v DR.

Ако в проводника има ток, заряд dq преминава през площта dS за време dt. Очевидно е, че

d qd td q= Id t.

Определение: Сила на тока в близост до дадена точка N на проводника се нарича

е скаларна физична величина, равна на електрическия заряд, преминаващ през елементарната площ d S за единица време:

I = dq/dt.

Ако концентрацията на носители на заряд в проводник е n и всеки носител има заряд q 0,

тогава е лесно да се покаже, че dq =q 0 n v DR dS dt . Тогава Фиг. 1.1.2 плътност на тока и сила на тока в точка N на проводника

се описват с изрази:

j =q 0 n v DR,j =q 0 n v DR;

I = jd S = q0 nv DR d S.

Основната единица за измерване на силата на тока е „ампер“: = 1A, а плътността на тока е „ампер, разделен на квадратен метър": = 1A / m 2.

Оценката показва, че при ток I = 1A в меден проводник, за който обемната концентрация на валентните електрони е 1028 m–3, скоростта на дрейфа им има стойност DR 10–2 m/s. Тази скорост е много по-малка от средната скорост на хаотичното движение на валентните електрони в обема на проводника (v CP 106 m/s).

4. В практиката металните проводници се използват много широко постоянно нормално напречно сечение:S = същото. За тях токовите линии са успоредни, а векторът

плътност на тока ryвъв всички точки на всеки нормален участък едновременно

момент от време са еднакви, тоест успоредни, насочени в една и съща посока и равни по големина: j S,j = =const. Силата на тока в проводници с постоянно напречно сечение е сумата от силите на тока през всички n елементарни области dS i, на които всяко нормално напречно сечение S може да бъде разделено:

5. Определение. Електрическият ток се нарича постоянен, ако силата на тока

не се променя с времето.

От определението за сила на тока следва, че при постоянен ток през дадено напречно сечение S на проводник за равни периоди от време t преминава същото количество

зареждане q:

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

За два проводника с различни напречни сечения S 1 и S 2 с еднаква сила на тока (I 1 = I 2), модулите на плътност на тока, обратно пропорционални на площите на напречните сечения на проводниците (j = I / S), са корелирани според следния израз:

j1 / j2 = S2 / S1.

1.2 Закон на Ом за ток в проводник

1. Електрически ток в проводник съществува, когато има потенциална разлика в електрическото поле (електростатично напрежение) в краищата на проводника. Връзката между тока и напрежението е експериментално установена от немския физик Г. Ом

Закон на Ом за тока в проводник: силата на тока в хомогенен проводник е право пропорционална на електростатичното напрежение в неговите краища -

Коефициентът на пропорционалност (на гръцки „ламбда“) се нарича електропроводимост(електропроводимост) диригент.

Но обикновено, вместо електропроводимост, обратно пропорционална

стойността, дадена й -електрическо съпротивление на проводника R 1/ .

В този случай законът на Ом за проводник има формата:

I = U/ R.

Основната единица за измерване на електрическото съпротивление е "ом": [R] = 1 V / A = 1 Ohm - това е съпротивлението на проводник, в който протича постоянен ток от 1 A ​​при потенциална разлика от 1 V.

2. Експериментално е установено, че електрическото съпротивление зависи (1) от химичен съставпроводници, (2) от тяхната форма и размер и (3) от температурата.

Съпротивление на хомогенен проводник с постоянно напречно сечение право пропорционална на нейната дължина и обратно пропорционална на нейната площнормално напречно сечение:

R = l/S.

Коефициентът на пропорционалност в този израз е физически характеристикисе нарича веществото, от което се състои проводникът специфични електрически

химическата устойчивост на веществото, което изгражда проводника.

Единицата за съпротивление е ом пъти

метър": = 1 Ohm m. Среброто има най-ниското съпротивление

(= 1,6 10–8 ohm m) и мед (= 1,7 10–8 ohm m).

3. Зависимостта на съпротивлението на проводника от температурата се дължи на температурната зависимост на съпротивлението. При температури не се различава много от нормалното, тази зависимост в първо приближение има следния вид:

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

тук и 0 , R и R 0 – съпротивленияи съпротивление на проводника при температури съответно t и 0C (T и 273,15 K). Коефициентът на пропорционалност (1/273)K–1 е почти еднакъв за всички метални проводници:

(1/273) K –1 – и се нарича температурен коефициент на съпротивление.

Увеличаването на електрическото съпротивление с повишаване на температурата е основният знак, според който от всички проводими вещества, група диригенти. Други групи вещества се характеризират с намаляване на устойчивостта с повишаване на температурата; те се гримират полупроводникови групиотивам-

електротехници.

4. В електрическите и радио вериги често е необходимо да има определени специфични стойности на съпротивление на проводника. Те се инсталират чрез избор на стандартизирани проводници, наречени резистори. Резисторите се комбинират в системи. Изчисляване на съпротивлението на резисторна система (еквивалентно на

съпротивление на системата) се основава на зависимостите, на които са подложени съпротивленията

развитие две най-прости системи– паралелни и последователни вериги

резистори.

Схема паралелна веригарезистори със съпротивления R 1 , R 2 , R 3 ,.., R n са показани на фиг. 1.2.1a: първо един от двата извода на всеки резистор е свързан и образува първия възел A, а след това вторите изводи са свързани във втория възел B. На възел

Напрежението U се подава към A и B, същото за всички резистори:

U 1 =U 2 =U 3 = ... =U n =U .

От положителния полюс на източника към възел А тече ток със сила I. Тук той се разделя на токове I 1, I 2, I 3,.., I n, които са свързани във възел B в ток от същия начална якост I. Тоест силата на тока I е равна на сумата от силите на тока във всички резистори:

От друга страна, според закона на Ом, I = U/R PAR, където R PAR е еквивалентното съпротивление на паралелна верига от резистори. Приравняване на десните части на последните изрази

zheny, получаваме формулата за изчисляване RPAR: стойност, обратно пропорционална на еквивалентното съпротивление на паралелна верига от резистори, е равна на сумата от стойности, обратно пропорционални на техните съпротивления:

5. Схема верига от маргариткирезистори със съпротивления R 1, R 2, R 3,.., R n са показани на фиг. 1.2.1b: резисторите са свързани с клемите си като вагони.

Ако се приложи напрежение към свободните клеми на екстремните резистори R 1 и R n, токът

токът ще бъде еднакъв във всички резистори:

I 1 =I 2 =I 3 = … =I n =I,

и напрежението на всеки резистор, според закона на Ом, зависи от собственото му съпротивление:

Ui = Ii Ri = IRi.

Очевидно напрежението U в краищата на веригата е равно на сумата от напреженията на всеки резистор:

От друга страна, U = IR SEQ, където R SEQ е еквивалентното съпротивление на разглежданата верига. Приравнявайки десните части на последните изрази, получаваме това

Съпротивлението на лентата на последователна верига от резистори е равно на сумата от техните съпротивления:

R ПОСЛЕДЕН = R i . аз 0

Използвайки получените съотношения R PAR и R SEQUENCE, можете да изчислите съпротивлението на всяка система от резистори, като постепенно идентифицирате последователни и/или паралелни вериги в нея.

1.3 Закон на Джаул-Ленц за ток в проводник

1. Електрическият ток в проводник съществува поради работата, извършена от електростатичното поле за пренасяне на положителен заряд по протежение на проводника:

AR = q(1 – 2) = q U.

При постоянен ток q =I t. Тогава, дадено Закон на Ом за ток в проводник, можем да изразим работата на електростатичното поле чрез параметрите на тока:

AR = I2 R t = (U2 / R) t = IU t

2. J.P. Джаул и независимо от него руският физик Е.Х. Ленц (1804-1865) в

1841-42 експериментално установено: ако токът преминава през стационарен

метален проводник, тогава единственият наблюдаван ефект е нагряването на проводника, тоест отделянето на топлина Q в околното пространство.

В този случай, поради закона за запазване и трансформация на енергията

QR = AR = I2 R t.

Това равенство е количествен израз на закона на Джаул-Ленц за проводник: количеството отделена топлинавъв всеки проводник, когато про-

преминаването на постоянен ток през него е равно на произведението на квадрата на силата на тока от електрическото съпротивление на проводника и от времето на преминаване на тока.

Използването на закона на Ом ни позволява да променим израза на закона на Джаул-Ленц:

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

Ясно е, че ако проводник с ток се движи под въздействието магнитно поле(електродвигател) или в него протичат химични процеси (електролиза), тогава работата, извършена от тока, ще надвиши количеството отделена топлина.

Интензивността на отделянето на топлина се характеризира с текущата мощност -физически

skaya стойност, равна на работата, извършена от тока за единица време:

N A/ t = I 2 R = U2 / R = IU.

3. Отделянето на топлина се обяснява с факта, че носителите на заряд взаимодействат с кристалната решетка на проводника и предават към нея енергията на тяхното подредено движение.

Топлинният ефект на тока намери широко приложение в технологиите, което започна с изобретението през 1873 г. Руски инженер А. Н. Лодигин (1847-1923) крушкас нажежаема жичка На това явление се основава действието на електромуфелни пещи, оборудване за електродъгово и контактно заваряване на метали, битови електрически нагревателни уреди и много други.

2. Проста електрическа верига

2.1 DC източник. Електродвижеща сила на източника на ток

1. Ако в проводник (резистор) носителите на заряд се влияят само от силата на електростатичното поле (както в експеримента, илюстриран на фиг. 1.1.1), тогава носителите се движат от точки на проводника с по-висок потенциал към точки с по-нисък потенциал. Това води до изравняване на потенциала във всички точки на проводника и съответно до изчезване на тока.

Основи практическа употребаимат дълготрайни течения, включително постоянни. За съществуване постоянен токса необходими устройства, които могат да създават и поддържат в краищата на проводника постоянна потенциална разлика. та-

как се наричат ​​устройствата DC източници.В текущи източници

има непрекъснато пространствено разделяне на положителните и отрицателните заряди на полюсите на източника , което осигурява потенциалната разлика между тях.

към полюсите на източника на ток (фиг. 2.1.1).

Важно е, че за разлика от тока в проводник, вътре в източникаток (как се движи

положителни заряди) посока от отрицателенположителен полюс

ному . Тази посока се наричаестествена посока на тока в източника.

Той физически правилно отразява същността на процесите в източника на ток и съответства на правилото, което определя посоката на тока в резистора, свързан към полюсите на източника.

Ролята на източника на ток е подобна на ролята на помпата, която е необходима за изпомпване на течност през тръби хидравлична система. Формално казано, източникът на ток „изпомпва“ положителни заряди от своя отрицателен полюс към своя положителен.

2. Външните сили извършват работа A STOR за разделяне и преместване на електрически заряди вътре в източника и създаване на електрическо поле между неговите полюси.

Определение . Електродвижещата сила (ЕМС) на източник на ток е физическа величина, равна на работата на външните сили, извършени в източника, когато се произвежда единица положителен заряд:

E A STOR/ q + .

Сходството в дефинициите на ЕМП на източник на ток и потенциала на електрическо поле обяснява, че основната единица за измерване на ЕМП също е "волт":

[E] = 1 J/C = 1 V.

3. Основата на всички източници на ток са електропроводими вещества. Следователно източниците имат електрическо съпротивление, което се нарича вътрешно съпротивлениеи се обозначава с буквата r. Вътрешното съпротивление се проявява при нагряване на източника в работен режим, т.е. когато резисторът е свързан към източник на ток. Количеството топлина, отделена в източниците на ток, се подчинява на закона на Джаул-Ленц:

Qr = I2 r t.

Вътрешното съпротивление нараства с повишаване на температурата.

2.2 Секция от електрическа верига. Проста затворена верига

1. За създаване електрически токоверезистори и източници на ток трябва да се използват заедно.

Определение . Прости електрически вериги се наричат ​​системи, състояние-

състоящ се от резистори, източници на ток и ключове (превключватели), свързани последователно.

Определение . Секция от проста веригае част от проста електрическа верига, съдържаща определен брой резистори и/или източници на ток.

Определение . Хомогенен участък от проста верига наречена площ, съдържаща

натискане само на резистори.

Пример за хомогенна секция на верига е последователна верига от резистори (фиг. 1.2.1b). Феноменът на постоянен ток в хомогенна секция на верига, състояща се от резистори, се описва от законите на Ом и Джаул-Ленц за тока в проводник.

2. Определение. Нееднороден участък от веригатанаречена секция, съдържаща последователно свързани резистори и източници на ток.

Определение . Сумата от съпротивленията на резисторите R и вътрешните съпротивления r i на източници на ток в неравномерна секция на проста верига се нарича пълно съпротивление

сливане на нееднороден участък от веригата.

ток в района.

Определение . Електрическо напрежение върху нееднороден участък от верига A-

B е стойност, равна на алгебричната сума на външното електрическо напрежение и EMF (сумиране, като се вземат предвид знаците) на източниците на ток, включени в раздела:

U AB (A – B) +E AB =U +E AB;

тук E AB =E 1 +E 2 + ... е алгебричната сума (сумиране, като се вземат предвид знаците) на ЕМП на източниците на ток в секцията.

Коментирайте. Вижда се, че за хомогенен участък от веригата напрежението е идентично равно електростатично напрежениемежду текущите входни и изходни точки:

(U AB ) ЕДНО (A – B) ЕДНО = U .

EMF E i в израза за E AB са алгебрични величини: стойностE i

взети със знак „+“, акопосоката на тока IAB в участъка на веригата съвпада с естествената посока на движение на положителните заряди в i-тия източник (на фиг. 2.2.1 E 1 0); ако посоката на тока IAB е противоположна на естествената посока на движение на положителните заряди в източника, тогава стойността на E i се взема от

знак „–“ (на фиг. 2.2.1E 2 0). По този начин,

E AB= E 1E 2… .

3. Ако проводниците на неравномерно сечение вериги A-Bса неподвижни, тогава според закона за запазване и трансформация на енергията работата на електростатичните и външните сили, действащи в зоната, е равна на топлината, отделена в резистора и източниците на ток:

A AB = Q AB.

Нека разгледаме участък от веригата, съдържащ само един източник на ток с вътрешно съпротивление r (в този случай E AB = E 1 ). Очевидно е, че

A AB= A R + A r + A CTOR,

където (A R + A r) =q + (A – B) – работа електростатични силипри движение на положителен заряд q + .

От дефиницията на ЕМП следва, че A COP =q + E AB. Тогава

A AB = q + (A –B) +q + E AB =q + (A –B) +E AB = q + U AB.

От друга страна, количеството топлина Q AB =Q R +Q r и според закона на Джаул-Ленц

и определяне на електрически ток (I t =q + )

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

Приравняването на десните части на последните изрази за A AB и Q AB дава израза

дефиниция на обобщения закон на Ом за нееднороден участък от веригата:

силата на тока в нееднороден участък от електрическа верига е право пропорционална електрическо напрежениев краищата на секцията и е обратно пропорционална на импеданса на секцията -

I = (A –B) +E AB /(R +r) =U AB /(R +r).

Следва, че

U AB =I (R +r) =IR +Ir U R +U r,

където U R IR и U r Ir са електростатични напрежения върху резистора и вътрешни

съпротивление на секцията на веригата. Това еелектрическото напрежение в краищата на нехомогенния участък на веригата е равно на сумата от електростатичните напрежения върху резистора и вътрешното съпротивление на източника на ток:

U R +U r = (A –B) +E AB.

Коментирайте. За хомогенен участък от веригата (E AB = 0, r = 0, U r = 0) с еквивалентно съпротивление R, обобщеният закон на Ом се трансформира в закона на Ом за тока в проводник:

U = UR = IR.

Коментирайте. Обобщеният закон на Ом е изпълнен не само за постоянен ток (U = const), но и за всяка промяна в тока с течение на времето. В този случай част от веригата може да съдържа и други електрически елементи: (1) кондензатори с напрежение U C =q/C на техните плочи и (2) соленоиди, които създават електромагнитна индукция emf E i = –LdI/dt. Тогава количествата U C и E i трябва да се вземат предвид съответно от лявата и дясната страна на уравнението на обобщения закон на Ом:

U R +U r +U C = (A –B) +E AB +E i ].

Важно е да запомните, че буквата А обозначава края на участъка от веригата, откъдето токът (q 0) се влива в участъка.

4. Обобщеният закон на Ом показва как да се измери ЕДС на източник на ток. Ако в нехомогенната зона няма ток (I = 0), то следва, че

E AB = – (A –B) = (B –A),

това означава, че ЕМП, действащ в нехомогенна верига, е равен на електростатичната потенциална разлика в краищата на веригата в режим, когато те не са затворени през други секции.

Това измерване се осъществява чрез свързване на полюсите на източника към клемите на волтметъра.

2.3 Проста затворена верига

1. Определение. Проста затворена веригасе нарича верига, получена чрез свързване (затваряне) с ключ К на краищата на участък от проста верига (фиг. 2.3.1).

Съпротивление R в проста затворена верига се нарича външно съпротивление

Яжте.

Използвайки закона на Ом за тока в проводник, можем да определим каква част от емф E е напрежението U R при външното съпротивление R:

I =U R /R U R =I R =E R /(R +r ) =E /(1 + (r /R )) =E (1 – (r /R )), с r R.

Може да се види, че колкото по-голямо е външното съпротивление на веригата, толкова по-близо е стойността на U R до стойността на E.

Ако външното съпротивление на веригата се окаже значително по-малко от вътрешното

(R r ), тогава веригата ще тръгне текущ късо съединение :

I KOR = E / r .

Режимът на късо съединение е изключително опасен за източници на ток. Техен вътрешно съпротивлениеима стойности близки до 1 Ohm (r 1 Ohm). Следователно токовете на късо съединение, дори при ниски ЕМП, могат да достигнат десетки ампера. Освободената в този случай джаулова топлина, пропорционална на квадрата на силата на тока (Q I 2), може да повреди източника.

2. Електрически ток в металите. Експериментално доказателство за природата на носителите на електрически заряд в металите. Основи на класическата електронна теория на проводимостта на металите.

Идеята за електронната природа на носителите на заряд в металите, заложена в теорията на Друде и Лоренц, се основава на редица класически експериментални доказателства.

Първият от тези експерименти е този на Rikke (1901), в който в продължение на една година ел. токът преминава през три метални цилиндъра (Cu, Al, Cu) със същия радиус, свързани последователно с внимателно полирани краища. Въпреки факта, че общият заряд, преминаващ през цилиндрите, достигна огромна стойност (около 3,5 * C), не бяха открити промени в масата на външните метали. Това беше доказателство за предположението, че частици с изключително ниска маса участват в преноса на заряд.

Въпреки малката маса на носителите на заряд, те имат свойството на инерция, което беше използвано в експериментите на Манделщам и Папалекси, а след това в експериментите на Стюарт и Толман, които завъртяха намотка с много голям брой завои до огромен скорост (около 300 м/с), а след това рязко го спряха. В резултат на това изместването на зарядите поради инерция създаде токов импулс и знаейки размерите и съпротивлението на проводника и големината на тока, записан в експеримента, беше възможно да се изчисли съотношението на заряда към масата на частицата, която се оказа много близка до стойността, получена за електрона (1,7*C /kg).

Основи на класическата електронна теория на проводимостта на металите

Наличието на свободни електрони в металите се обяснява с факта, че по време на образуването на кристална решетка на метал (в резултат на приближаването на изолирани атоми) валентните електрони, относително слабо свързани с атомните ядра, се отделят от метала атомите стават „свободни" и могат да се движат в целия обем. Т.е. положителните метални йони са разположени във възлите на кристалната решетка, а свободните електрони се движат хаотично между тях, образувайки вид електронен газ, средният свободен път на електроните е от порядъка на m (разстоянието между възлите на решетката).Електроните на проводимостта се сблъскват с йони на решетката, пренасяйки енергия към тях, в резултат на което се установява термодинамично равновесие между електронния газ и решетката.Според теорията на Друде-Лоренц електроните имат същата енергия на топлинно движение като молекулите на идеален едноатомен газ и при стайни температуритоплинната скорост на електроните ще бъде от порядъци / s, всички електрони се считат за независими и за обяснение на макроскопични явления (например ток) е достатъчно да се знае поведението на един електрон, за да се определи поведението на всички електрони. Следователно такава теория се нарича „едноелектронно приближение“ и въпреки своята простота дава някои задоволителни резултати.

Топлинното хаотично движение на електроните не може да доведе до появата на ток. Когато електрическо поле се приложи към метален проводник, всички електрони придобиват насочено движение, чиято скорост може да бъде оценена от плътността на тока - дори при много високи плътности (от порядъка на 10 -10 A/m), скоростта на подреденото движение е около m/s. Следователно, при изчисляване, получената скорост на движение на електрони (топлинна + подредена) може да бъде заменена със скоростта на топлинно движение.

Възниква въпросът: как да обясним факта на мигновено предаване на електрически сигнали на големи разстояния? Факт е, че електрическият сигнал се носи не от тези електрони, които са в началото далекопроводи, и електрическо поле със скорост около 3 * m/s, включващо почти мигновено всички електрони по веригата в движение. Следователно електрическият ток възниква почти мигновено със затварянето на веригата