Koja vrsta električne struje se zove konstantna. Konstantna električna struja. glavne odredbe

4.1. Karakteristike električne struje. Uslov za postojanje struje provodljivosti.

Struja- uređeno kretanje nabijenih čestica. Električna struja koja nastaje u provodnim medijima kao rezultat uređenog kretanja slobodnih naelektrisanja pod uticajem električno polje stvorena u tim okruženjima se zove struja provodljivosti. U metalima su nosioci struje slobodni elektroni, u elektrolitima - negativni i pozitivni ioni, u poluvodičima - elektroni i rupe, u plinovima - ioni i elektroni.

Smjer električne struje je smjer uređenog kretanja pozitive električnih naboja. Ali u stvarnosti, u metalnim provodnicima, struja se provodi uređenim kretanjem elektrona, koji se kreću u smjeru suprotnom od smjera struje.

Snaga struje zove se skalar fizička količina, jednak omjeru punjenja dq, prenesena kroz razmatranu površinu u kratkom vremenskom periodu na vrijednost ovog intervala: .

Električna struja se zove trajno, ako se jačina struje i njen smjer ne mijenjaju tokom vremena. Za jednosmerna struja.

Prema klasičnoj teoriji elektrona, jačina struje je , Gdje e- naboj elektrona, - koncentracija slobodnih elektrona u provodniku, - brzina usmjerenog kretanja elektrona, S- površina poprečnog presjeka provodnika. Jedinica struje u SI je amper: 1 A = 1 C/s - jačina struje pri kojoj naelektrisanje od 1 C prolazi kroz poprečni presek provodnika za 1 s.

Gustoćom struje određuje se smjer električne struje u različitim točkama površine koja se razmatra i raspodjela jačine struje po ovoj površini.

Vektor gustine struje usmjerena je suprotno od smjera kretanja elektrona - nosilaca struje u metalima i numerički je jednaka omjeru jačine struje kroz mali površinski element, normalan na smjer kretanja nabijenih čestica, prema vrijednosti dS površina ovog elementa: .

Jačina struje kroz proizvoljnu površinu S:,gdje je projekcija vektora j u normalnom pravcu.

Za homogeni provodnik.

Električna struja nastaje pod uticajem električnog polja. U tom slučaju se poremeti ravnotežna (elektrostatička) raspodjela naelektrisanja u vodiču, a njegova površina i volumen prestaju biti ekvipotencijalni. se pojavljuje unutar provodnika električno polje, i tangencijalna komponenta jakosti električnog polja na površini provodnika. Električna struja u vodiču traje sve dok sve tačke vodiča ne postanu ekvipotencijalne. Da bi struja bila konstantna tokom vremena, potrebno je da u jednakim vremenskim intervalima teče kroz jedinicu površine. isto punjenje, tj. jačina električnog polja u svim tačkama provodnika kroz koje teče ova struja ostala je nepromenjena. Stoga se naelektrisanja ne bi trebala akumulirati ili smanjivati ​​bilo gdje u vodiču koji vodi jednosmjernu struju. U suprotnom bi se promijenilo električno polje ovih naboja. Ovaj uvjet znači da kolo jednosmjerne struje mora biti zatvoreno, a jačina struje mora biti ista u svim poprečnim presjecima kola.

Za održavanje struje neophodno je izvor električna energija - uređaj u kojem se bilo koja vrsta energije pretvara u električnu energiju.

Ako se u vodiču stvori električno polje i ne preduzmu mjere za njegovo održavanje, vrlo brzo će polje unutar vodiča nestati i struja će prestati. Da bi se održala struja, potrebno je izvršiti cirkulaciju naelektrisanja u kojoj bi se kretali po zatvorenoj putanji. Cirkulacija vektora elektrostatičkog polja jednaka je nuli, stoga, uz područja u kojima se pozitivni naboji kreću duž linija električnog polja, moraju postojati područja u kojima se događa prijenos naboja protiv sila električnog polja. Kretanje naelektrisanja u ovim prostorima moguće je primenom sila neelektričnog porekla, tj. spoljne sile.

4.2. Elektromotorna sila. Voltaža. Razlika potencijala.

Vanjske sile za održavanje struje mogu se okarakterizirati radom koji obavljaju na nabojima. Količina jednaka radu vanjskih sila po jedinici pozitivnog naboja naziva se elektromotorna sila(EMF). EMF koji djeluje u zatvorenom krugu može se definirati kao cirkulacija vektora jačine polja vanjskih sila.

EMF se izražava u voltima.

voltaža(ili pad napona) na dijelu kola 1-2 je fizička veličina koja je brojčano jednaka radu rezultirajućeg polja elektrostatičkih i vanjskih sila kada se kreće duž lanca iz tačke 1 upravo 2 jedinični pozitivni naboj: .

U nedostatku vanjskih sila, napon U poklapa se sa razlikom potencijala.

4.2. Zakoni jednosmerne struje.

Godine 1826. njemački naučnik G. Ohm je eksperimentalno ustanovio zakon prema kojem je jačina struje koja teče kroz homogeni metalni provodnik proporcionalna padu napona na provodniku: (Omov zakon u integralnom obliku). Homogene naziva se provodnik na koji ne djeluju vanjske sile.

Magnituda R pozvao električni otpor provodnika, zavisi od svojstava provodnika i njegovih geometrijskih dimenzija: , gde je - otpornost, tj. otpor vodiča dužine 1 m 2 s površinom poprečnog presjeka od 1 m 2, - dužina vodiča, S- površina poprečnog presjeka provodnika. Otpor provodnika je mjera otpora provodnika uspostavljanju električne struje u njemu. Jedinica otpora je 1 ohm. Provodnik ima otpor od 1 Ohm ako je pri razlici potencijala od 1 V struja u njemu 1 A.

Generalizirano Ohmov zakon za dio kola sa EMF: proizvod električnog otpora dijela strujnog kola i struje u njemu jednak je zbiru pada električni potencijal na ovom području i EMF svih izvora električne energije uključenih u područje koje se razmatra: .

Generalizirani Ohmov zakon za dio kola izražava zakon održanja i transformacije energije u odnosu na dio strujnog kola.

Ohmov zakon u diferencijalnom obliku: gustina struje provodljivosti je proporcionalna naponu E električno polje u provodniku i poklapa se s njim u pravcu, tj. . Faktor proporcionalnosti se naziva specifična električna provodljivost medija, a vrijednost je električna otpornost medija.

Ovisnost otpora o temperaturi izraženo formulom , gdje je otpornost na , toplinski koeficijent otpora, ovisno o svojstvima provodnika, i temperatura u stepenima Celzijusa.

Mnogi metali i legure potpuno gube otpor na temperaturama ispod 25K i postaju supravodnici. Superprovodljivost je kvantni fenomen. Kada struja teče u supravodniku, ne dolazi do gubitka energije. Vrlo jako magnetsko polje uništava supravodljivo stanje.

Temperaturna zavisnost:

Dosljedno Spoj vodiča se naziva kada je kraj jednog vodiča spojen na početak drugog. Struja koja teče kroz serijski spojene provodnike je ista. Ukupni otpor kola jednak je zbiru otpora svih pojedinačnih provodnika uključenih u kolo: .

Paralelno Ova veza provodnika naziva se kada su jedni krajevi svih provodnika spojeni u jedan čvor, a drugi krajevi u drugi . At paralelna veza napon u svim provodnicima je isti, jednak razlici potencijala na spojnim čvorovima: . Vodljivost (tj. recipročna vrijednost otpora) svih paralelno povezanih provodnika jednaka je zbiru provodljivosti svih pojedinačnih provodnika: .

Ohmov zakon za kompletno kolo: kompletno zatvoreno kolo se sastoji od vanjskog otpora R i izvor struje sa emf jednakom , i unutrašnji otpor . Jačina struje u kompletnom kolu je direktno proporcionalna emf izvora struje i obrnuto proporcionalna ukupnom otporu kola: .

2.1. Konstantno struja.
Snaga struje. Gustoća struje

Električna struja je usmjereno kretanje električnih naboja. Ako tvar sadrži slobodne nosioce naboja - elektrone, ione, koji se mogu kretati na značajnim udaljenostima, tada u prisutnosti električnog polja stječu usmjereno kretanje, koje se nadograđuje na njihovo toplinsko kaotično kretanje. Kao rezultat toga, besplatni nosači naboja pomjeraju se u određenom smjeru.

Kvantitativna karakteristika električne struje je količina naelektrisanja koja se prenosi kroz površinu koja se razmatra u jedinici vremena. Zove se jačina struje. Ako se naboj D prenosi kroz površinu tokom vremena q, tada je jačina struje:

Jedinica struje u SI sistemu jedinica je Amper (A), . Struja koja se ne mijenja tokom vremena naziva se konstantna.

I pozitivni i negativni nosioci mogu učestvovati u stvaranju struje; električno polje ih pokreće u suprotnim smjerovima. Smjer struje obično je određen smjerom kretanja pozitivnih nosilaca. Zapravo, struja u većini slučajeva nastaje kretanjem elektrona, koji se, budući da su negativno nabijeni, kreću u smjeru suprotnom od smjera uzetog za smjer struje. Ako se pozitivni i negativni nosioci gibaju istovremeno u električnom polju, onda puna struja definira se kao zbir struja koje formiraju nosioci svakog znaka.

Da bi se kvantitativno okarakterizirala električna struja, koristi se i druga veličina, koja se naziva gustina struje. Gustoća struje je količina jednak naboju prolazeći u jedinici vremena kroz jediničnu površinu okomitu na smjer kretanja naelektrisanja. Gustina struje je vektorska veličina.

Rice. 3.1

Označimo sa n koncentracija nosilaca struje, odnosno njihov broj po jedinici zapremine. Nacrtajmo beskonačno malu površinu D u provodniku sa strujom S, okomito na brzinu nabijenih čestica. Konstruirajmo beskonačno kratak pravi cilindar sa visinom na njemu, kao što je prikazano na sl. 3.1. Sve čestice zatvorene unutar ovog cilindra će vremenom proći kroz platformu, prenoseći kroz nju električni naboj u smjeru brzine:

Dakle, električni naboj se prenosi kroz jedinicu površine u jedinici vremena. Uvedemo vektor koji se u pravcu poklapa sa vektorom brzine. Rezultirajući vektor će biti gustina električne struje. Budući da postoji volumetrijska gustina naboja, gustina struje će biti jednaka . Ako su nosioci struje i pozitivni i negativni naboji, tada se gustoća struje određuje formulom:

,

gdje i - nasipne gustine pozitivni i negativni naboji, i – brzina njihovog uređenog kretanja.

Vektorsko polje se može prikazati pomoću strujnih linija, koje su konstruirane na isti način kao i vektorske linije napona, odnosno vektor gustoće struje u svakoj tački vodiča usmjeren je tangencijalno na strujnu liniju.

Elektromotorna sila

Ako se u vodiču stvori električno polje i ovo polje se ne održava, tada će kretanje nosilaca struje dovesti do činjenice da će polje unutar vodiča nestati i struja će se zaustaviti. Da bi se struja u strujnom kolu održala dovoljno dugo, potrebno je naelektrisanja pomicati po zatvorenoj putanji, odnosno zatvoriti vodove jednosmjerne struje. Shodno tome, u zatvorenom kolu moraju postojati sekcije u kojima će se nosioci naboja kretati protiv sila elektrostatičkog polja, odnosno od tačaka sa nižim potencijalom do tačaka većeg potencijala. To je moguće samo u prisustvu neelektričnih sila, koje se nazivaju vanjske sile. Snage treće strane su sile bilo koje prirode, osim kulonovskih.

Fizička veličina jednaka radu vanjskih sila pri pomicanju jediničnog naboja u datom dijelu kola naziva se elektromotorna sila (EMF) koja djeluje u ovom dijelu:

Elektromotorna sila je najvažnija energetska karakteristika izvora. Elektromotorna sila se mjeri, kao i potencijal, u voltima.

U bilo kojoj stvarnoj električni krug Uvijek možete odabrati dio koji služi za održavanje struje (strujni izvor), a ostatak smatrati "opterećenjem". U izvoru struje nužno djeluju vanjske sile, pa ga u opštem slučaju karakteriziraju elektromotorna sila i otpor r, koji se naziva unutrašnji otpor izvora. U opterećenju mogu djelovati i vanjske sile, ali u najjednostavnijim slučajevima ih nema, a opterećenje karakterizira samo otpor.

Rezultirajuća sila koja djeluje na naboj u svakoj točki u krugu jednaka je zbroju električnih sila i sila treće strane:

Rad koji ova sila izvrši na naboju u nekom dijelu kruga 1-2 bit će jednak:

gdje je razlika potencijala između krajeva sekcije 1-2, je elektromotorna sila koja djeluje u ovom dijelu.

Vrijednost numerički jednaka radu električnih i vanjskih sila pri pomicanju jednog pozitivnog naboja naziva se pad napona ili jednostavno napon u datom dijelu kola. dakle, .

Dio lanca na kojem ne djeluju vanjske sile naziva se homogenim. Područje u kojem vanjske sile djeluju na nosioce struje naziva se nehomogeno. Za homogeni dio kruga, to jest, napon se poklapa s razlikom potencijala na krajevima dijela kruga.

Ohmov zakon

Ohm je eksperimentalno ustanovio zakon prema kojem je jačina struje koja teče kroz homogeni metalni provodnik proporcionalna padu napona na vodiču:

gdje je dužina provodnika, površina poprečnog presjeka, koeficijent koji ovisi o svojstvima materijala, naziva se električna otpornost. Specifični otpor je numerički jednak otporu po jedinici dužine provodnika čija je površina poprečnog presjeka jednaka jedan.

Rice. 3.2

U izotropnom provodniku, uređeno kretanje nosilaca struje događa se u smjeru vektora jakosti električnog polja. Stoga se pravci vektora poklapaju. Nađimo vezu između i u istoj tački na provodniku. Da bismo to uradili, odaberimo mentalno u blizini određene tačke elementarnu cilindričnu zapreminu sa generatorima paralelnim vektorima i (slika 3.2). Kroz poprečni presjek cilindra teče struja sile. Pošto se polje unutar odabranog volumena može smatrati uniformnim, napon primijenjen na cilindar je jednak , gdje je jačina polja na datoj lokaciji. Otpor cilindra, prema (3.2), jednak je . Zamjenom ovih vrijednosti u formulu (3.1) dolazimo do relacije:

,

Koristeći činjenicu da vektori i imaju isti smjer, možemo pisati

Prepišimo (3.4) u obliku

.

Rice. 3.3

Ova formula izražava Ohmov zakon za neujednačeni dio lanca.

Razmotrimo najjednostavniji zatvoreni krug koji sadrži izvor struje i opterećenje s otporom R(Sl. 3.3). Zanemarujemo otpor dovodnih žica. Stavljajući , dobijamo izraz za Ohmov zakon za zatvoreno kolo:

Idealni voltmetar spojen na terminale izvora radne struje pokazuje napon, kao što slijedi iz Ohmovog zakona za homogeni dio kola - u ovom slučaju otpor opterećenja. Zamjenom jačine struje iz ovog izraza u Ohmov zakon za zatvoreno kolo, dobijamo:

Iz ovoga se vidi da je napon U na terminalima radnog izvora uvijek je manji od njegovog EMF-a. Što je bliže , to je veći otpor opterećenja R. U granici pri, napon na terminalima otvorenog izvora jednak je njegovoj emf. U suprotnom slučaju, kada R=0, što odgovara kratkom spoju izvora struje, U=0, a struja za vrijeme kratkog spoja je maksimalna: .

Ohmov zakon vam omogućava da izračunate bilo koji složeni lanac. Razgranati krug karakterizira jačina struja koje teku kroz njegove dijelove, otpor sekcija i emf uključeni u ove sekcije. Jačina struje i emf su algebarske veličine, odnosno smatraju se pozitivnim ako elektromotorna sila potiče kretanje pozitivnih naboja u odabranom smjeru, a struja teče u tom smjeru, a negativna u suprotnom slučaju. Međutim, direktno izračunavanje razgranatih lanaca može biti teško. Ovaj proračun je znatno pojednostavljen kada se koriste pravila koja je predložio Kirchhoff.

Kirchhoffova pravila

G. Kirchhoff (1824–1887) je detaljno proučavao Ohmov zakon i razvio opšta metoda proračun jednosmjernih struja u električnim krugovima, uključujući i one koji sadrže više izvora EMF. Ova metoda se zasniva na dva pravila koja se nazivaju Kirchhoffovi zakoni. Kirchhoffovo prvo pravilo se odnosi na čvorove, odnosno tačke u kojima se konvergiraju najmanje tri provodnika. Budući da razmatramo slučaj konstantnih struja, tada u bilo kojoj točki u krugu, uključujući bilo koji čvor, raspoloživi naboj mora ostati konstantan, stoga zbroj struja koje teku u čvor mora biti jednak zbroju struja koje izlaze. Ako se složimo da smatramo da su struje koje se približavaju čvoru pozitivne, a izlazne struje negativne, onda možemo reći da je algebarski zbir jačina struje u čvoru jednak nuli:

Isti odnos možete dobiti ako se slažete da, kada obilazite krug u određenom smjeru, na primjer, u smjeru kazaljke na satu, smatrate pozitivnim one struje čiji se smjer poklapa sa smjerom zaobilaznice i negativnim - one čiji je smjer suprotan od smjer obilaznice. Pozitivnim ćemo smatrati i one EMF koji povećavaju potencijal u smjeru zaobilaženja kola i negativnim - one koji snižavaju potencijal u smjeru zaobilaženja.

Ovi argumenti se mogu primijeniti na bilo koju zatvorenu petlju, tako da je Kirchhoffovo drugo pravilo opšti pogled može se napisati na sljedeći način:

,

Gdje n je broj sekcija u kolu, a m je broj EMF izvora. Kirchhoffovo drugo pravilo izražava očiglednu činjenicu da kada potpuno zaobiđemo kolo, vraćamo se na početnu tačku sa istim potencijalom.

Dakle, u bilo kojem zatvorenom kolu, proizvoljno odabranom u razgranatom kolu vodiča, algebarski zbir proizvoda struja koje teku kroz otpor odgovarajućih dijelova kruga jednak je algebarskom zbiru emfs koji se susreću u ovom krugu.

Struja

Kada se nabijene čestice kreću u vodiču, električni naboj se prenosi s jednog mjesta na drugo. Međutim, ako se nabijene čestice podvrgnu nasumičnom termičkom kretanju, kao što su slobodni elektroni u metalu, tada se prijenos naboja ne događa. Električni naboj kreće se poprečnim presjekom provodnika samo ako, osim nasumičnog kretanja, elektroni učestvuju u uređenom kretanju. U ovom slučaju kažu da se u vodiču uspostavlja električna struja.
Električni udar nazvano uređeno (usmjereno) kretanje nabijenih čestica. Električna struja proizlazi iz uređenog kretanja slobodnih elektrona ili jona.
Ukupno naelektrisanje koje se prenosi kroz bilo koji poprečni presek provodnika je nula, jer se naelektrisanja različitih predznaka kreću istom prosečnom brzinom.
Električna struja ima određeni smjer. Za smjer struje se uzima smjer kretanja pozitivno nabijenih čestica. Ako struja nastaje kretanjem negativno nabijenih čestica, tada se smjer struje smatra suprotnim smjeru kretanja čestica.
Ne vidimo direktno kretanje čestica u provodniku. Na prisutnost električne struje ukazuju sljedeće radnje ili pojave koje je prate:
1. provodnik kroz koji teče struja se zagreva,
2. električna struja može promijeniti hemijski sastav provodnika,
3. Struja djeluje silom na susjedne struje i magnetizirana tijela.
Ako se u strujnom kolu uspostavi električna struja, to znači da se električni naboj neprestano prenosi kroz poprečni presjek vodiča. Naboj koji se prenosi u jedinici vremena služi kao glavna kvantitativna karakteristika struje, tzv jačina struje. Ako kroz poprečni presjek provodnika u vremenu Δt naknada prenesena Δq, tada je jačina struje:

Jačina struje jednaka je omjeru naboja Δq prenesenog kroz poprečni presjek provodnika tokom vremenskog intervala Δt prema ovom vremenskom intervalu. Ako se jačina struje ne mijenja tokom vremena, tada se struja naziva konstantnom.
Snaga struje je skalarna veličina. Može biti i pozitivno i negativno. Predznak struje ovisi o tome koji smjer duž vodiča se uzima kao pozitivan. Jačina struje I > 0 ako se smjer struje poklapa s uvjetno odabranim pozitivnim smjerom duž vodiča. Inače ja< 0.
Jačina struje zavisi od:
1. naelektrisanje koje nosi svaka čestica (q 0);
2. koncentracija čestica (n);
3. brzina usmjerenog kretanja čestica (v);
4. površina poprečnog presjeka provodnika (S).

U međunarodnom sistemu jedinica Jačina struje je izražena u amperima (A). Struja se mjeri ampermetrima.
Uslovi za nastanak i postojanje jednosmerne električne struje:
1. prisustvo slobodnih naelektrisanih čestica;
2. Na nabijene čestice moraju djelovati sile koje osiguravaju njihovo uređeno kretanje u konačnom vremenskom periodu.
Da bi postojala stalna struja provodljivosti u provodniku, potrebno je izvesti sledećim uslovima:
a) jačina električnog polja u provodniku mora biti različita od nule i ne smije se mijenjati tokom vremena;
b) provodni krug jednosmerne struje mora biti zatvoren;
c) za besplatne električne naknade, pored Kulonove sile, moraju djelovati neelektrostatičke sile, koje se nazivaju vanjske sile. Snage trećih strana mogu biti stvorene strujnim izvorima (galvanske ćelije, baterije, električni generatori i sl.).

Ohmov zakon za dio kola

Jačina struje u vodiču je direktno proporcionalna primijenjenom naponu i obrnuto proporcionalna otporu provodnika:

Otpor provodnika R- veličina koja karakteriše otpor provodnika uspostavljanju električne struje u njemu. Otpor se mjeri u omima (omima). Ako se pri naponu od 1 V u vodiču uspostavi struja od 1 A, tada je otpor takvog vodiča 1 Ohm.
Otpor vodiča je direktno proporcionalan njegovoj dužini l i obrnuto proporcionalan njegovoj površini poprečnog presjeka S:

gdje se koeficijent proporcionalnosti ρ naziva otpornost. Specifični otpor ovisi o vrsti tvari i o temperaturi (sa povećanjem temperature raste otpornost većine metala), numerički je jednaka otporu provodnika jedinične dužine jedinične površine poprečnog presjeka.

Elektromotorna sila

Fizička veličina jednaka omjeru rada vanjskog polja da pomjeri naboj i veličinom ovog naboja naziva se elektromotorna sila:

Elektromotorna sila se izražava u voltima.
Treća stranka je polje neelektrostatičkog porijekla, čiji rad u bilo kojem zatvorenom kolu nije nula. Takvo polje, uz Kulonovo polje, stvara se u izvorima struje: baterijama, galvanskim ćelijama, generatorima itd. To je vanjsko polje koje nadoknađuje gubitke energije u električnom kolu.

Ohmov zakon za kompletno kolo

Otpor izvora se često naziva unutrašnji otpor r za razliku od vanjskog otpora R kola. U generatoru, r je otpor namotaja, a in galvanska ćelija- otpor rastvora elektrolita i elektroda.
Ohmov zakon za zatvoreno kolo povezuje struju u kolu, emf i ukupni otpor R+r kola.

Proizvod struje i otpora dijela kola se često naziva pad napona na tom dijelu. Dakle, EMF je jednak zbiru padova napona u unutrašnjem i vanjskom dijelu zatvorenog kola.
Ohmov zakon za zatvoreno kolo piše se u obliku

Jačina struje u kompletnom kolu jednaka je omjeru emf kola i njegovog ukupnog otpora.
Jačina struje zavisi od tri veličine; EMF, otpori R i r vanjskih i unutrašnjih dijelova kola. Ukupna EMF kola je jednaka algebarskom zbiru EMF pojedinačnih elemenata.

Serijsko i paralelno povezivanje provodnika

Serijski spoj provodnika. At serijska veza električni krug nema grana. Svi provodnici su povezani u kolo jedan za drugim.

jačina struje	voltaža	otpor	odnos napon-otpor

Paralelno spajanje provodnika

jačina struje	voltaža	otpor	odnos između struje i otpora

Paralelno povezivanje je najčešći način povezivanja različitih potrošača. U ovom slučaju kvar jednog uređaja ne utiče na rad ostalih, dok kod serijske veze kvar jednog uređaja otvara strujni krug.

Kirchhoffova pravila

1. U svakoj tački grananja žica, algebarski zbir struja je nula. Struje koje idu do tačke grananja i struje koje izlaze iz nje treba smatrati vrijednostima različitih predznaka.

2.U bilo kojem zatvorenom kolu, algebarski zbir proizvoda jačine struje u pojedinim dijelovima i njihovog otpora jednak je algebarskom zbiru emf izvora u ovom kolu.

1. Smjerovi struja se biraju proizvoljno. Ako je nakon proračuna I>0, smjer je ispravno odabran, ako je I<0, то направление противоположно.
2. Proizvoljna zatvorena petlja se prelazi u jednom smjeru. Ako se ovaj smjer poklapa sa smjerom strelice, tada je IR>0, ako je suprotno, onda IR<0. Если при обходе контура источник тока проходит от "-" к "+", то его ξ>0.
3. Svi EMF i svi R moraju biti uključeni u sistem jednačina.

Rad i strujna snaga

Kulonove i električne sile treće strane obavljaju rad A kada se pomiču naboji duž električnog kola. Ako je električna struja konstantna, a provodnici koji formiraju kolo su nepomični, tada je energija W, koja se nepovratno transformiše za vrijeme t u zapremini provodnika, jednaka obavljenom radu:
W = A = IUΔt,

Gdje je I jačina struje, U je pad napona u vodiču.
Trenutni rad na dijelu strujnog kola jednak je proizvodu struje, napona i vremena tokom kojeg je rad obavljen.
Nepovratne transformacije energije u provodniku sa strujom uzrokovane su interakcijom elektrona provodljivosti sa čvorovima kristalna rešetka metal Kao rezultat sudara elektrona sa pozitivnim ionima koji se nalaze na mjestima rešetke, elektroni prenose energiju na jone. Ova energija se koristi za zagrijavanje provodnika.
Snaga električne strujejednak omjeru rada struje tokom vremena prema ovom vremenskom intervalu:

Gdje je A rad koji vrši struja tokom vremena - jačina struje, U je pad napona u datom dijelu kola. Jedinica snage električne struje je vat, [P] = .

Količina toplote, oslobođen u provodniku za vrijeme:

Poslednja formula izražava Joule-Lenzov zakon: količina toplote koju stvara struja u vodiču je direktno proporcionalna jačini struje, vremenu koje prolazi kroz provodnik i padu napona na njemu.

Električna struja u poluvodičima

Poluprovodnici u električnoj provodljivosti zauzimaju međupoziciju između metala i dielektrika. Struja u poluvodičima je uređeno kretanje elektrona i rupa koje nastaje pod utjecajem električnog polja. Otpor poluvodiča naglo opada s povećanjem temperature, za razliku od metala.
Samoprovodljivost poluprovodnici su obično mali. U prisustvu nečistoća u poluprovodnicima, uz intrinzičnu provodljivost, dodatni nečistoća.
Ako se kao nečistoća koristi element čija je valencija za jedan manji od valencije datog poluprovodnika ( akceptorne nečistoće), zatim da bi formirao normalne par-elektron veze sa susjednim atomima, atomu nečistoće nedostaje jedan elektron: kao rezultat, rupa. Takvi poluprovodnici se nazivaju poluvodiči p-tipa(većinski nosioci naboja u njima su rupe, manjinski nosioci naboja su elektroni). Ako je valencija nečistoće za jednu jedinicu veća od one poluprovodnika ( donorske nečistoće), zatim jedan od elektrona u atomu nečistoće, koji ne učestvuje u hemijska veza, lako napušta atom i postaje slobodan. Ispostavilo se da je poluprovodnik n-tip(većinski nosioci su elektroni, manjinski nosioci su rupe).
Područje kontakta između dvije vrste poluvodiča naziva se pn spoj. Kada se takav kontakt formira, elektroni počinju difundirati iz poluvodiča n-tipa u poluvodič p-tipa, a rupe počinju difundirati prema njima. Kao rezultat toga, n-područje postaje pozitivno nabijeno, a p-područje negativno, i pojavljuje se električno polje koje zaustavlja difuziju elektrona i rupa. Ako spojite poluvodič s p-n spojem na električni krug, povezujući p-područje s pozitivnim polom, a n-područje s negativnim (direktna veza), prelazni otpor će biti zanemariv. At obrnuto prebacivanje p-n spoj praktički ne propušta struju. Ovo svojstvo se koristi u poluvodičkim diodama.
Poluprovodničke diode se koriste u elektronska tehnologija za ispravljanje električne struje zajedno sa vakuumskim dvoelektrodnim lampama. Štoviše, u proizvodnji potrošačke elektronike lampe se praktički više ne koriste, jer poluvodičke diode imaju niz prednosti.
Na primjer, za rad svjetiljke s dvije elektrode, potreban je poseban izvor energije za zagrijavanje katodne niti (inače neće doći do termoionske emisije i u lampi se neće pojaviti nosioci naboja - termioni). Poluvodičke diode ne zahtijevaju takav izvor napajanja, a kada se koriste u dovoljno velikim i složenim krugovima, postižu se značajne uštede energije. Osim toga, pri istim vrijednostima ispravljene struje, poluvodičke diode su mnogo minijaturnije od vakuumskih cijevi.

Električna struja u elektrolitima

Eksperimenti pokazuju da tečnosti mogu biti dielektrici, poluprovodnici ili provodnici. Najpoznatija dielektrična tečnost je voda. Lako je potvrditi da je voda dielektrik postavljanjem dvije elektrode u teglu s vodom i povezivanjem na izvor struje. U takvom kolu praktički neće biti struje.
Situacija će biti potpuno drugačija ako se voda zamijeni nekom vrstom provodljive otopine. Takva rješenja koja imaju električnu provodljivost nazivaju se elektroliti. Kada se u elektrolitima stvori električno polje, u njima nastaje struja, zbog čega se pozitivni ioni počinju kretati prema katodi, a negativni ioni (i elektroni) prema anodi.
Jonska provodljivost u takvim elektrolitima, kao što su otopine kiselina, lužina i soli, objašnjava se elektrolitičkom disocijacijom. Disocijacija- to je dezintegracija molekula na ione pod uticajem električnog polja polarnih molekula rastvarača. Suprotno nabijeni ioni u sudaru mogu se ponovo ujediniti u neutralne molekule - rekombinovati. U nedostatku električnog polja, u otopini se uspostavlja dinamička ravnoteža, kada se procesi disocijacije i rekombinacije međusobno balansiraju.
Kada struja prolazi kroz elektrolit, opaža se proces elektrolize - oslobađanje tvari koje čine elektrolit na elektrodama.

Električna struja u plinovima

Plinovi se, za razliku od metala i elektrolita, sastoje od električni neutralnih atoma i molekula i normalnim uslovima ne sadrže slobodne nosioce struje (elektrone i ione). Gasovi u normalnim uslovima su dielektrici. Nosioci električne struje u gasovima mogu nastati samo kada jonizacija gasova- odvajanje elektrona od njihovih atoma ili molekula. U ovom slučaju, atomi (molekule) plinova pretvaraju se u pozitivne ione. Negativni joni u plinovima može nastati ako atomi (molekule) vežu elektrone za sebe.
Električna struja u plinovima se naziva gasno pražnjenje. Za izvođenje plinskog pražnjenja, na cijev koja sadrži ionizirani plin (cijev za plinsko pražnjenje) mora se primijeniti električno ili magnetsko polje.

Plazma.

Supstanca koja sadrži mješavinu neutralnih atoma, slobodnih elektrona i pozitivnih iona naziva se plazma. Plazma koja nastaje iz relativno niske struje električnih pražnjenja (na primjer, u cijevima “ dnevno svjetlo") karakteriziraju vrlo niske koncentracije nabijenih čestica u odnosu na neutralne ( ). Obično se naziva niskotemperaturnom jer je temperatura atoma i iona bliska sobnoj temperaturi. Pokazalo se da je prosječna energija mnogo lakših elektrona mnogo veća. To. plazma niske temperature je značajno neravnotežna, otvorena sredina. Kao što je navedeno, procesi samoorganizacije su mogući u takvim okruženjima. U redu poznati primjer je stvaranje visoko uređenog koherentnog zračenja u plazmi gasnih lasera.
Plazma takođe može biti termodinamički ravnotežna. Za njegovo postojanje neophodno je toplota(pri čemu je energija toplotnog kretanja uporediva sa energijom jonizacije). Takve temperature postoje na površini Sunca i mogu se javiti prilikom vrlo snažnih električnih pražnjenja (munja) ili prilikom nuklearnih eksplozija. Takva plazma se naziva vruća.

Joule-Lenzov zakon

U električnom kolu, kada struja prođe, dolazi do niza energetskih transformacija. U vanjsko područje kola, rad kretanja naelektrisanja obavljaju sile stacionarnog električnog polja i energija ovog polja se pretvara u druge vrste: mehaničku, toplotnu, hemijsku i u energiju elektromagnetnog zračenja. dakle, puno radno vrijeme struja na vanjskom dijelu kola

A 0=Wmeh+Ahim+Wizl+Q.

Ako na dijelu strujnog kola pod utjecajem električnog polja nema mehanički rad i ne dolazi do hemijskih transformacija, tada rad električne struje dovodi samo do zagrevanja provodnika.

U ovom slučaju, količina oslobođene topline jednaka je radu struje.

Količina toplote Q, objavljen od strane struje I tokom t na dijelu strujnog kola sa otporom R, jednako Q=I 2Rt.

Ova formula izražava Joule-Lenzov zakon, instaliran empirijski u 19. veku dva naučnika (engleski - J. Joule i ruski E. X. Lenz).

Kada električna struja prođe kroz provodnik, količina toplote koja se oslobađa u vodiču je direktno proporcionalna kvadratu struje, otporu provodnika i vremenu prolaska struje..

Djelovanje mnogih električnih uređaja za grijanje temelji se na Joule Lenzovom zakonu. To su pegle, električni štednjaci, kuhala za vodu, bojleri, lemilice, električni kamini itd.

Glavni dio svakog električnog uređaja za grijanje je grijaći element (vodič visoke otpornosti namotan je na ploču od materijala otpornog na toplinu: liskun, keramika).

Gornju formulu Joule-Lenzovog zakona zgodno je koristiti pri povezivanju otpornika u seriju, jer je jačina struje u svim dijelovima serijski spojenog kola ista. Ako su dva otpornika sa otporima spojena u seriju R 1 i R 2, onda Q 1=I 2R 1t, Q 2=I 2R 2t, gdje Q 1Q 2=R 1R 2, tj. količina toplote koju stvara struja u sekcijama serijski povezanog kola proporcionalna je otporu ovih delova.

Prema Ohmovom zakonu, za homogeni dio jednosmjernog kola I=UR. Onda Q=U 2Rt .

Ova formula je zgodna za korištenje pri paralelnom povezivanju otpornika, jer je napon na svakoj grani takvog kruga isti. Ako su dva otpornika sa otporima spojena paralelno R 1 i R 2, onda Q 1=U 2R 1t , Q 2=U 2R 2t, gdje

Q 1Q 2=R 2R 1,

one. količina topline koju stvara struja u granama paralelno spojenog kola obrnuto je proporcionalna otporu otpornika uključenih u ove grane.

Tema 4. Jednosmjerna električna struja

Pitanja za učenje:

1. Zakoni konstantne električne struje.

2. Jednostavan električni krug.

Uvod

Elektrostatika proučava interakciju naelektrisanih tela (naelektrisanja) koja ne mogu

krećući se jedno u odnosu na drugo. Ali u prirodi, a posebno u elektrotehnici,

Kineski fenomeni se najčešće povezuju sa pokretni naboji, odnosno električni

nebeske struje. Proučavanje električne struje kao fenomena i otkrivanje načina njenog stvaranja (generisanja) bio je faktor koji je osigurao razvoj elektroenergetike, elektronike, elektrohemije i time doprinio formiranju mnogih modernih tehnologija.

Savremene metode prijema i prenošenja električne energije zasnovane su na nekoliko zakona otkrivenih u 19. veku. Pojave i procesi povezani s električnom strujom proučavaju se u dijelu proučavanja elektriciteta koji se zove elektrodinamika. Do danas je primjena ovih zakona dovela do stvaranja nekoliko tehničkih nauka, čija složenost znatno premašuje elektrodinamiku.

Ovo predavanje ispituje osnovne principe jednostavnog tipa struja - jednosmerna električna struja, kao i njeni zakoni za struju u metalnim provodnicima i jednostavan sistem provodnika, koji se naziva električni krug.

1 . Zakoni konstantne električne struje

1.1 Struja. Struja provodljivosti

1. Fenomen električne struje nalazi se u jednostavno iskustvo. Ako su dva različito nabijena tijela (na primjer ploče kondenzatora) spojena metalnom žicom (slika 1.1.1), tada možete uočiti kratkotrajno povećanje temperature žice, sve do njenog topljenja ako se kondenzator napuni je dovoljno. Razlog je taj što su nabijena tijela imala različite potencijale i zajedničko električno polje, a kada su spojena žicom, polje je djelovalo i

kretao naboje duž žice od jednog tijela do drugog. Pomaknuti („protekli“) naboji su kompenzirali jedni druge, razlika potencijala između ploča se smanjila na nulu, a proces pomjeranja naboja je zaustavljen. Ovo kretanje naelektrisanja je električna struja. U razmatranom slučaju, struja je bila kratkoročno. U praksi se koriste i kratkoročne i dugotrajne struje.

Definicija . Električna struja je uredno kretanje električnih naboja - mikro- i makroskopskih naelektrisanih tijela.

Poznato tri varijante električna struja:

1) makroskopske struje u prirodi, uzrokovano kretanjem grmljavinskih oblaka u atmosferi ili unutrašnjim tokovima magme

ri Globe, električna pražnjenja; 2) provodne struje u suštini; nosioci naboja su elektroni i jo-

3) struje u vakuumu, odnosno u prostorima u kojima materija nema ili ima vrlo nisku koncentraciju (na primjer, struje elektrona u katodnim cijevima, elementarne čestice u kosmičkim zracima i akceleratorima).

Električne struje se otkrivaju po njihovom djelovanju na vanjska tijela. Ovi uticaji su:

1) toplotne - struje zagrijavaju tijela kroz koja prolaze;

2) mehanički - struje odbijaju magnetsku iglu ili druge struje;

3) hemijski – struje obezbeđuju proces elektrolize u rastvorima supstanci (elektroliti);

4) biološki - struje pokreću kontrakciju mišića i utiču na vitalne funkcije bioloških objekata.

2. Od najveće praktične važnosti su provodne struje.

Definicija . Provodna struja je električna struja u tijelima.

Za postojanje struje provodljivosti neophodno je prisustvo (1) razlike potencijala između tačaka tela i (2) slobodnih nosilaca električnog naboja u telima.

Tijela u kojima može postojati struja provodljivosti nazivaju se električni provodnici . Moraju biti u čvrstom ili tečno stanje. Provodniki uključuju metale i elektrolite - otopine soli. U metalima su slobodni nosioci naboja elektroni, au elektrolitima

– joni (katjoni i anjoni).

U nedostatku vanjskog električnog polja, nosioci naboja unutar vodiča se također kreću, ali to kretanje je toplinsko, odnosno haotično. Mikrostruje koje postoje u provodnicima kompenzuju jedna drugu. Eksterno električno polje daje sve naboje usmjerena komponenta, koji je superponiran na haotično.

Definicija . Brzina uređenog kretanja nosača naboja u provodniku sa električnom strujom naziva se brzina drifta nosača naboja.

v DR.

Definicija . Linije duž kojih se odvija uređeno kretanje nosilaca naboja u provodniku nazivaju se strujne linije.

Vektori brzine drifta su usmjereni tangentno na odgovarajuće strujne linije.

Pravilo: smjer brzine drifta nosilaca pozitivnog naboja (q0 0 .

Elektrostatičkim poljem pozitivni naboji se kreću od tačaka sa većim potencijalom do tačaka sa nižim potencijalom.

U metalnim provodnicima, smjer struje je suprotan pravom smjeru kretanja elektrona - pravih nosilaca naboja.

3. Glavne kvantitativne veličine koje se koriste za opisivanje električne struje su jačina struje i gustina struje.

Odaberimo određenu tačku N unutar provodnika i kroz nju povučemo vektor brzine drifta v DR i odgovarajuću strujnu liniju (slika 1.1.2). Tada ćemo konstruisati elementarnu (infinitezimalnu) površinu dS, koja prolazi kroz tačku N okomito

kularni u vektorv DR: dS v DR.

Ako u provodniku postoji struja, naelektrisanje dq prođe kroz područje dS za vrijeme dt. Očigledno je da

d qd td q= Id t.

Definicija: Jačina struje u blizini date tačke N provodnika se zove

je skalarna fizička veličina jednaka električnom naboju koji prolazi kroz elementarnu površinu d S po jedinici vremena:

I = dq/dt.

Ako je koncentracija nosioca naboja u provodniku n, a svaki nosilac ima naboj q 0,

onda je lako pokazati da je dq =q 0 n v DR dS dt . Zatim slika 1.1.2 gustina struje i jačina struje u tački N provodnika

opisani su izrazima:

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

I = jd S = q0 nv DR d S.

Osnovna jedinica za mjerenje jačine struje je “amper”: = 1A, a gustina struje je “amper podijeljen sa kvadratnom metru": = 1A / m 2.

Procjena pokazuje da pri struji I = 1A u bakrenom provodniku, za koji je zapreminska koncentracija valentnih elektrona 1028 m–3, njihova brzina drifta ima vrijednost DR 10–2 m/s. Ova brzina je mnogo manja od prosječne brzine haotičnog kretanja valentnih elektrona u zapremini provodnika (v CP 106 m/s).

4. U praksi se veoma široko koriste metalni provodnici konstantan normalni poprečni presjek:S = isto. Za njih su strujne linije paralelne, a vektor

gustina struje ry na svim tačkama bilo kojeg normalnog presjeka u isto vrijeme

momenta vremena su isti, odnosno paralelni, usmereni u istom pravcu i jednaki po veličini:j S,j = =const. Jačina struje u provodnicima konstantnog poprečnog presjeka je zbir jačina struje kroz svih n elementarnih područja dS i, na koje se može podijeliti bilo koji normalni poprečni presjek S:

5. Definicija. Električna struja se naziva konstantnom ako je jačina struje

ne mijenja se tokom vremena.

Iz definicije jačine struje proizilazi da uz konstantnu struju kroz dati poprečni presjek S vodiča u jednakim vremenskim periodima t prođe isti iznos

naplatiti q:

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

Za dva vodiča različitog poprečnog presjeka S 1 i S 2 iste jačine struje (I 1 =I 2), moduli gustine struje, obrnuto proporcionalni površinama poprečnog presjeka vodiča (j =I /S) su u korelaciji prema sljedećem izrazu:

j1 / j2 = S2 / S1.

1.2 Ohmov zakon za struju u provodniku

1. Električna struja u vodiču postoji kada postoji razlika potencijala u električnom polju (elektrostatički napon) na krajevima vodiča. Vezu između struje i napona eksperimentalno je ustanovio njemački fizičar G. Ohm

Ohmov zakon za struju u provodniku: jačina struje u homogenom provodniku je direktno proporcionalna elektrostatičkom naponu na njegovim krajevima -

Koeficijent proporcionalnosti (grčki “lambda”) se naziva električna provodljivost(električna provodljivost)dirigent.

Ali obično, umjesto električne provodljivosti, obrnuto proporcionalna

vrijednost koja joj je data - električni otpor provodnika R 1/ .

U ovom slučaju, Ohmov zakon za provodnik ima oblik:

I = U/R.

Osnovna jedinica mjerenja električnog otpora je "om": [R] = 1 V / A = 1 Ohm - ovo je otpor vodiča u kojem teče jednosmjerna struja od 1 A pri razlici potencijala od 1 V.

2. Eksperimentalno je utvrđeno da električni otpor zavisi od (1). hemijski sastav provodnike, (2) na njihov oblik i veličinu i (3) na temperaturu.

Otpor homogenog vodiča konstantnog poprečnog presjeka direktno proporcionalna njegovoj dužini i obrnuto proporcionalna njegovoj površini normalno presjek:

R = l/ S.

Faktor proporcionalnosti u ovom izrazu je fizičke karakteristike naziva se supstanca od koje se provodnik sastoji specifične električne

hemijska otpornost supstance koja čini provodnik.

Jedinica otpornosti je ohm puta

metar": = 1 Ohm m. Srebro ima najmanju otpornost

(= 1,6 10–8 ohm m) i bakar (= 1,7 10–8 ohm m).

3. Ovisnost otpora provodnika o temperaturi je posljedica temperaturne ovisnosti otpora. Na temperaturama ne razlikuje se previše od normalnog, ova zavisnost u prvoj aproksimaciji ima sljedeći oblik:

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

ovdje i 0 , R i R 0 – otpornosti i otpor provodnika na temperaturama t odnosno 0C (T i 273,15 K). Koeficijent proporcionalnosti (1/273)K–1 je skoro isti za sve metalne provodnike:

(1/273) K –1 – i naziva se temperaturni koeficijent otpora.

Povećanje električnog otpora s porastom temperature glavni je znak prema kojem od svih provodnih tvari, grupa dirigenata. Ostale grupe tvari karakteriziraju smanjenje otpornosti s povećanjem temperature; oni se pomire grupe poluprovodnika idi-

električari.

4. U električnim i radio krugovima često je potrebno imati određene specifične vrijednosti otpora provodnika. Instaliraju se odabirom standardiziranih vodiča koji se nazivaju otpornici. Otpornici se kombinuju u sisteme. Proračun otpora sistema otpornika (ekvivalentno

otpor sistema) zasniva se na zavisnostima kojima su otpori podložni

razvoj dva najjednostavnija sistema– paralelni i serijski lanci

otpornici.

Šema paralelni lanac otpornici sa otporima R 1, R 2, R 3,.., R n prikazani su na slici 1.2.1a: prvo je spojen jedan od dva terminala svakog otpornika i formira prvi čvor A, a zatim drugi terminal povezani su u drugom čvoru B. U čvoru

Napon U se dovodi na A i B, isto za sve otpornike:

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

S pozitivnog pola izvora do čvora A teče struja jačine I. Ovdje je podijeljena na struje I 1, I 2, I 3,.., I n, koje su spojene u čvoru B u struju iste početna snaga I. To jest, jačina struje I jednaka je zbiru jačine struje u svim otpornicima:

S druge strane, prema Ohmovom zakonu, I = U/R PAR, gdje je R PAR ekvivalentni otpor paralelnog lanca otpornika. Izjednačavanje desnih strana potonjih izraza

zheny, dobijamo formulu za izračunavanje RPAR: vrijednost obrnuto proporcionalna ekvivalentnom otporu paralelnog lanca otpornika jednaka je zbroju vrijednosti obrnuto proporcionalnih njihovim otporima:

5. Šema daisy chain Otpornici sa otporima R 1, R 2, R 3,.., R n prikazani su na slici 1.2.1b: otpornici su povezani sa svojim terminalima kao u vagonima.

Ako se napon dovede na slobodne terminale ekstremnih otpornika R 1 i R n, struja

struja će biti ista u svim otpornicima:

I 1 =I 2 =I 3 = … =I n =I,

a napon na svakom otporniku, prema Ohmovom zakonu, ovisi o njegovom vlastitom otporu:

Ui = Ii Ri = IRi.

Očigledno, napon U na krajevima lanca jednak je zbroju napona na svakom otporniku:

S druge strane, U = IR SEQ, gdje je R SEQ ekvivalentni otpor kruga koji se razmatra. Izjednačavajući desnu stranu zadnjih izraza, dobijamo to

Otpor trake serijskog lanca otpornika jednak je zbroju njihovih otpora:

R POSLJEDNJE = R i . i 0

Koristeći dobijene omjere R PAR i R SEQUENCE, možete izračunati otpor bilo kojeg sistema otpornika, postepeno identificirajući serijske i/ili paralelne lance u njemu.

1.3 Joule–Lenzov zakon za struju u provodniku

1. Električna struja u vodiču postoji zbog rada elektrostatičkog polja za prijenos pozitivnog naboja duž vodiča:

AR = q(1 – 2) = q U.

Pri konstantnoj struji q =I t. Zatim, dato Ohmov zakon za struju u provodniku, možemo izraziti rad elektrostatičkog polja kroz trenutne parametre:

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

2. J.P. Joule i, nezavisno od njega, ruski fizičar E.Kh. Lenz (1804-1865) u

1841-42 eksperimentalno utvrđeno: ako struja prolazi kroz stacionar

metalnog provodnika, tada je jedini uočljivi efekat zagrevanje provodnika, odnosno oslobađanje toplote Q u okolni prostor.

U ovom slučaju, zbog zakona održanja i transformacije energije

QR = AR = I2 R t.

Ova jednakost je kvantitativni izraz Joule-Lenzovog zakona za provodnik: količina oslobođene toplote u bilo kojem dirigent kada pro-

propuštanje jednosmjerne struje kroz njega jednako je umnošku kvadrata jačine struje na električni otpor provodnika i vrijeme prolaska struje.

Korištenje Ohmovog zakona nam omogućava da modificiramo izraz Joule-Lenzovog zakona:

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

Jasno je da ako se provodnik sa strujom kreće pod uticajem magnetsko polje(elektromotor) ili se u njemu odvijaju kemijski procesi (elektroliza), tada će rad struje premašiti količinu oslobođene topline.

Intenzitet oslobađanja topline karakterizira trenutna snaga -fizički

skaya vrijednost jednaka radu struje u jedinici vremena:

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

3. Oslobađanje topline se objašnjava činjenicom da nosioci naboja stupaju u interakciju s kristalnom rešetkom provodnika i prenose joj energiju svog uređenog kretanja.

Toplotni učinak struje našao je široku primjenu u tehnologiji, koja je započela izumom 1873. godine. Ruski inženjer A.N. Lodygin (1847-1923) sijalicažarulja Na ovom fenomenu zasniva se djelovanje električnih muflnih peći, opreme za elektrolučno i kontaktno zavarivanje metala, kućnih električnih grijača i još mnogo toga.

2. Jednostavan električni krug

2.1 DC izvor. Elektromotorna sila izvora struje

1. Ako u provodniku (otporniku) na nosioce naboja utiče samo sila elektrostatičkog polja (kao u eksperimentu ilustrovanom na slici 1.1.1), tada se nosioci kreću od tačaka provodnika sa većim potencijalom do tačke sa manjim potencijalom. To dovodi do izjednačavanja potencijala u svim točkama vodiča i, shodno tome, do nestanka struje.

Osnove praktična upotreba imaju dugotrajne struje, uključujući i stalne. Za postojanje jednosmerna struja potrebni su uređaji koji mogu stvarati i održavati na krajevima provodnika konstantna razlika potencijala. ta-

kako se zovu uređaji DC izvori.U trenutnim izvorima

postoji kontinuirano prostorno razdvajanje pozitivnih i negativnih naboja na polovima izvora , što pruža potencijalnu razliku između njih.

na polove izvora struje (slika 2.1.1).

Važno je da, za razliku od struje u provodniku, unutar izvora struja (kako se kreće

pozitivni naboji) smjer od negativnog pol pozitivan

nomu . Ovaj pravac se zove prirodni smjer struje u izvoru.

Ona fizički ispravno odražava suštinu procesa u izvoru struje i odgovara pravilu koje određuje smjer struje u otporniku spojenom na polove izvora.

Uloga izvora struje je slična ulozi pumpe, koja je neophodna za pumpanje tekućine kroz cijevi hidraulični sistem. Formalno govoreći, izvor struje "pumpa" pozitivne naboje sa svog negativnog pola na njegov pozitivan.

2. Vanjske sile obavljaju rad STOR da odvoje i pomjere električne naboje unutar izvora i stvore električno polje između njegovih polova.

Definicija . Elektromotorna sila (EMS) izvora struje je fizička veličina jednaka radu vanjskih sila u izvoru pri stvaranju jedinice pozitivnog naboja:

E A STOR/ q + .

Sličnost u definicijama EMF izvora struje i potencijala električnog polja objašnjava da je osnovna jedinica mjerenja EMF-a također “volt”:

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

3. Osnova svih izvora struje su električno provodljive supstance. Stoga izvori imaju električni otpor, koji se naziva unutrašnji otpor i označava se slovom r. Unutrašnji otpor se manifestuje zagrijavanjem izvora u radnom režimu, odnosno kada je otpornik spojen na izvor struje. Količina toplote koja se oslobađa u izvorima struje je u skladu sa Joule-Lenzovim zakonom:

Qr = I2 r t.

Unutrašnji otpor raste sa porastom temperature.

2.2 Presjek električnog kola. Jednostavno zatvoreno kolo

1. Za stvaranje električne struje otpornici i izvori struje moraju se koristiti zajedno.

Definicija . Jednostavna električna kola se nazivaju sistemi, stanje-

koji se sastoji od otpornika, izvora struje i sklopki (prekidača) povezanih u seriju.

Definicija . Dio jednostavnog kola je dio jednostavnog električnog kola koji sadrži određeni broj otpornika i/ili izvora struje.

Definicija . Homogeni dio jednostavnog lanca nazvano područje koje sadrži

pritiskom samo otpornika.

Primjer homogenog dijela kola je serijski lanac otpornika (slika 1.2.1b). Fenomen jednosmjerne struje u homogenom dijelu kola koji se sastoji od otpornika opisan je Ohmovim i Joule-Lenzovim zakonima za struju u vodiču.

2. Definicija. Nehomogena sekcija lanca naziva se dio koji sadrži serijski spojene otpornike i izvore struje.

Definicija . Zbir otpora otpornika R i unutrašnjih otpora r i izvora struje u neujednačenom presjeku jednostavnog kola naziva se puni otpor

spajanje neujednačenog dijela lanca.

struja u okolini.

Definicija . Električni napon na neujednačenom dijelu kola A-

B je vrijednost jednaka algebarskom zbiru vanjskog električnog napona i EMF-a (zbir uzimajući u obzir predznake) izvora struje uključenih u odjeljak:

U AB (A –B) +E AB =U +E AB;

ovdje je E AB =E 1 +E 2 + ... algebarski zbir (zbir uzimajući u obzir predznake) EMF strujnih izvora u sekciji.

Komentar. Može se vidjeti da je za homogeni dio kola napon identično jednak elektrostatički napon između trenutnih ulaznih i izlaznih tačaka:

(U AB ) JEDAN (A – B) JEDAN = U .

EMF E i u izrazu za E AB su algebarske veličine: valueE i

uzeti sa znakom “+” ako smjer struje IAB u dijelu strujnog kola poklapa se sa prirodnim smjerom kretanja pozitivnih naelektrisanja u i-tom izvoru (na slici 2.2.1 E 1 0); ako je smjer struje IAB suprotan prirodnom smjeru kretanja pozitivnih naboja u izvoru, tada se vrijednost E i uzima iz

znak “–” (na slici 2.2.1E 2 0). dakle,

E AB= E 1E 2… .

3. Ako su provodnici neujednačenog presjeka lanci A-B su nepomični, onda je prema zakonu održanja i transformacije energije rad elektrostatičkih i vanjskih sila koje djeluju u tom području jednak toplini koja se oslobađa u otporniku i izvorima struje:

A AB = Q AB.

Razmotrimo dio kola koji sadrži samo jedan izvor struje sa unutrašnjim otporom r (u ovom slučaju E AB = E 1 ). Očigledno je da

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

gdje je (A R + A r) =q + (A – B) – rad elektrostatičke sile kada se kreće pozitivan naboj q + .

Iz definicije EMF-a slijedi da je A COP =q + E AB. Onda

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

S druge strane, količina toplote Q AB =Q R +Q r i prema Joule-Lenzovom zakonu

i određivanje električne struje (I t =q + )

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

Izjednačavanje desnih strana posljednjih izraza za A AB i Q AB daje izraz

definicija generaliziranog Ohmovog zakona za neujednačeni dio lanca:

jačina struje u neujednačenom dijelu električnog kola je direktno proporcionalna električni napon na krajevima sekcije i obrnuto je proporcionalna impedanciji sekcije -

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

Iz toga slijedi

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

gdje su UR IR i U r Ir elektrostatički naponi na otporniku i unutrašnjem

otpor preseka lanca. To je električni napon na krajevima nehomogenog dijela kola jednak je zbroju elektrostatičkih naprezanja na otporniku i na unutrašnjem otporu izvora struje:

U R +U r = (A –B) +E AB.

Komentar. Za homogeni dio kola (E AB = 0, r = 0, U r = 0) sa ekvivalentnim otporom R, generalizirani Ohmov zakon pretvara se u Ohmov zakon za struju u provodniku:

U = UR = IR.

Komentar. Generalizovani Ohmov zakon je zadovoljen ne samo za jednosmernu struju (U = const), već i za svaku promenu struje tokom vremena. U ovom slučaju, dio lanca može sadržavati i druge električnih elemenata: (1) kondenzatori sa naponom U C =q/C na njihovim pločama i (2) solenoidi koji stvaraju emf elektromagnetne indukcije E i = –LdI/dt. Tada se veličine U C i E i moraju uzeti u obzir, redom, na lijevoj i desnoj strani jednadžbe generaliziranog Ohmovog zakona:

U R +U r +U C = (A –B) +E AB +E i ].

Važno je zapamtiti da slovo A označava kraj sekcije kola odakle struja (q 0) teče u sekciju.

4. Generalizirani Ohmov zakon pokazuje kako se mjeri emf izvora struje. Ako nema struje u nehomogenom području (I = 0), onda to slijedi

E AB = – (A –B) = (B –A),

to jest, EMF koji djeluje u nehomogenom kolu jednak je razlici elektrostatičkog potencijala na krajevima kola u načinu kada nisu zatvoreni kroz druge sekcije.

Ovo mjerenje se ostvaruje spajanjem polova izvora na terminale voltmetra.

2.3 Jednostavno zatvoreno kolo

1. Definicija. Jednostavno zatvoreno kolo naziva se kolo koje se dobije spajanjem (zatvaranjem) ključem K krajeva dijela jednostavnog kola (slika 2.3.1).

Otpor R u jednostavnom zatvorenom kolu naziva se vanjski otpor

jesti.

Koristeći Ohmov zakon za struju u vodiču, možemo odrediti koliki je udio emf E napon U R na vanjskom otporu R:

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

Može se vidjeti da što je veći vanjski otpor kola, to je vrijednost UR bliža vrijednosti E.

Ako se vanjski otpor kruga pokaže znatno manjim od unutrašnjeg

(R r ), tada će lanac otići struja kratki spoj :

I KOR = E / r .

Način kratkog spoja je izuzetno opasan za izvore struje. Njihova unutrašnji otpor ima vrijednosti bliske 1 Ohm (r 1 Ohm). Stoga struje kratkog spoja, čak i pri niskim EMF-ima, mogu doseći desetine ampera. Joule toplota koja se oslobađa u ovom slučaju, proporcionalna kvadratu jačine struje (Q I 2), može oštetiti izvor.

2. Električna struja u metalima. Eksperimentalni dokaz prirode nosilaca električnog naboja u metalima. Osnove klasične elektronske teorije provodljivosti u metalima.

Ideja o elektronskoj prirodi nosilaca naboja u metalima, ugrađena u teoriju Drudea i Lorentza, temelji se na nizu klasičnih eksperimentalnih dokaza.

Prvi od ovih eksperimenata je Rikkeov (1901), u kojem je tokom godine dana el. struja je provođena kroz tri metalna cilindra (Cu, Al, Cu) istog radijusa spojena u seriju sa pažljivo uglačanim krajevima. Unatoč činjenici da je ukupni naboj koji prolazi kroz cilindre dostigao ogromnu vrijednost (oko 3,5 * C), nisu otkrivene promjene u masi vanjskih metala. Ovo je bio dokaz pretpostavke da čestice ekstremno male mase učestvuju u prijenosu naboja.

Unatoč maloj masi nosača naboja, oni imaju svojstvo inercije, koje je korišteno u eksperimentima Mandelstama i Papaleksija, a potom i u eksperimentima Stewarta i Tolmana, koji su vrtili zavojnicu s vrlo velikim brojem zavoja do ogromnog brzinom (oko 300 m/s), a zatim su ga naglo zakočili. Kao rezultat toga, pomicanjem naboja uslijed inercije stvoren je strujni impuls, a znajući dimenzije i otpor provodnika i veličinu struje zabilježene u eksperimentu, bilo je moguće izračunati omjer naboja i mase čestice, što se pokazalo veoma blizu vrednosti dobijene za elektron (1,7*C/kg).

Osnove klasične elektronske teorije provodljivosti u metalima

Postojanje slobodnih elektrona u metalima objašnjava se činjenicom da se tokom formiranja kristalne rešetke metala (kao rezultat približavanja izolovanih atoma), valentni elektroni, relativno slabo povezani sa atomskim jezgrima, odvajaju od metala. atomi, postaju "slobodni" i mogu se kretati po cijelom volumenu, tj. pozitivni metalni joni se nalaze na čvorovima kristalne rešetke, a slobodni elektroni se kreću haotično između njih, formirajući neku vrstu elektronskog plina, prosječna slobodna putanja elektrona je od reda m (razdaljina između čvorova rešetke). Elektroni provodljivosti se sudaraju sa jonima rešetke, prenoseći im energiju, kao rezultat, uspostavlja se termodinamička ravnoteža između elektronskog plina i rešetke. Prema Drude-Lorentz teoriji, elektroni imaju istu energiju toplotnog kretanja kao molekuli idealnog monoatomskog gasa i at sobne temperature toplinska brzina elektrona bit će reda veličine/s, svi elektroni se smatraju nezavisnim i za objašnjenje makroskopskih pojava (na primjer, struje) dovoljno je poznavati ponašanje jednog elektrona da bi se odredilo ponašanje svih elektrona. Stoga se takva teorija naziva „jednoelektronska aproksimacija“ i, uprkos svojoj jednostavnosti, daje neke zadovoljavajuće rezultate.

Toplotno haotično kretanje elektrona ne može dovesti do pojave struje. Kada se na metalni provodnik primeni električno polje, svi elektroni dobijaju usmereno kretanje, čija se brzina može proceniti iz gustine struje - čak i pri veoma velikim gustinama (reda 10 -10 A/m), brzina naređeno kretanje je oko m/s. Slijedom toga, pri proračunu, rezultujuća brzina kretanja elektrona (toplinska + uređena) može se zamijeniti brzinom toplinskog kretanja.

Postavlja se pitanje: kako objasniti činjenicu trenutnog prijenosa električnih signala na velike udaljenosti? Činjenica je da električni signal ne nose oni elektroni koji su na početku dalekovoda, i električno polje brzinom od oko 3 * m/s, koje uključuje gotovo trenutno sve elektrone duž strujnog kola u pokretu. Stoga se električna struja javlja gotovo trenutno sa zatvaranjem kola