Richtung des elektrischen Gleichstroms. Konstanter elektrischer Strom. Hauptbestimmungen

D.C(DC - Gleichstrom) - elektrischer Strom, der seine Größe und Richtung im Laufe der Zeit nicht ändert.

In Wirklichkeit kann Gleichstrom keinen konstanten Wert aufrechterhalten. Beispielsweise gibt es am Ausgang von Gleichrichtern immer eine variable Welligkeitskomponente. Benutzen galvanische Zellen B. Batterien oder Akkus, sinkt der Stromwert mit zunehmendem Energieverbrauch, was bei starker Belastung wichtig ist.

Gleichstrom existiert bedingt in den Fällen, in denen Änderungen seines konstanten Wertes vernachlässigt werden können.

Gleichstromanteil von Strom und Spannung. Gleichstrom

Wenn man die Form des Stroms in der Last am Ausgang von Gleichrichtern oder Wandlern betrachtet, erkennt man Welligkeiten – Änderungen im Stromwert, die dadurch entstehen Behinderungen Gleichrichterfilterelemente.
In manchen Fällen kann die Stärke der Pulsationen beträchtliche Ausmaße annehmen große Werte, was bei Berechnungen beispielsweise bei Gleichrichtern ohne Verwendung von Kondensatoren nicht vernachlässigt werden kann.
Dieser Strom wird üblicherweise als pulsierend oder gepulst bezeichnet. In diesen Fällen eine Konstante Gleichstrom und eine Variable A.C. Komponenten.

Gleichstromkomponente- ein Wert, der dem durchschnittlichen aktuellen Wert über einen Zeitraum entspricht.

Durchschnittlich- Abkürzung Avguste – Durchschnitt.

AC-Komponente- periodische Änderung des aktuellen Werts, Abnahme und Zunahme relativ zum Durchschnittswert.

Bei der Berechnung ist zu berücksichtigen, dass der Wert des pulsierenden Stroms nicht dem Durchschnittswert entspricht, sondern Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate zweier Größen - die konstante Komponente ( Gleichstrom) und der quadratische Mittelwert der variablen Komponente ( A.C.), der in diesem Strom vorhanden ist, hat eine bestimmte Leistung und summiert sich mit der Leistung der Konstantkomponente.

Die oben genannten Definitionen sowie Begriffe A.C. Und Gleichstrom kann gleichermaßen für Strom und Spannung verwendet werden.

Der Unterschied zwischen Gleichstrom und Wechselstrom

Nach assoziativen Präferenzen in der Fachliteratur wird gepulster Strom oft als konstant bezeichnet, da er eine konstante Richtung hat. In diesem Fall muss klargestellt werden, dass wir Gleichstrom mit Wechselanteil meinen.
Und manchmal wird es auch als Variable bezeichnet, weil es seinen Wert periodisch ändert. Wechselstrom mit konstantem Anteil.
In der Regel wird die Komponente zugrunde gelegt, die betragsmäßig größer oder im Kontext am bedeutsamsten ist.

Es ist zu bedenken, dass Gleichstrom oder Gleichspannung neben der Richtung das Hauptkriterium der konstante Wert ist, der als Grundlage dient physikalische Gesetze und ist entscheidend in Berechnungsformeln Stromkreise.
Der Gleichstromanteil ist als Mittelwert nur einer der Parameter des Wechselstroms.

Bei Wechselstrom (Spannung) ist in den meisten Fällen das Fehlen eines Gleichanteils ein wichtiges Kriterium, wenn der Mittelwert Null ist.
Dies ist der Strom, der in Kondensatoren fließt, Leistungstransformatoren, Stromleitungen. Dies ist die Spannung an den Wicklungen von Transformatoren und im elektrischen Haushaltsnetz.
In solchen Fällen kann der konstante Anteil nur in Form von Verlusten vorliegen, die durch die nichtlineare Natur der Lasten verursacht werden.

Gleichstrom- und Spannungsparameter

Es sollte sofort darauf hingewiesen werden, dass der veraltete Begriff „Stromstärke“ in der modernen inländischen Fachliteratur nicht mehr häufig verwendet wird und als falsch angesehen wird. Elektrischer Strom wird nicht durch Kraft, sondern durch die Geschwindigkeit und Intensität der Bewegung geladener Teilchen charakterisiert. Nämlich die Ladungsmenge, die pro Zeiteinheit durch den Querschnitt des Leiters fließt.
Der Hauptparameter für Gleichstrom ist die Größe des Stroms.

Die Einheit der Strommessung ist Ampere.
Der aktuelle Wert beträgt 1 Ampere – die Ladung bewegt sich in 1 Sekunde um 1 Coulomb.

Die Maßeinheit für Spannung ist Volt.
Der Spannungswert beträgt 1 Volt – die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten des elektrischen Feldes, die erforderlich ist, um Arbeit von 1 Joule zu verrichten, wenn eine Ladung von 1 Coulomb durchgelassen wird.

Bei Gleichrichtern und Umrichtern sind häufig folgende Parameter für konstante Spannung oder Strom wichtig:

Pulsationsbereich Spannung (Strom) – ein Wert, der der Differenz zwischen dem Maximal- und dem Minimalwert entspricht.
Welligkeitsfaktor- eine Menge, die dem Verhältnis entspricht effektiver Wert den Wechselanteil der Wechselspannung oder des Wechselstroms in seinen Gleichanteil Gleichstrom um.

2. Elektrischer Strom in Metallen. Experimenteller Nachweis der Natur elektrischer Ladungsträger in Metallen. Grundlagen der klassischen elektronischen Theorie der Leitfähigkeit in Metallen.

Die in der Theorie von Drude und Lorentz verankerte Idee der elektronischen Natur von Ladungsträgern in Metallen basiert auf einer Reihe klassischer experimenteller Beweise.

Das erste dieser Experimente ist das von Rikke (1901), bei dem im Laufe eines Jahres El. Der Strom wurde durch drei in Reihe geschaltete Metallzylinder (Cu, Al, Cu) mit demselben Radius und sorgfältig polierten Enden geleitet. Obwohl die durch die Zylinder strömende Gesamtladung einen enormen Wert erreichte (ca. 3,5 * C), wurden keine Veränderungen in der Masse der äußeren Metalle festgestellt. Dies war ein Beweis für die Annahme, dass Partikel mit extrem geringer Masse am Ladungstransfer beteiligt sind.

Trotz der geringen Masse der Ladungsträger besitzen sie die Eigenschaft der Trägheit, die in den Experimenten von Mandelstam und Papaleksi und dann in den Experimenten von Stewart und Tolman genutzt wurde, die eine Spule mit einer sehr großen Anzahl von Windungen zu einer riesigen Spule drehten Geschwindigkeit (ca. 300 m/s), und dann bremsten sie es stark ab. Infolgedessen erzeugte die Verschiebung der Ladungen aufgrund der Trägheit einen Stromimpuls, und wenn man die Abmessungen und den Widerstand des Leiters sowie die Stärke des im Experiment aufgezeichneten Stroms kannte, war es möglich, das Verhältnis der Ladung zur Masse zu berechnen das Teilchen, das dem für das Elektron erhaltenen Wert (1,7*C/kg) sehr nahe kam.

Grundlagen der klassischen elektronischen Theorie der Leitfähigkeit in Metallen

Die Existenz freier Elektronen in Metallen erklärt sich aus der Tatsache, dass bei der Bildung eines Kristallgitters eines Metalls (durch die Annäherung isolierter Atome) Valenzelektronen, die relativ schwach mit Atomkernen verbunden sind, vom Metall gelöst werden Atome werden „frei“ und können sich im gesamten Volumen bewegen. D. h. positive Metallionen befinden sich an den Knotenpunkten des Kristallgitters, und freie Elektronen bewegen sich chaotisch zwischen ihnen und bilden eine Art Elektronengas, die durchschnittliche freie Weglänge der Elektronen in der Größenordnung von m (Abstand zwischen Gitterknoten). Leitungselektronen kollidieren mit Gitterionen und übertragen Energie auf sie. Dadurch stellt sich ein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen dem Elektronengas und dem Gitter ein. Nach der Drude-Lorentz-Theorie Elektronen haben die gleiche thermische Bewegungsenergie wie die Moleküle eines idealen einatomigen Gases und bei Raumtemperaturen Die thermische Geschwindigkeit von Elektronen beträgt Größenordnungen / s, alle Elektronen werden als unabhängig betrachtet und um makroskopische Phänomene (z. B. Strom) zu erklären, reicht es aus, das Verhalten eines Elektrons zu kennen, um das Verhalten aller Elektronen zu bestimmen. Daher wird eine solche Theorie als „Ein-Elektronen-Näherung“ bezeichnet und liefert trotz ihrer Einfachheit einige zufriedenstellende Ergebnisse.

Die thermisch chaotische Bewegung von Elektronen kann nicht zum Auftreten von Strom führen. Wenn ein elektrisches Feld an einen Metallleiter angelegt wird, erfahren alle Elektronen eine gerichtete Bewegung, deren Geschwindigkeit aus der Stromdichte abgeschätzt werden kann – selbst bei sehr hohen Dichten (in der Größenordnung von 10–10 A/m) ist die Geschwindigkeit von Die geordnete Bewegung beträgt etwa m/s. Folglich kann bei der Berechnung die resultierende Geschwindigkeit der Elektronenbewegung (thermisch + geordnet) durch die Geschwindigkeit der thermischen Bewegung ersetzt werden.

Es stellt sich die Frage: Wie lässt sich die Tatsache der sofortigen Übertragung elektrischer Signale über große Entfernungen erklären? Tatsache ist, dass das elektrische Signal nicht von den Elektronen getragen wird, die am Anfang stehen Übertragungsleitungen, A elektrisches Feld, mit einer Geschwindigkeit von etwa 3 * m/s, wodurch fast augenblicklich alle Elektronen entlang der Kette in Bewegung geraten. Daher entsteht beim Schließen des Stromkreises fast augenblicklich elektrischer Strom

4.1. Eigenschaften des elektrischen Stroms. Bedingung für das Vorhandensein eines Leitungsstroms.

Elektrischer Strom- geordnete Bewegung geladener Teilchen. Als elektrischer Strom wird bezeichnet, der in leitenden Medien als Folge der geordneten Bewegung freier Ladungen unter dem Einfluss eines in diesen Medien erzeugten elektrischen Feldes entsteht Leitungsstrom. In Metallen sind Stromträger freie Elektronen, in Elektrolyten – negative und positive Ionen, in Halbleitern – Elektronen und Löcher, in Gasen – Ionen und Elektronen.

Die Richtung des elektrischen Stroms ist die Richtung der geordneten Bewegung positiver elektrischer Ladungen. In Wirklichkeit wird der Strom jedoch in Metallleitern durch die geordnete Bewegung von Elektronen erzeugt, die sich entgegen der Stromrichtung bewegen.

Aktuelle Stärke Skalar genannt physikalische Größe, gleich dem Ladungsverhältnis dq, in kurzer Zeit durch die betrachtete Oberfläche übertragen, auf den Wert dieses Intervalls: .

Elektrischer Strom heißt dauerhaft, wenn sich die Stromstärke und ihre Richtung im Laufe der Zeit nicht ändern. Für Gleichstrom.

Nach der klassischen Elektronentheorie beträgt die Stromstärke , Wo e- Ladung eines Elektrons, - Konzentration freier Elektronen in einem Leiter, - Geschwindigkeit der gerichteten Bewegung von Elektronen, S- Querschnittsfläche des Leiters. Die Stromeinheit in SI ist Ampere: 1 A = 1 C/s – die Stromstärke, bei der eine Ladung von 1 C in 1 s durch den Leiterquerschnitt fließt.

Die Richtung des elektrischen Stroms an verschiedenen Stellen der betrachteten Oberfläche und die Verteilung der Stromstärke über diese Oberfläche werden durch die Stromdichte bestimmt.

Stromdichtevektor ist entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung von Elektronen - Stromträgern in Metallen - gerichtet und ist numerisch gleich dem Verhältnis der Stromstärke durch ein kleines Oberflächenelement, normal zur Bewegungsrichtung geladener Teilchen, zum Wert dS Fläche dieses Elements: .

Stromstärke durch eine beliebige Oberfläche S:,wo ist die Projektion des Vektors J zur Normalrichtung.

Für einen homogenen Leiter.

Elektrischer Strom entsteht unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. In diesem Fall wird die (elektrostatische) Gleichgewichtsverteilung der Ladungen im Leiter gestört und seine Oberfläche und sein Volumen sind nicht mehr äquipotential. Im Inneren des Leiters entsteht ein elektrisches Feld, und die tangentiale Komponente der elektrischen Feldstärke liegt nahe der Oberfläche des Leiters. Der elektrische Strom in einem Leiter bleibt bestehen, bis alle Punkte des Leiters das gleiche Potenzial haben. Damit der Strom über die Zeit konstant bleibt, ist es notwendig, dass er in gleichen Zeitintervallen eine Flächeneinheit durchfließt. gleiche Gebühr, d.h. die elektrische Feldstärke an allen Stellen des Leiters, durch die dieser Strom fließt, blieb unverändert. Deshalb dürfen sich in einem Leiter, der Gleichstrom führt, nirgendwo Ladungen ansammeln oder abnehmen. Andernfalls würde sich das elektrische Feld dieser Ladungen ändern. Diese Bedingung bedeutet, dass der Gleichstromkreis geschlossen sein muss und die Stromstärke in allen Querschnitten des Stromkreises gleich sein muss.

Um auf dem Laufenden zu bleiben, ist es notwendig Quelle elektrische Energie - ein Gerät, in dem jede Art von Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.

Wenn in einem Leiter ein elektrisches Feld entsteht und keine Maßnahmen zu seiner Aufrechterhaltung ergriffen werden, verschwindet das Feld im Inneren des Leiters sehr schnell und der Strom hört auf. Um den Strom aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, eine Ladungszirkulation durchzuführen, bei der sie sich entlang einer geschlossenen Bahn bewegen. Die Zirkulation des elektrostatischen Feldvektors ist Null, daher muss es neben Bereichen, in denen sich positive Ladungen entlang der elektrischen Feldlinien bewegen, auch Bereiche geben, in denen eine Ladungsübertragung gegen die Kräfte des elektrischen Feldes erfolgt. Die Ladungsbewegung in diesen Bereichen ist durch Kräfte nichtelektrischen Ursprungs möglich, d.h. äußere Kräfte.

4.2. Elektromotorische Kraft. Stromspannung. Potenzieller unterschied.

Externe Kräfte zur Aufrechterhaltung des Stroms können durch die Arbeit charakterisiert werden, die sie an den Ladungen leisten. Die Menge, die der Arbeit äußerer Kräfte pro Einheit positiver Ladung entspricht, wird aufgerufen elektromotorische Kraft (EMF). Die in einem geschlossenen Kreislauf wirkende EMK kann als Zirkulation des Feldstärkevektors äußerer Kräfte definiert werden.

EMF wird in Volt ausgedrückt.

Stromspannung(oder Spannungsabfall) über einen Abschnitt des Stromkreises 1-2 ist eine physikalische Größe, die numerisch gleich der Arbeit ist, die das resultierende Feld aus elektrostatischen und äußeren Kräften verrichtet, wenn es sich von einem Punkt entlang einer Kette bewegt 1 genau 2 Einheit positive Ladung: .

In Abwesenheit äußerer Kräfte steigt die Spannung U stimmt mit der Potentialdifferenz überein.

4.2. Gesetze des Gleichstroms.

Im Jahr 1826 stellte der deutsche Wissenschaftler G. Ohm experimentell das Gesetz auf, nach dem die Stärke des durch einen homogenen Metallleiter fließenden Stroms proportional zum Spannungsabfall am Leiter ist: (Ohmsches Gesetz in Integralform). Homogen bezeichnet einen Leiter, in dem keine äußeren Kräfte wirken.

Größe R angerufen elektrischer Wiederstand Leiter, es hängt von den Eigenschaften des Leiters und seinen geometrischen Abmessungen ab: , wo - Widerstand, d.h. Widerstand eines 1 m 2 langen Leiters mit einer Querschnittsfläche von 1 m 2, - Länge des Leiters, S- Querschnittsfläche des Leiters. Der Widerstand eines Leiters ist ein Maß für den Widerstand des Leiters gegenüber der Entstehung eines elektrischen Stroms in ihm. Die Widerstandseinheit ist 1 Ohm. Ein Leiter hat einen Widerstand von 1 Ohm, wenn bei einer Potentialdifferenz von 1 V der Strom in ihm 1 A beträgt.

Verallgemeinert Ohmsches Gesetz für einen Abschnitt eines Stromkreises mit EMF: arbeiten elektrischer Wiederstand Abschnitt des Stromkreises für die Stromstärke darin ist gleich der Summe des Abfalls elektrisches Potenzial in diesem Bereich und die EMF aller im betrachteten Bereich enthaltenen elektrischen Energiequellen: .

Das verallgemeinerte Ohmsche Gesetz für einen Abschnitt eines Stromkreises drückt das Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung in Bezug auf einen Abschnitt eines Stromkreises aus.

Ohmsches Gesetz in Differentialform: Die Leitungsstromdichte ist proportional zur Spannung E elektrisches Feld im Leiter und fällt in der Richtung mit ihm zusammen, d.h. . Der Proportionalitätsfaktor heißt spezifische elektrische Leitfähigkeit des Mediums, und der Wert ist der elektrische Widerstand des Mediums.

Abhängigkeit des spezifischen Widerstands von der Temperatur ausgedrückt durch die Formel , Dabei ist der spezifische Widerstand bei , der thermische Widerstandskoeffizient, abhängig von den Eigenschaften des Leiters, und die Temperatur in Grad Celsius.

Viele Metalle und Legierungen verlieren bei Temperaturen unter 25 K vollständig ihren Widerstand und werden zu Supraleitern. Supraleitung ist ein Quantenphänomen. Wenn Strom in einem Supraleiter fließt, tritt kein Energieverlust auf. Ein sehr starkes Magnetfeld zerstört den supraleitenden Zustand.

Temperaturabhängigkeit:

Konsistent Von einer Leiterverbindung spricht man, wenn das Ende eines Leiters mit dem Anfang eines anderen Leiters verbunden wird. Der Strom, der durch in Reihe geschaltete Leiter fließt, ist derselbe. Der Gesamtwiderstand des Stromkreises ist gleich der Summe der Widerstände aller im Stromkreis enthaltenen Einzelleiter: .

Parallel Von einer Verbindung von Leitern spricht man, wenn ein Ende aller Leiter zu einem Knoten verbunden ist, die anderen Enden zu einem anderen . Bei parallele Verbindung die Spannung in allen Leitern ist gleich, gleich der Potentialdifferenz an den Verbindungsknoten: . Die Leitfähigkeit (also der Kehrwert des Widerstands) aller parallel geschalteten Leiter ist gleich der Summe der Leitfähigkeiten aller Einzelleiter: .

Ohmsches Gesetz für komplette Kette : Ein vollständig geschlossener Stromkreis besteht aus einem äußeren Widerstand R und eine Stromquelle mit einer EMK gleich , und innerer Widerstand . Die Stromstärke in einem kompletten Stromkreis ist direkt proportional zur EMK der Stromquelle und umgekehrt proportional zum Gesamtwiderstand des Stromkreises: .

Gleicher elektrischer Strom ist die kontinuierliche Bewegung von Elektronen von einem Bereich negativer (-) zu einem Bereich positiver (+) Ladung durch ein leitendes Material wie einen Metalldraht. Obwohl es sich bei statischen Entladungen um spontane Bewegungen geladener Teilchen von einer negativ zu einer positiv geladenen Oberfläche handelt, gibt es keine kontinuierliche Bewegung der Teilchen durch einen Leiter.

Um einen Elektronenfluss zu erzeugen, ist ein Gleichstromkreis erforderlich. Es ist eine Energiequelle (z. B. eine Batterie) und ein Leiter, der vom Pluspol zum Minuspol führt. In den Stromkreis können verschiedene elektrische Geräte einbezogen werden.

Kontinuierliche Bewegung von Elektronen

Gleichstrom ist die kontinuierliche Bewegung von Elektronen durch ein leitendes Material wie einen Metalldraht. Geladene Teilchen bewegen sich in Richtung eines positiven (+) Potentials. Um den Stromfluss zu erzeugen, ist ein Stromkreis erforderlich, der aus einer Gleichstromquelle und einem Draht besteht, um einen geschlossenen Kreislauf zu bilden. Ein gutes Beispiel Eine solche Schaltung ist eine Taschenlampe.

Obwohl sich negativ geladene Elektronen durch den Draht zum Pluspol (+) der Stromquelle bewegen, wird der Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung angezeigt. Dies ist das Ergebnis einer gescheiterten und verwirrenden Vereinbarung. Wissenschaftler, die mit Strömen experimentierten, glaubten, dass sich Elektrizität von (+) nach (-) bewegt, und dies wurde bereits vor der Entdeckung der Elektronen allgemein akzeptiert. In Wirklichkeit bewegen sich negativ geladene Teilchen zum Pluspol, entgegen der als Stromflussrichtung angegebenen Richtung. Es ist verwirrend, aber sobald eine Vereinbarung getroffen wurde, ist es schwierig, etwas zu reparieren.

Spannung, Strom und Widerstand

Strom, der durch einen Draht oder einen anderen Leiter fließt, wird durch die Spannung U, den Strom I und den Widerstand R charakterisiert. Spannung ist potentielle Energie. Der Strom stellt den Elektronenfluss in einem Leiter dar, und der Widerstand stellt die Kraft seiner Reibung dar.

Gleichstrom kann man sich gut als Analogie zu Wasser vorstellen, das durch einen Schlauch fließt. Spannung ist das Potenzial, das sich an einem Ende eines Drahtes aufgrund eines Überschusses an negativ geladenen Elektronen aufbaut. Dies ähnelt einem erhöhten Wasserdruck in einem Schlauch. Das Potenzial bewirkt, dass Elektronen durch den Draht in einen Bereich positiver Ladung wandern. Das potenzielle Energie Spannung genannt und in Volt gemessen.

Gleichstrom ist der Elektronenfluss, gemessen in Ampere. Sie ähnelt der Geschwindigkeit von Wasser, das durch einen Schlauch fließt.

Ohm ist eine Maßeinheit für den elektrischen Widerstand. Die Atome des Leiters sind so angeordnet, dass Elektronen mit geringer Reibung passieren können. In Isolatoren oder schlechten Leitern bieten Atome starken Widerstand oder verhindern die Bewegung geladener Teilchen. Dies ähnelt der Reibung von Wasser in einem Schlauch, wenn es durch diesen hindurchfließt.

Spannung ist also wie Druck, Fluss ist wie Strom und hydraulischer Widerstand- elektrisch.

Erzeugung von Gleichstrom

Obwohl statische Elektrizität über einen Metalldraht entladen werden kann, handelt es sich dabei nicht um eine Gleichstromquelle. Dies sind Batterien und Generatoren.

Batterien nutzen Gleichstrom, um Gleichstrom zu erzeugen. chemische Reaktionen. Zum Beispiel, Autobatterie besteht aus Bleiplatten, die in eine Schwefelsäurelösung gelegt werden. Wenn die Platten vom Stromnetz oder der Lichtmaschine des Autos aufgeladen werden, verändern sie sich chemisch und halten die Ladung. Diese Gleichstromquelle kann dann zum Betreiben von Autoscheinwerfern usw. verwendet werden. Das Problem besteht darin, dass Schwefelsäure sehr ätzend und gefährlich ist.

Sie können aus einer Zitrone selbst eine weitere Batterie herstellen. Es erfordert keine Aufladung, sondern hängt von der Säurereaktion verschiedener Metalle ab. Kupfer und Zink funktionieren am besten. Kann verwendet werden Kupferkabel oder eine Münze. Als weitere Elektrode kann ein verzinkter Nagel verwendet werden. Eisen funktioniert auch, aber nicht so gut. Einfach reinstecken Kupferkabel und einen verzinkten Nagel in eine normale Zitrone und messen Sie die Spannung zwischen ihnen mit einem Voltmeter. Einige Leute haben es sogar geschafft, mit dieser Batterie eine Taschenlampe anzuzünden.

Eine zuverlässige Quelle ist ein Generator, der aus einem Draht besteht, der zwischen den Nord- und Südpolen eines Magneten gewickelt ist.

Gleichstrom ist also die kontinuierliche Bewegung von Elektronen vom negativen zum positiven Pol eines Leiters, beispielsweise eines Metalldrahts. Für den Durchgang geladener Teilchen ist ein Kreislauf erforderlich. Darin ist die Richtung der Strombewegung entgegengesetzt zum Elektronenfluss. Ein Stromkreis wird durch Größen wie Spannung, Strom und Widerstand charakterisiert. Gleichstromquellen sind Batterien und Generatoren.

Stromkreise

Ein Gleichstromkreis besteht aus einer Quelle, an deren Polen Leiter angeschlossen sind, die Empfänger in einem geschlossenen Stromkreis verbinden. Dies ist Voraussetzung für den Stromdurchgang. Stromkreise können in Reihe, parallel oder kombiniert sein.

Wenn Sie eine Gleichstromquelle, beispielsweise eine Batterie, nehmen und deren Plus- und Minuspole über Drähte mit einer Last, beispielsweise einer Glühbirne, verbinden, entsteht ein Stromkreis. Mit anderen Worten: Strom fließt von einem Pol der Batterie zum anderen. In Reihe mit der Lampe kann ein Schalter eingebaut werden, der bei Bedarf die Zufuhr von Gleichstrom regelt.

Gleichstromversorgungen

Die Schaltung benötigt eine Stromquelle. Typischerweise wird hierfür eine Batterie oder ein Akku verwendet. Eine weitere Energiequelle ist ein Gleichstromgenerator. Alternativ können Sie Wechselstrom durch einen Gleichrichter leiten. Ein gängiger Adapter, der bei einigen tragbaren Geräten (z. B. Smartphones) verwendet wird, wandelt 220 V Wechselstrom in 5 V Gleichstrom um.

Dirigenten

Die Leitungen und die Last müssen Strom leiten. Kupfer oder Aluminium sind gute Leiter und haben einen geringen Widerstand. Der Wolframfaden in einer Glühlampe leitet Strom, hat aber einen hohen Widerstand, wodurch er heiß wird und glüht.

Serielle und parallele Verbindung

In einem Stromkreis können mehrere Geräte, beispielsweise Glühbirnen, in einer einzigen Leitung zwischen dem Plus- und dem Minuspol einer Batterie angeschlossen werden. Diese Verbindung wird als seriell bezeichnet. Ein Problem bei dieser Anordnung besteht darin, dass eine Glühbirne, wenn sie durchbrennt, als Schalter fungiert und den gesamten Stromkreis abschaltet.

Empfänger können auch parallel geschaltet werden, so dass beim Ausfall einer Lampe der Stromkreis nicht stromlos wird. Parallelschaltung Das Schalten kommt nicht nur bei Christbaumgirlanden zum Einsatz, auch die elektrische Verkabelung in Häusern erfolgt parallel. Dadurch können Beleuchtung und Geräte unabhängig voneinander ein- und ausgeschaltet werden.

Ohm'sches Gesetz

Zu den Gesetzen des elektrischen Gleichstroms gehört das Ohmsche Gesetz, die grundlegendste Formel für elektrische Schaltkreise. Demnach ist der durch einen Leiter fließende Strom direkt proportional zur Potentialdifferenz über ihm. Das Gesetz wurde erstmals 1827 formuliert Deutscher Physiker Georg Ohm, als er die Leitfähigkeit von Metallen untersuchte. Das Ohmsche Gesetz beschreibt am besten einfache Gleichstromkreise. Obwohl es auch gilt für Wechselstrom, in diesem Fall sollten andere mögliche Variablen berücksichtigt werden. Der Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Widerstand ermöglicht die Berechnung einer physikalischen Größe, wenn die Werte der anderen beiden bekannt sind.

Das Ohmsche Gesetz zeigt vereinfacht den Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und Widerstand Stromkreis . In seiner einfachsten Form wird es durch die Gleichung U = I × R geschrieben. Dabei ist U die Spannung in Volt, I der Strom in Ampere und R der Widerstand in Ohm. Wenn also I und R bekannt sind, kann U berechnet werden. Bei Bedarf kann die Formel mit algebraischen Methoden modifiziert werden. Wenn beispielsweise U und R bekannt sind und I gefunden werden muss, sollte die Gleichung I = U / R verwendet werden. Oder wenn U und I gegeben sind und R berechnet werden muss, dann gilt der Ausdruck R = U / Ich sollte benutzt werden.

Die Bedeutung des Ohmschen Gesetzes besteht darin, dass, wenn der Wert zweier Variablen in einer Gleichung bekannt ist, die dritte bestimmt werden kann. Jede dieser physikalischen Größen kann mit einem Voltmeter gemessen werden. Die meisten Voltmeter oder Multimeter messen U, I, R von elektrischem Gleich- und Wechselstrom.

Berechnung von U, I, R

Die elektrische Gleichspannung mit bekanntem Strom und Widerstand kann mit der Formel U = I × R ermittelt werden. Wenn beispielsweise I = 0,2 A und R = 1000 Ohm, dann ist U = 0,2 A * 1000 Ohm = 200 V.

Wenn Spannung und Widerstand bekannt sind, kann der Strom mit der Gleichung I = V / R berechnet werden. Wenn beispielsweise U = 110 V und R = 22000 Ohm, dann ist I = 110 V / 22000 Ohm = 0,005 A.

Wenn Spannung und Strom bekannt sind, dann ist R = V / I. Wenn V = 220 V und I = 5 A, dann ist R = 220 V / 5 A = 44 Ohm.

Auf diese Weise, Das Ohmsche Gesetz zeigt den Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und Widerstand in einem einfachen Stromkreis. Es kann sowohl auf Gleich- als auch auf Wechselstromkreise angewendet werden.

Gleichstrom

Eine Ladung, die sich in einem Stromkreis bewegt (sofern es sich nicht um einen Supraleiter handelt), verbraucht Energie. Dies kann dazu führen, dass der Motor überhitzt oder durchdreht. Elektrische Energie ist die Geschwindigkeit, mit der elektrische Energie in eine andere Form umgewandelt wird, z mechanische Energie, Hitze oder Licht. Sie entspricht dem Produkt aus Strom und Spannung: P = U × I. Gemessen in Watt. Wenn beispielsweise U = 220 V und I = 0,5 A, dann ist P = 220 V * 0,5 A = 110 W.

In Physik für die 11. Klasse (Kasyanov V.A., 2002),
Aufgabe №17
zum Kapitel „ Konstanter elektrischer Strom. GRUNDPUNKTE».

Elektrischer Strom

Elektrischer Strom- geordnete (gerichtete) Bewegung geladener Teilchen. Eine gerichtete Bewegung freier Ladungen (Stromträger) in einem Leiter ist unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes möglich

Unter Stromrichtung versteht man die Bewegungsrichtung positiv geladener Teilchen.

Aktuelle Stärke zu einem bestimmten Zeitpunkt- skalare physikalische Größe, die der Grenze des Verhältnisses der Menge entspricht elektrische Ladung, der durch den Querschnitt des Leiters verläuft, zum Zeitintervall seines Durchgangs

Die Stromeinheit (SI-Basiseinheit) ist Ampere (1 A) 1 A = 1 C/s

Gleichstrom - Strom, dessen Stärke sich im Laufe der Zeit nicht ändert

Aktuelle Quelle- ein Gerät, das positive und negative Ladungen trennt

Äußere Kräfte- Kräfte nichtelektrostatischen Ursprungs, die eine Ladungstrennung in der Stromquelle bewirken

EMF- eine skalare physikalische Größe, die dem Verhältnis der Arbeit äußerer Kräfte zur Bewegung einer positiven Ladung vom negativen Pol der Stromquelle zum positiven zum Wert dieser Ladung entspricht:

EMF ist gleich der Spannung zwischen den Polen einer offenen Stromquelle.

Ohmsches Gesetz für einen homogenen Leiter (Abschnitt eines Stromkreises): Die Stromstärke in einem homogenen Leiter ist direkt proportional zur angelegten Spannung und umgekehrt proportional zum Widerstand des Leiters

Der Widerstand eines Leiters ist direkt proportional zu seinem spezifischen Widerstand und seiner Länge und umgekehrt proportional zu seiner Querschnittsfläche

Die Widerstandseinheit ist Ohm (1 Ohm) 1 Ohm = 1 V/A

Widerstand- ein Leiter mit einem bestimmten konstanten Widerstand

Widerstand - eine skalare physikalische Größe, numerisch gleich dem Widerstand eines homogenen zylindrischen Leiters mit Einheitslänge und Einheitsfläche.

Die Einheit des spezifischen Widerstands ist das Ohmmeter (1 Ohm·m).

Der spezifische Widerstand eines Metallleiters steigt linear mit der Temperatur:

wobei ρ 0 der spezifische Widerstand bei T 0 = 293 K ist, ΔT = T - T 0 , α der Temperaturkoeffizient des Widerstands ist. Einheit des Temperaturkoeffizienten des Widerstands K -1. Der spezifische Widerstand eines Halbleiters nimmt mit steigender Temperatur ab, da die Anzahl freier Ladungen zunimmt, die elektrischen Strom transportieren können.

Loch- freier elektronischer Zustand in Kristallgitter eine überschüssige positive Ladung haben.

Supraleitung- physikalisches Phänomen, was in einem abrupten Abfall des Widerstands des Stoffes auf Null besteht.

Kritische Temperatur- Temperatur des abrupten Übergangs eines Stoffes von normale Vorraussetzungen in Supraleitung.

Isotopischer Effekt- Abhängigkeit der kritischen Temperatur von der Ionenmasse im Kristallgitter.

Der elektrische Strom in einem Supraleiter wird durch die koordinierte Bewegung von Elektronenpaaren verursacht, die durch Wechselwirkung mit dem Kristallgitter miteinander verbunden sind

Bei serielle Verbindung Bei Widerständen ist der Gesamtwiderstand des Stromkreises gleich der Summe ihrer Widerstände. Wenn Widerstände parallel geschaltet sind, ist die Leitfähigkeit des Stromkreises gleich der Summe ihrer Leitfähigkeiten Ohmsches Gesetz für einen geschlossenen Stromkreis: Die Stromstärke in einem geschlossenen Stromkreis ist direkt proportional zur EMK der Quelle und umgekehrt proportional zum Gesamtwiderstand des Stromkreises:

wobei R und r extern sind und innerer Widerstand Ketten.

Ohmsches Gesetz für einen geschlossenen Stromkreis mit mehreren in Reihe geschalteten Stromquellen:

Die Stromstärke in einem geschlossenen Stromkreis mit in Reihe geschalteten Stromquellen ist direkt proportional zur algebraischen Summe ihrer EMK und umgekehrt proportional zum Gesamtwiderstand des Stromkreises:

Amperemeter misst die Stärke des elektrischen Stroms und ist in Reihe zum Stromkreis geschaltet

Shunt- ein parallel zum Amperemeter geschalteter Leiter, um dessen Messgrenze zu erhöhen*

wobei R A der Widerstand des Amperemeters ist, n der Änderungsfaktor der Messgrenze.

Voltmeter Maßnahmen elektrische Spannung. Parallel zum Stromkreis geschaltet

Zusätzlicher Widerstand - ein Leiter, der mit einem Voltmeter in Reihe geschaltet ist, um seinen Messbereich zu vergrößern.

Dabei ist R v der Widerstand des Voltmeters. Die im Leiter freigesetzte Wärmemenge entspricht der vom elektrischen Strom geleisteten Arbeit.

Joule-Lenz-Gesetz: Die in einem stromdurchflossenen Leiter erzeugte Wärmemenge ist gleich dem Produkt aus dem Quadrat der Stromstärke, dem Widerstand des Leiters und der Zeit, die der Strom durch ihn fließt:

Elektrische Stromstärke - geleistete Arbeit pro Zeiteinheit elektrisches Feld mit der geordneten Bewegung geladener Teilchen in einem Leiter

Der Verbraucher wird übertragen maximale Leistung, wenn der Lastwiderstand gleich dem Gesamtwiderstand der Stromquelle und der Versorgungsleitungen ist

Flüssigkeiten, wie Feststoffe können elektrische Stromleiter sein

Elektrolyte- Stoffe, deren Lösungen und Schmelzen ionische Leitfähigkeit besitzen.

Elektrolytische Dissoziation - Aufspaltung von Elektrolytmolekülen in positive und negative Ionen unter dem Einfluss von Lösungsmittel

Elektrolyse- Freisetzung von Substanzen, aus denen der Elektrolyt besteht, an den Elektroden, wenn ein elektrischer Strom durch seine Lösung (oder Schmelze) fließt.

Faradaysches Gesetz: Die Masse des an der Elektrode freigesetzten Stoffes ist direkt proportional zur durch die Elektrolytlösung (Schmelze) fließenden Ladung. wobei k das elektrochemische Äquivalent der Substanz ist.

Die Einheit des elektrochemischen Äquivalents ist Kilogramm pro Coulomb (1 kg/C).

Kombiniertes Faradaysches Gesetz:

wo M - Molmasse, n - Wertigkeit Chemisches Element; Faradaysche Konstante F = 9,65-10 4 C/mol.