Τι είδους ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται σταθερό. Σταθερό ηλεκτρικό ρεύμα. βασικές διατάξεις

4.1. Χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού ρεύματος. Προϋπόθεση ύπαρξης ρεύματος αγωγιμότητας.

Ηλεκτρική ενέργεια- διατεταγμένη κίνηση φορτισμένων σωματιδίων. Το ηλεκτρικό ρεύμα που προκύπτει στα αγώγιμα μέσα ως αποτέλεσμα της διατεταγμένης κίνησης των δωρεάν φορτίων υπό την επίδραση του ηλεκτρικό πεδίοπου δημιουργείται σε αυτά τα περιβάλλοντα ονομάζεται ρεύμα αγωγιμότητας. Στα μέταλλα, οι φορείς ρεύματος είναι ελεύθερα ηλεκτρόνια, στους ηλεκτρολύτες - αρνητικά και θετικά ιόντα, στους ημιαγωγούς - ηλεκτρόνια και οπές, στα αέρια - ιόντα και ηλεκτρόνια.

Η κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος είναι η κατεύθυνση της διατεταγμένης κίνησης του θετικού ηλεκτρικά φορτία. Αλλά στην πραγματικότητα, στους μεταλλικούς αγωγούς, το ρεύμα πραγματοποιείται από τη διατεταγμένη κίνηση των ηλεκτρονίων, τα οποία κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση από την κατεύθυνση του ρεύματος.

Τρέχουσα δύναμηπου ονομάζεται βαθμωτός φυσική ποσότητα, ίσο με την αναλογία φόρτισης dq,μεταφέρεται μέσω της υπό εξέταση επιφάνειας σε σύντομο χρονικό διάστημα, στην τιμή αυτού του διαστήματος: .

Ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται μόνιμος, εάν η ένταση του ρεύματος και η κατεύθυνσή του δεν αλλάξουν με την πάροδο του χρόνου. Για συνεχές ρεύμα.

Σύμφωνα με την κλασική θεωρία ηλεκτρονίων, η ένταση του ρεύματος είναι , Οπου μι- φορτίο ηλεκτρονίου, - συγκέντρωση ελεύθερων ηλεκτρονίων σε έναν αγωγό, - ταχύτητα κατευθυντικής κίνησης ηλεκτρονίων, μικρό- περιοχή διατομής του αγωγού. Η μονάδα ρεύματος στο SI είναι αμπέρ: 1 A = 1 C/s - η ισχύς του ρεύματος με την οποία ένα φορτίο 1 C διέρχεται από τη διατομή του αγωγού σε 1 s.

Η κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος σε διάφορα σημεία της υπό εξέταση επιφάνειας και η κατανομή της ισχύος του ρεύματος σε αυτήν την επιφάνεια καθορίζονται από την πυκνότητα του ρεύματος.

Διάνυσμα πυκνότητας ρεύματοςκατευθύνεται αντίθετα από την κατεύθυνση κίνησης των ηλεκτρονίων - φορείς ρεύματος σε μέταλλα και είναι αριθμητικά ίση με την αναλογία της ισχύος ρεύματος μέσω ενός μικρού επιφανειακού στοιχείου, κάθετη προς την κατεύθυνση κίνησης των φορτισμένων σωματιδίων, προς την τιμή dSπεριοχή αυτού του στοιχείου: .

Αντοχή ρεύματος μέσω μιας αυθαίρετης επιφάνειας ΜΙΚΡΟ:,που είναι η προβολή του διανύσματος ιπρος την κανονική κατεύθυνση.

Για ομοιογενή αγωγό.

Το ηλεκτρικό ρεύμα προκύπτει υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου. Σε αυτή την περίπτωση, η κατανομή ισορροπίας (ηλεκτροστατική) των φορτίων στον αγωγό διακόπτεται και η επιφάνεια και ο όγκος του παύουν να είναι ισοδυναμικοί. εμφανίζεται μέσα στον αγωγό ηλεκτρικό πεδίοκαι την εφαπτομενική συνιστώσα της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια του αγωγού. Το ηλεκτρικό ρεύμα σε έναν αγωγό συνεχίζεται έως ότου όλα τα σημεία του αγωγού γίνουν ισοδυναμικά. Προκειμένου το ρεύμα να είναι σταθερό με την πάροδο του χρόνου, είναι απαραίτητο σε ίσα χρονικά διαστήματα να διατρέχει μια μονάδα επιφάνειας. ίδια χρέωση, δηλ. η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου σε όλα τα σημεία του αγωγού μέσω των οποίων ρέει αυτό το ρεύμα παρέμεινε αμετάβλητη. Επομένως, τα φορτία δεν πρέπει να συσσωρεύονται ή να μειώνονται πουθενά σε έναν αγωγό που μεταφέρει συνεχές ρεύμα. Διαφορετικά, το ηλεκτρικό πεδίο αυτών των φορτίων θα άλλαζε. Αυτή η συνθήκη σημαίνει ότι το κύκλωμα συνεχούς ρεύματος πρέπει να είναι κλειστό και η ισχύς του ρεύματος πρέπει να είναι ίδια σε όλες τις διατομές του κυκλώματος.

Για να διατηρηθεί το ρεύμα είναι απαραίτητο πηγή ηλεκτρική ενέργεια - μια συσκευή στην οποία κάθε τύπος ενέργειας μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια.

Εάν δημιουργηθεί ηλεκτρικό πεδίο σε έναν αγωγό και δεν ληφθούν μέτρα για τη διατήρησή του, τότε πολύ γρήγορα το πεδίο μέσα στον αγωγό θα εξαφανιστεί και το ρεύμα θα σταματήσει. Για να διατηρηθεί το ρεύμα, είναι απαραίτητο να πραγματοποιηθεί μια κυκλοφορία φορτίων στην οποία θα κινούνται κατά μήκος μιας κλειστής διαδρομής. Η κυκλοφορία του διανύσματος ηλεκτροστατικού πεδίου είναι μηδέν, επομένως, μαζί με τις περιοχές στις οποίες τα θετικά φορτία κινούνται κατά μήκος των γραμμών ηλεκτρικού πεδίου, πρέπει να υπάρχουν περιοχές στις οποίες λαμβάνει χώρα μεταφορά φορτίου έναντι των δυνάμεων του ηλεκτρικού πεδίου. Η κίνηση των φορτίων σε αυτές τις περιοχές είναι δυνατή με τη χρήση δυνάμεων μη ηλεκτρικής προέλευσης, δηλ. εξωτερικές δυνάμεις.

4.2. Ηλεκτροκινητική δύναμη. Τάση. Πιθανή διαφορά.

Οι εξωγενείς δυνάμεις για τη διατήρηση του ρεύματος μπορούν να χαρακτηριστούν από τη δουλειά που κάνουν στα φορτία. Η ποσότητα ίση με το έργο των εξωτερικών δυνάμεων ανά μονάδα θετικού φορτίου ονομάζεται ηλεκτροκινητική δύναμη(EMF).Το emf που ενεργεί σε ένα κλειστό κύκλωμα μπορεί να οριστεί ως η κυκλοφορία του διανύσματος έντασης πεδίου των εξωτερικών δυνάμεων.

Το EMF εκφράζεται σε βολτ.

Τάση(ή πτώση τάσης) σε ένα τμήμα του κυκλώματος 1-2 είναι ένα φυσικό μέγεθος που είναι αριθμητικά ίσο με το έργο που εκτελείται από το προκύπτον πεδίο ηλεκτροστατικών και εξωτερικών δυνάμεων όταν κινείται κατά μήκος μιας αλυσίδας από ένα σημείο 1 ακριβώς 2 μονάδα θετικού φορτίου: .

Ελλείψει εξωτερικών δυνάμεων, η τάση Uσυμπίπτει με τη διαφορά δυναμικού.

4.2. Νόμοι συνεχούς ρεύματος.

Το 1826, ο Γερμανός επιστήμονας G. Ohm καθιέρωσε πειραματικά τον νόμο σύμφωνα με τον οποίο η ισχύς του ρεύματος που διαρρέει έναν ομοιογενή μεταλλικό αγωγό είναι ανάλογη με την πτώση τάσης στον αγωγό: (Νόμος του Ohm σε ακέραια μορφή). Ομοιογενήςονομάζεται αγωγός στον οποίο δεν δρουν εξωτερικές δυνάμεις.

Μέγεθος Rπου ονομάζεται ηλεκτρική αντίσταση αγωγός, εξαρτάται από τις ιδιότητες του αγωγού και τις γεωμετρικές του διαστάσεις: , όπου - αντίσταση, δηλ. αντίσταση αγωγού μήκους 1 m 2 με επιφάνεια διατομής 1 m 2, - μήκος αγωγού, ΜΙΚΡΟ-περιοχή διατομής του αγωγού. Η αντίσταση ενός αγωγού είναι ένα μέτρο της αντίστασης του αγωγού στη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος σε αυτόν. Η μονάδα αντίστασης είναι 1 ohm. Ένας αγωγός έχει αντίσταση 1 Ohm εάν, σε διαφορά δυναμικού 1 V, το ρεύμα σε αυτόν είναι 1 A.

Γενικευμένη Ο νόμος του Ohm για ένα τμήμα ενός κυκλώματος με EMF: το γινόμενο της ηλεκτρικής αντίστασης ενός τμήματος κυκλώματος και του ρεύματος σε αυτό είναι ίσο με το άθροισμα της πτώσης ηλεκτρικό δυναμικόσε αυτόν τον τομέα και το EMF όλων των πηγών ηλεκτρικής ενέργειας που περιλαμβάνονται στην υπό εξέταση περιοχή: .

Ο γενικευμένος νόμος του Ohm για ένα τμήμα ενός κυκλώματος εκφράζει το νόμο της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας σε σχέση με ένα τμήμα ενός κυκλώματος ηλεκτρικού ρεύματος.

Ο νόμος του Ohm σε διαφορική μορφή: η πυκνότητα του ρεύματος αγωγιμότητας είναι ανάλογη της τάσης μιηλεκτρικό πεδίο στον αγωγό και συμπίπτει με αυτόν κατά διεύθυνση, δηλ. . Ο συντελεστής αναλογικότητας ονομάζεται ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα του μέσου, και η τιμή είναι η ηλεκτρική ειδική αντίσταση του μέσου.

Εξάρτηση της ειδικής αντίστασης από τη θερμοκρασίαεκφράζεται με τον τύπο , όπου είναι η ειδική αντίσταση στο , είναι ο θερμικός συντελεστής αντίστασης, ανάλογα με τις ιδιότητες του αγωγού, και είναι η θερμοκρασία σε βαθμούς Κελσίου.

Πολλά μέταλλα και κράματα χάνουν εντελώς την αντίστασή τους σε θερμοκρασίες κάτω των 25Κ και γίνονται υπεραγωγοί. Υπεραγωγιμότηταείναι ένα κβαντικό φαινόμενο. Όταν ρέει ρεύμα σε έναν υπεραγωγό, δεν υπάρχει απώλεια ενέργειας. Ένα πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο καταστρέφει την υπεραγώγιμη κατάσταση.

Εξάρτηση από τη θερμοκρασία:

ΣταθερόςΣύνδεση αγωγών ονομάζεται όταν το άκρο ενός αγωγού συνδέεται με την αρχή ενός άλλου. Το ρεύμα που ρέει μέσω των σειριακών συνδεδεμένων αγωγών είναι το ίδιο. Η συνολική αντίσταση του κυκλώματος είναι ίση με το άθροισμα των αντιστάσεων όλων των επιμέρους αγωγών που περιλαμβάνονται στο κύκλωμα: .

Παράλληλομια σύνδεση αγωγών ονομάζεται όταν ένα άκρο όλων των αγωγών είναι συνδεδεμένο σε έναν κόμβο, τα άλλα άκρα σε έναν άλλο . Στο παράλληλη σύνδεσηη τάση σε όλους τους αγωγούς είναι ίδια, ίση με τη διαφορά δυναμικού στους κόμβους σύνδεσης: . Η αγωγιμότητα (δηλαδή η αντίστροφη αντίσταση) όλων των παράλληλα συνδεδεμένων αγωγών είναι ίση με το άθροισμα των αγωγιμότητας όλων των μεμονωμένων αγωγών: .

Ο νόμος του Ohm για ένα πλήρες κύκλωμα: ένα πλήρες κλειστό κύκλωμα αποτελείται από εξωτερική αντίσταση Rκαι μια πηγή ρεύματος με emf ίσο με , και εσωτερική αντίσταση . Η ισχύς του ρεύματος σε ένα πλήρες κύκλωμα είναι ευθέως ανάλογη με το emf της πηγής ρεύματος και αντιστρόφως ανάλογη με τη συνολική αντίσταση του κυκλώματος: .

2.1. Συνεχής ηλεκτρική ενέργεια.
Τρέχουσα δύναμη. Τωρινή πυκνότητα

Ηλεκτρικό ρεύμα είναι η κατευθυντική κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων. Εάν μια ουσία περιέχει φορείς ελεύθερου φορτίου - ηλεκτρόνια, ιόντα, ικανά να κινούνται σε σημαντικές αποστάσεις, τότε με την παρουσία ηλεκτρικού πεδίου αποκτούν κατευθυντική κίνηση, η οποία υπερτίθεται στη θερμική χαοτική τους κίνηση. Ως αποτέλεσμα, οι φορείς δωρεάν φόρτισης μετακινούνται προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.

Ένα ποσοτικό χαρακτηριστικό του ηλεκτρικού ρεύματος είναι η ποσότητα φορτίου που μεταφέρεται μέσω της υπό εξέταση επιφάνειας ανά μονάδα χρόνου. Ονομάζεται ένταση ρεύματος. Εάν το φορτίο D μεταφερθεί μέσω της επιφάνειας με την πάροδο του χρόνου q, τότε η τρέχουσα ισχύς είναι:

Η μονάδα ρεύματος στο σύστημα μονάδων SI είναι Ampere (A), . Ένα ρεύμα που δεν αλλάζει με την πάροδο του χρόνου ονομάζεται σταθερό.

Τόσο οι θετικοί όσο και οι αρνητικοί φορείς μπορούν να συμμετέχουν στη δημιουργία ρεύματος. το ηλεκτρικό πεδίο τα κινεί προς αντίθετες κατευθύνσεις. Η κατεύθυνση του ρεύματος καθορίζεται συνήθως από την κατεύθυνση κίνησης των θετικών φορέων. Στην πραγματικότητα, το ρεύμα στις περισσότερες περιπτώσεις δημιουργείται από την κίνηση των ηλεκτρονίων, τα οποία, όντας αρνητικά φορτισμένα, κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση από αυτή που λαμβάνεται για την κατεύθυνση του ρεύματος. Εάν θετικοί και αρνητικοί φορείς κινούνται ταυτόχρονα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, τότε πλήρες ρεύμαορίζεται ως το άθροισμα των ρευμάτων που σχηματίζονται από τους φορείς κάθε ζωδίου.

Για τον ποσοτικό χαρακτηρισμό του ηλεκτρικού ρεύματος χρησιμοποιείται επίσης μια άλλη ποσότητα, η οποία ονομάζεται πυκνότητα ρεύματος. Η πυκνότητα ρεύματος είναι η ποσότητα ίσο με χρέωσηπερνώντας ανά μονάδα χρόνου από μονάδα επιφάνειας κάθετη προς την κατεύθυνση κίνησης των φορτίων. Η πυκνότητα ρεύματος είναι μια διανυσματική ποσότητα.

Ρύζι. 3.1

Ας υποδηλώσουμε με nσυγκέντρωση των φορέων ρεύματος, δηλαδή ο αριθμός τους ανά μονάδα όγκου. Ας σχεδιάσουμε μια απειροελάχιστη περιοχή D σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα μικρό, κάθετα στην ταχύτητα των φορτισμένων σωματιδίων. Ας κατασκευάσουμε έναν απείρως κοντό ευθύ κύλινδρο με ύψος πάνω του, όπως φαίνεται στο Σχ. 3.1. Όλα τα σωματίδια που περικλείονται μέσα σε αυτόν τον κύλινδρο θα περάσουν μέσα από την περιοχή εγκαίρως, μεταφέροντας ένα ηλεκτρικό φορτίο μέσω αυτής προς την κατεύθυνση της ταχύτητας:

Έτσι, ένα ηλεκτρικό φορτίο μεταφέρεται μέσω μιας μονάδας επιφάνειας ανά μονάδα χρόνου. Ας εισάγουμε ένα διάνυσμα που συμπίπτει σε κατεύθυνση με το διάνυσμα της ταχύτητας. Το διάνυσμα που προκύπτει θα είναι η πυκνότητα του ηλεκτρικού ρεύματος. Εφόσον υπάρχει ογκομετρική πυκνότητα φορτίου, η πυκνότητα ρεύματος θα είναι ίση με . Εάν οι φορείς ρεύματος είναι τόσο θετικά όσο και αρνητικά φορτία, τότε η πυκνότητα ρεύματος καθορίζεται από τον τύπο:

,

που και - χύδην πυκνότητεςθετικά και αρνητικά φορτία και – την ταχύτητα της διατεταγμένης κίνησής τους.

Το διανυσματικό πεδίο μπορεί να απεικονιστεί χρησιμοποιώντας γραμμές ρεύματος, οι οποίες κατασκευάζονται με τον ίδιο τρόπο όπως οι διανυσματικές γραμμές τάσης, δηλαδή, το διάνυσμα πυκνότητας ρεύματος σε κάθε σημείο του αγωγού κατευθύνεται εφαπτομενικά στη γραμμή ρεύματος.

Ηλεκτροκινητική δύναμη

Εάν δημιουργηθεί ηλεκτρικό πεδίο σε έναν αγωγό και αυτό το πεδίο δεν διατηρείται, τότε η κίνηση των φορέων ρεύματος θα οδηγήσει στο γεγονός ότι το πεδίο μέσα στον αγωγό θα εξαφανιστεί και το ρεύμα θα σταματήσει. Για να διατηρηθεί το ρεύμα στο κύκλωμα για αρκετό χρόνο, είναι απαραίτητο να μετακινήσετε τα φορτία κατά μήκος μιας κλειστής διαδρομής, δηλαδή να κάνετε τις γραμμές συνεχούς ρεύματος κλειστές. Κατά συνέπεια, σε ένα κλειστό κύκλωμα πρέπει να υπάρχουν τμήματα στα οποία οι φορείς φορτίου θα κινούνται ενάντια στις δυνάμεις του ηλεκτροστατικού πεδίου, δηλαδή από σημεία με χαμηλότερο δυναμικό σε σημεία με υψηλότερο δυναμικό. Αυτό είναι δυνατό μόνο με την παρουσία μη ηλεκτρικών δυνάμεων, που ονομάζονται εξωτερικές δυνάμεις. Οι δυνάμεις τρίτων είναι δυνάμεις οποιασδήποτε φύσης, εκτός από αυτές του Κουλόμπ.

Ένα φυσικό μέγεθος ίσο με το έργο των εξωτερικών δυνάμεων κατά τη μετακίνηση ενός φορτίου μονάδας σε ένα δεδομένο τμήμα του κυκλώματος ονομάζεται ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF) που ενεργεί σε αυτό το τμήμα:

Η ηλεκτροκινητική δύναμη είναι το πιο σημαντικό ενεργειακό χαρακτηριστικό μιας πηγής. Η ηλεκτροκινητική δύναμη μετριέται, όπως και το δυναμικό, σε βολτ.

Σε κάθε πραγματικό ηλεκτρικό κύκλωμαΜπορείτε πάντα να επιλέξετε μια ενότητα που χρησιμεύει για τη διατήρηση του ρεύματος (τρέχουσα πηγή) και να θεωρήσετε τα υπόλοιπα ως "φορτίο". Οι εξωτερικές δυνάμεις ενεργούν απαραίτητα σε μια πηγή ρεύματος, επομένως στη γενική περίπτωση χαρακτηρίζεται από ηλεκτροκινητική δύναμη και αντίσταση r,που ονομάζεται αντίσταση εσωτερικής πηγής. Εξωτερικές δυνάμεις μπορούν επίσης να δράσουν στο φορτίο, αλλά στις απλούστερες περιπτώσεις δεν υπάρχουν και το φορτίο χαρακτηρίζεται μόνο από αντίσταση.

Η προκύπτουσα δύναμη που επενεργεί στο φορτίο σε κάθε σημείο του κυκλώματος είναι ίση με το άθροισμα των ηλεκτρικών δυνάμεων και των δυνάμεων τρίτων:

Το έργο που γίνεται από αυτή τη δύναμη στο φορτίο σε κάποιο τμήμα του κυκλώματος 1-2 θα είναι ίσο με:

όπου είναι η διαφορά δυναμικού μεταξύ των άκρων του τμήματος 1-2, είναι η ηλεκτροκινητική δύναμη που ενεργεί σε αυτό το τμήμα.

Μια τιμή αριθμητικά ίση με το έργο που γίνεται από ηλεκτρικές και εξωτερικές δυνάμεις όταν μετακινείται ένα μόνο θετικό φορτίο ονομάζεται πτώση τάσης ή απλά τάση σε ένα δεδομένο τμήμα του κυκλώματος. Ως εκ τούτου, .

Το τμήμα της αλυσίδας όπου δεν δρουν εξωτερικές δυνάμεις ονομάζεται ομοιογενές. Η περιοχή στην οποία οι εξωτερικές δυνάμεις δρουν στους φορείς ρεύματος ονομάζεται ανομοιογενής. Για ένα ομοιογενές τμήμα του κυκλώματος, δηλαδή, η τάση συμπίπτει με τη διαφορά δυναμικού στα άκρα του τμήματος του κυκλώματος.

Ο νόμος του Ohm

Ο Ohm καθιέρωσε πειραματικά τον νόμο σύμφωνα με τον οποίο η ισχύς του ρεύματος που ρέει μέσω ενός ομοιογενούς μεταλλικού αγωγού είναι ανάλογη με την πτώση τάσης στον αγωγό:

όπου είναι το μήκος του αγωγού, είναι το εμβαδόν της διατομής, είναι ένας συντελεστής ανάλογα με τις ιδιότητες του υλικού, που ονομάζεται ηλεκτρική ειδική αντίσταση. Η ειδική αντίσταση είναι αριθμητικά ίση με την αντίσταση ανά μονάδα μήκους ενός αγωγού που έχει επιφάνεια διατομής ίση με ένα.

Ρύζι. 3.2

Σε έναν ισότροπο αγωγό, η διατεταγμένη κίνηση των φορέων ρεύματος συμβαίνει προς την κατεύθυνση του διανύσματος έντασης ηλεκτρικού πεδίου. Επομένως, οι κατευθύνσεις των διανυσμάτων συμπίπτουν. Ας βρούμε τη σύνδεση μεταξύ και στο ίδιο σημείο του αγωγού. Για να γίνει αυτό, ας επιλέξουμε νοερά κοντά σε ένα συγκεκριμένο σημείο έναν στοιχειώδη κυλινδρικό όγκο με γεννήτριες παράλληλες προς τα διανύσματα και (Εικ. 3.2). Ένα ρεύμα δύναμης διαρρέει τη διατομή του κυλίνδρου. Δεδομένου ότι το πεδίο μέσα στον επιλεγμένο όγκο μπορεί να θεωρηθεί ομοιόμορφο, η τάση που εφαρμόζεται στον κύλινδρο είναι ίση με , όπου είναι η ένταση του πεδίου σε μια δεδομένη θέση. Η αντίσταση του κυλίνδρου, σύμφωνα με το (3.2), είναι ίση με . Αντικαθιστώντας αυτές τις τιμές με τον τύπο (3.1), καταλήγουμε στη σχέση:

,

Εκμεταλλευόμενοι το γεγονός ότι τα διανύσματα και έχουν την ίδια κατεύθυνση, μπορούμε να γράψουμε

Ας ξαναγράψουμε το (3.4) στη φόρμα

.

Ρύζι. 3.3

Αυτός ο τύπος εκφράζει το νόμο του Ohm για ένα μη ομοιόμορφο τμήμα της αλυσίδας.

Ας εξετάσουμε το απλούστερο κλειστό κύκλωμα που περιέχει μια πηγή ρεύματος και ένα φορτίο με αντίσταση R(Εικ. 3.3). Παραμελούμε την αντίσταση των καλωδίων τροφοδοσίας. Βάζοντας , λαμβάνουμε την έκφραση του νόμου του Ohm για ένα κλειστό κύκλωμα:

Ένα ιδανικό βολτόμετρο συνδεδεμένο στους ακροδέκτες μιας πηγής ρεύματος λειτουργίας δείχνει τάση, όπως προκύπτει από το νόμο του Ohm για ένα ομοιογενές τμήμα του κυκλώματος - σε αυτήν την περίπτωση, την αντίσταση φορτίου. Αντικαθιστώντας την ισχύ του ρεύματος από αυτή την έκφραση στο νόμο του Ohm για ένα κλειστό κύκλωμα, λαμβάνουμε:

Από αυτό φαίνεται ότι η τάση Uστους ακροδέκτες μιας πηγής εργασίας υπάρχει πάντα λιγότερο από το EMF της. Όσο πιο κοντά βρίσκεται στο , τόσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση φορτίου R.Στο όριο στο, η τάση στους ακροδέκτες μιας ανοιχτής πηγής είναι ίση με το emf της. Στην αντίθετη περίπτωση, όταν R=0, που αντιστοιχεί σε βραχυκύκλωμα της πηγής ρεύματος, U=0, και το ρεύμα κατά τη διάρκεια ενός βραχυκυκλώματος είναι το μέγιστο: .

Ο νόμος του Ohm σας επιτρέπει να υπολογίσετε οποιοδήποτε σύνθετη αλυσίδα. Ένα διακλαδισμένο κύκλωμα χαρακτηρίζεται από την ισχύ των ρευμάτων που διαρρέουν τα τμήματα του, την αντίσταση των τμημάτων και το emf που περιλαμβάνονται σε αυτά τα τμήματα. Η ισχύς του ρεύματος και το emf είναι αλγεβρικά μεγέθη, δηλαδή θεωρούνται θετικά εάν η ηλεκτροκινητική δύναμη προωθεί την κίνηση των θετικών φορτίων προς την επιλεγμένη κατεύθυνση και το ρεύμα ρέει προς αυτήν την κατεύθυνση και αρνητικό στην αντίθετη περίπτωση. Ωστόσο, ο άμεσος υπολογισμός των διακλαδισμένων αλυσίδων μπορεί να είναι δύσκολος. Αυτός ο υπολογισμός απλοποιείται πολύ όταν χρησιμοποιούνται οι κανόνες που προτείνει ο Kirchhoff.

Οι κανόνες του Kirchhoff

Ο G. Kirchhoff (1824–1887) μελέτησε λεπτομερώς τον νόμο του Ohm και ανέπτυξε γενική μέθοδοςυπολογισμός συνεχών ρευμάτων σε ηλεκτρικά κυκλώματα, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που περιέχουν πολλές πηγές EMF. Αυτή η μέθοδος βασίζεται σε δύο κανόνες που ονομάζονται νόμοι του Kirchhoff. Ο πρώτος κανόνας του Kirchhoff ισχύει για κόμβους, δηλαδή σημεία στα οποία συγκλίνουν τουλάχιστον τρεις αγωγοί. Εφόσον εξετάζουμε την περίπτωση σταθερών ρευμάτων, τότε σε οποιοδήποτε σημείο του κυκλώματος, συμπεριλαμβανομένου οποιουδήποτε κόμβου, το διαθέσιμο φορτίο πρέπει να παραμένει σταθερό, επομένως το άθροισμα των ρευμάτων που ρέουν στον κόμβο πρέπει να είναι ίσο με το άθροισμα των ρευμάτων που ρέουν έξω. Εάν συμφωνήσουμε να θεωρήσουμε τα ρεύματα που πλησιάζουν τον κόμβο ως θετικά και τα εξερχόμενα ρεύματα αρνητικά, τότε μπορούμε να πούμε ότι το αλγεβρικό άθροισμα των σημερινών δυνάμεων στον κόμβο είναι ίσο με μηδέν:

Μπορείτε να αποκτήσετε την ίδια σχέση εάν συμφωνείτε, όταν περιστρέφετε το κύκλωμα προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, για παράδειγμα, δεξιόστροφα, να θεωρείτε θετικά εκείνα τα ρεύματα των οποίων η κατεύθυνση συμπίπτει με την κατεύθυνση της παράκαμψης και αρνητικά - εκείνα των οποίων η κατεύθυνση είναι αντίθετη από το κατεύθυνση της παράκαμψης. Θα θεωρήσουμε επίσης θετικά εκείνα τα EMF που αυξάνουν το δυναμικό προς την κατεύθυνση παράκαμψης του κυκλώματος και αρνητικά - αυτά που μειώνουν το δυναμικό προς την κατεύθυνση παράκαμψης.

Αυτά τα ορίσματα μπορούν να εφαρμοστούν σε οποιονδήποτε κλειστό βρόχο, επομένως ο δεύτερος κανόνας του Kirchhoff είναι γενική εικόναμπορεί να γραφτεί ως εξής:

,

Οπου nείναι ο αριθμός των τμημάτων στο κύκλωμα και m είναι ο αριθμός των πηγών EMF. Ο δεύτερος κανόνας του Kirchhoff εκφράζει το προφανές γεγονός ότι όταν παρακάμψουμε εντελώς το σιρκουί, επιστρέφουμε στην αφετηρία με το ίδιο δυναμικό.

Έτσι, σε οποιοδήποτε κλειστό κύκλωμα, που επιλέγεται αυθαίρετα σε ένα διακλαδισμένο κύκλωμα αγωγών, το αλγεβρικό άθροισμα των γινομένων των ρευμάτων που διαρρέουν την αντίσταση των αντίστοιχων τμημάτων του κυκλώματος είναι ίσο με το αλγεβρικό άθροισμα των emfs που συναντώνται σε αυτό το κύκλωμα.

Ηλεκτρική ενέργεια

Όταν τα φορτισμένα σωματίδια κινούνται σε έναν αγωγό, το ηλεκτρικό φορτίο μεταφέρεται από το ένα μέρος στο άλλο. Ωστόσο, εάν τα φορτισμένα σωματίδια υποστούν τυχαία θερμική κίνηση, όπως ελεύθερα ηλεκτρόνια σε ένα μέταλλο, τότε δεν πραγματοποιείται μεταφορά φορτίου. Ένα ηλεκτρικό φορτίο κινείται διαμέσου της διατομής ενός αγωγού μόνο εάν, εκτός από την τυχαία κίνηση, τα ηλεκτρόνια συμμετέχουν σε μια διατεταγμένη κίνηση. Σε αυτή την περίπτωση, λένε ότι δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα στον αγωγό.
Ηλεκτροπληξίαονομάζεται διατεταγμένη (κατευθυνόμενη) κίνηση φορτισμένων σωματιδίων.Το ηλεκτρικό ρεύμα προκύπτει από τη διατεταγμένη κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων ή ιόντων.
Το συνολικό φορτίο που μεταφέρεται μέσω οποιασδήποτε διατομής ενός αγωγού είναι μηδέν, αφού φορτία διαφορετικών σημάτων κινούνται με την ίδια μέση ταχύτητα.
Το ηλεκτρικό ρεύμα έχει μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Η κατεύθυνση του ρεύματος θεωρείται η κατεύθυνση κίνησης των θετικά φορτισμένων σωματιδίων. Εάν το ρεύμα σχηματίζεται από την κίνηση αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων, τότε η κατεύθυνση του ρεύματος θεωρείται αντίθετη από την κατεύθυνση κίνησης των σωματιδίων.
Δεν βλέπουμε άμεσα την κίνηση των σωματιδίων σε έναν αγωγό. Η παρουσία ηλεκτρικού ρεύματος υποδεικνύεται από τις ακόλουθες ενέργειες ή φαινόμενα που το συνοδεύουν:
1. ο αγωγός μέσω του οποίου ρέει το ρεύμα θερμαίνεται,
2. Το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να αλλάξει τη χημική σύνθεση του αγωγού,
3. Το ρεύμα ασκεί δύναμη σε γειτονικά ρεύματα και μαγνητισμένα σώματα.
Εάν δημιουργηθεί ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα κύκλωμα, αυτό σημαίνει ότι ένα ηλεκτρικό φορτίο μεταφέρεται συνεχώς μέσω της διατομής του αγωγού. Το φορτίο που μεταφέρεται ανά μονάδα χρόνου χρησιμεύει ως το κύριο ποσοτικό χαρακτηριστικό του ρεύματος, που ονομάζεται τρέχουσα δύναμη. Αν μέσω της διατομής του αγωγού στο χρόνο Δtμεταφέρεται χρέωση Δq, τότε η τρέχουσα ισχύς είναι:

Η ισχύς του ρεύματος είναι ίση με την αναλογία του φορτίου Δq που μεταφέρεται μέσω της διατομής του αγωγού κατά το χρονικό διάστημα Δt προς αυτό το χρονικό διάστημα. Εάν η ισχύς του ρεύματος δεν αλλάζει με την πάροδο του χρόνου, τότε το ρεύμα ονομάζεται σταθερό.
Η ισχύς του ρεύματος είναι μια κλιμακωτή ποσότητα. Μπορεί να είναι και θετικό και αρνητικό. Το πρόσημο του ρεύματος εξαρτάται από το ποια κατεύθυνση κατά μήκος του αγωγού θεωρείται θετική. Ένταση ρεύματος I > 0 εάν η κατεύθυνση του ρεύματος συμπίπτει με την υπό όρους επιλεγμένη θετική κατεύθυνση κατά μήκος του αγωγού. Διαφορετικά εγώ< 0.
Η τρέχουσα ισχύς εξαρτάται από:
1. φορτίο που μεταφέρεται από κάθε σωματίδιο (q 0).
2. συγκέντρωση σωματιδίων (n);
3. Ταχύτητα κατευθυντικής κίνησης των σωματιδίων (v);
4. περιοχή διατομής του αγωγού (S).

Στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων Η ένταση του ρεύματος εκφράζεται σε αμπέρ (Α). Το ρεύμα μετριέται με αμπερόμετρα.
Προϋποθέσεις για την εμφάνιση και την ύπαρξη συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος:
1. η παρουσία ελεύθερων φορτισμένων σωματιδίων.
2. Τα φορτισμένα σωματίδια πρέπει να δέχονται δράση από δυνάμεις που εξασφαλίζουν την διατεταγμένη κίνησή τους για μια πεπερασμένη χρονική περίοδο.
Για να υπάρχει σταθερό ρεύμα αγωγιμότητας σε έναν αγωγό, είναι απαραίτητο να εκτελεστεί παρακάτω συνθήκες:
α) η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στον αγωγό πρέπει να είναι μη μηδενική και να μην αλλάζει με την πάροδο του χρόνου.
β) το κύκλωμα αγωγής συνεχούς ρεύματος πρέπει να είναι κλειστό.
γ) για δωρεάν ηλεκτρικά τέλη, επιπλέον Δυνάμεις Κουλόμπ, οι μη ηλεκτροστατικές δυνάμεις, που ονομάζονται εξωτερικές δυνάμεις, πρέπει να δρουν. Οι δυνάμεις τρίτων μπορούν να δημιουργηθούν από πηγές ρεύματος (γαλβανικές κυψέλες, μπαταρίες, ηλεκτρικές γεννήτριεςκαι τα λοιπά.).

Ο νόμος του Ohm για ένα τμήμα κυκλώματος

Η ισχύς του ρεύματος σε έναν αγωγό είναι ευθέως ανάλογη με την εφαρμοζόμενη τάση και αντιστρόφως ανάλογη με την αντίσταση του αγωγού:

Αντίσταση αγωγού R- μια ποσότητα που χαρακτηρίζει την αντίσταση ενός αγωγού στη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος σε αυτόν. Η αντίσταση μετριέται σε ohms (ohms). Εάν, σε τάση 1 V, υπάρχει ρεύμα 1 Α σε έναν αγωγό, τότε η αντίσταση ενός τέτοιου αγωγού είναι 1 Ohm.
Η αντίσταση ενός αγωγού είναι ευθέως ανάλογη με το μήκος του l και αντιστρόφως ανάλογη με το εμβαδόν της διατομής του S:

όπου ο συντελεστής αναλογικότητας ρ ονομάζεται ειδική αντίσταση. Η ειδική αντίσταση εξαρτάται από τον τύπο της ουσίας και τη θερμοκρασία (με την αύξηση της θερμοκρασίας, η ειδική αντίσταση των περισσότερων μετάλλων αυξάνεται), αριθμητικά ισούται με την αντίσταση ενός αγωγού μοναδιαίου μήκους με μονάδα εμβαδού διατομής.

Ηλεκτροκινητική δύναμη

Ένα φυσικό μέγεθος ίσο με την αναλογία του έργου ενός εξωτερικού πεδίου για τη μετακίνηση ενός φορτίου στο μέγεθος αυτού του φορτίου ονομάζεται ηλεκτροκινητική δύναμη:

Η ηλεκτροκινητική δύναμη εκφράζεται σε βολτ.
Τρίτο μέροςείναι ένα πεδίο μη ηλεκτροστατικής προέλευσης, το έργο του οποίου σε οποιοδήποτε κλειστό κύκλωμα δεν είναι μηδενικό. Ένα τέτοιο πεδίο, μαζί με το πεδίο Coulomb, δημιουργείται σε πηγές ρεύματος: μπαταρίες, γαλβανικές κυψέλες, γεννήτριες κλπ. Είναι το εξωτερικό πεδίο που αντισταθμίζει τις απώλειες ενέργειας στο ηλεκτρικό κύκλωμα.

Ο νόμος του Ohm για ένα πλήρες κύκλωμα

Η αντίσταση της πηγής ονομάζεται συχνά εσωτερική αντίσταση r σε αντίθεση με την εξωτερική αντίσταση R του κυκλώματος. Σε μια γεννήτρια, το r είναι η αντίσταση των περιελίξεων και το in γαλβανικό στοιχείο- αντίσταση του διαλύματος ηλεκτρολύτη και των ηλεκτροδίων.
Ο νόμος του Ohm για ένα κλειστό κύκλωμα συσχετίζει το ρεύμα στο κύκλωμα, το emf και τη συνολική αντίσταση R+r του κυκλώματος.

Το γινόμενο του ρεύματος και της αντίστασης ενός τμήματος ενός κυκλώματος ονομάζεται συχνά πτώση τάσης σε αυτό το τμήμα. Έτσι, το EMF είναι ίσο με το άθροισμα των πτώσεων τάσης στα εσωτερικά και εξωτερικά τμήματα του κλειστού κυκλώματος.
Ο νόμος του Ohmγια κλειστό κύκλωμα γράφεται στη μορφή

Η ισχύς ρεύματος σε ένα πλήρες κύκλωμα είναι ίση με την αναλογία του emf του κυκλώματος προς τη συνολική του αντίσταση.
Η τρέχουσα ισχύς εξαρτάται από τρεις ποσότητες. EMF, αντιστάσεις R και r των εξωτερικών και εσωτερικών τμημάτων του κυκλώματος. Το συνολικό EMF του κυκλώματος είναι ίσο με το αλγεβρικό άθροισμα του EMF των επιμέρους στοιχείων.

Σειρά και παράλληλη σύνδεση αγωγών

Σειρά σύνδεση αγωγών. Στο σειριακή σύνδεσητο ηλεκτρικό κύκλωμα δεν έχει διακλαδώσεις. Όλοι οι αγωγοί συνδέονται στο κύκλωμα ο ένας μετά τον άλλο.

τρέχουσα δύναμη	Τάση	αντίσταση	σχέση τάσης-αντίστασης

Παράλληλη σύνδεση αγωγών

τρέχουσα δύναμη	Τάση	αντίσταση	σχέση ρεύματος και αντίστασης

Η παράλληλη σύνδεση είναι ο πιο συνηθισμένος τρόπος σύνδεσης διαφορετικών καταναλωτών. Σε αυτή την περίπτωση, η αστοχία μιας συσκευής δεν επηρεάζει τη λειτουργία των άλλων, ενώ με μια σύνδεση σε σειρά, η αστοχία μιας συσκευής ανοίγει το κύκλωμα.

Οι κανόνες του Kirchhoff

1. Σε κάθε σημείο διακλάδωσης των συρμάτων, το αλγεβρικό άθροισμα των ρευμάτων είναι μηδέν. Τα ρεύματα που πηγαίνουν στο σημείο διακλάδωσης και τα ρεύματα που προέρχονται από αυτό θα πρέπει να θεωρούνται τιμές διαφορετικών σημάτων.

2.Σε κάθε κύκλωμα κλειστού κυκλώματος, το αλγεβρικό άθροισμα των γινομένων της ισχύος ρεύματος σε μεμονωμένα τμήματα και της αντίστασής τους είναι ίσο με το αλγεβρικό άθροισμα του emf των πηγών σε αυτό το κύκλωμα.

1. Οι κατευθύνσεις των ρευμάτων επιλέγονται αυθαίρετα. Εάν μετά τους υπολογισμούς I>0, τότε η κατεύθυνση επιλέγεται σωστά, εάν I<0, то направление противоположно.
2. Ένας αυθαίρετος κλειστός βρόχος διασχίζεται προς μία κατεύθυνση. Εάν αυτή η κατεύθυνση συμπίπτει με την κατεύθυνση του βέλους, τότε IR>0, αν είναι αντίθετη, τότε IR<0. Если при обходе контура источник тока проходит от "-" к "+", то его ξ>0.
3. Όλα τα EMF και όλα τα R πρέπει να περιλαμβάνονται στο σύστημα εξισώσεων.

Εργασία και τρέχουσα ισχύς

Ο Κουλόμπ και οι ηλεκτρικές δυνάμεις τρίτων εκτελούν το έργο Α όταν μετακινούν φορτία κατά μήκος ενός ηλεκτρικού κυκλώματος. Εάν το ηλεκτρικό ρεύμα είναι σταθερό και οι αγωγοί που σχηματίζουν το κύκλωμα είναι ακίνητοι, τότε η ενέργεια W, η οποία μετατρέπεται αμετάκλητα κατά τη διάρκεια του χρόνου t στον όγκο του αγωγού, είναι ίση με το έργο που έχει γίνει:
W = A = IUΔt,

Όπου I είναι η ισχύς του ρεύματος, U είναι η πτώση τάσης στον αγωγό.
Τρέχουσα εργασία σε ένα τμήμα του κυκλώματος είναι ίσο με το γινόμενο του ρεύματος, της τάσης και του χρόνου κατά τον οποίο έγινε η εργασία.
Οι μη αναστρέψιμοι μετασχηματισμοί ενέργειας σε έναν αγωγό που φέρει ρεύμα προκαλούνται από την αλληλεπίδραση ηλεκτρονίων αγωγιμότητας με κόμβους κρυσταλλικού πλέγματοςμέταλλο Ως αποτέλεσμα της σύγκρουσης ηλεκτρονίων με θετικά ιόντα που βρίσκονται σε θέσεις πλέγματος, τα ηλεκτρόνια μεταφέρουν ενέργεια στα ιόντα. Αυτή η ενέργεια χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του αγωγού.
Ισχύς ηλεκτρικού ρεύματοςίση με την αναλογία της εργασίας που γίνεται από το ρεύμα με την πάροδο του χρόνου προς αυτό το χρονικό διάστημα:

Όπου A είναι το έργο που εκτελείται από το ρεύμα κατά τη διάρκεια της ισχύος του χρόνου - ρεύματος, U είναι η πτώση τάσης σε ένα δεδομένο τμήμα του κυκλώματος. Η μονάδα ισχύος του ηλεκτρικού ρεύματος είναι watt, [P] = .

Ποσότητα θερμότητας, απελευθερώθηκε στον αγωγό κατά τη διάρκεια:

Ο τελευταίος τύπος εκφράζει Νόμος Joule-Lenz: η ποσότητα της θερμότητας που παράγεται από το ρεύμα σε έναν αγωγό είναι ευθέως ανάλογη με την ισχύ του ρεύματος, το χρόνο που διέρχεται από τον αγωγό και την πτώση τάσης σε αυτόν.

Ηλεκτρικό ρεύμα σε ημιαγωγούς

Ημιαγωγοίστην ηλεκτρική αγωγιμότητα καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ μετάλλων και διηλεκτρικών. Το ρεύμα στους ημιαγωγούς είναι η διατεταγμένη κίνηση των ηλεκτρονίων και των οπών που συμβαίνει υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου. Η αντίσταση των ημιαγωγών μειώνεται απότομα με την αύξηση της θερμοκρασίας, σε αντίθεση με τα μέταλλα.
Αυτοαγωγιμότηταοι ημιαγωγοί είναι συνήθως μικροί. Παρουσία ακαθαρσιών στους ημιαγωγούς, μαζί με την εγγενή αγωγιμότητα, ένα επιπλέον ακαθαρσία.
Εάν ένα στοιχείο χρησιμοποιείται ως ακαθαρσία, το σθένος του οποίου είναι ένα μικρότερο από το σθένος του δεδομένου ημιαγωγού ( ακαθαρσία δέκτη), τότε για να σχηματιστούν κανονικοί δεσμοί ζεύγους ηλεκτρονίων με γειτονικά άτομα, το άτομο της ακαθαρσίας δεν έχει ένα ηλεκτρόνιο: ως αποτέλεσμα, τρύπα. Τέτοιοι ημιαγωγοί ονομάζονται ημιαγωγοί τύπου p(οι περισσότεροι φορείς φορτίου σε αυτά είναι οπές, οι μειοψηφικοί φορείς φορτίου είναι ηλεκτρόνια). Εάν το σθένος της ακαθαρσίας είναι κατά μία μονάδα μεγαλύτερο από αυτό του ημιαγωγού ( ακαθαρσία δότη), τότε ένα από τα ηλεκτρόνια στο άτομο ακαθαρσίας, που δεν συμμετέχει σε χημικός δεσμός, φεύγει εύκολα από το άτομο και γίνεται ελεύθερο. Αποδεικνύεται ότι είναι ημιαγωγός n-τύπου(οι φορείς της πλειοψηφίας είναι τα ηλεκτρόνια, οι φορείς μειοψηφίας είναι οι τρύπες).
Η περιοχή επαφής μεταξύ δύο τύπων ημιαγωγών ονομάζεται διασταύρωση pn. Όταν σχηματίζεται μια τέτοια επαφή, τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να διαχέονται από τον ημιαγωγό τύπου n στον ημιαγωγό τύπου p και οι οπές αρχίζουν να διαχέονται προς αυτά. Ως αποτέλεσμα, η περιοχή n φορτίζεται θετικά και η περιοχή p αρνητικά, και εμφανίζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο που σταματά τη διάχυση ηλεκτρονίων και οπών. Εάν συνδέσετε έναν ημιαγωγό με σύνδεση p-n σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, συνδέοντας την περιοχή p στον θετικό πόλο και την περιοχή n στον αρνητικό (απευθείας σύνδεση), η αντίσταση μετάβασης θα είναι αμελητέα. Στο αντίστροφη μεταγωγήΗ διασταύρωση p-n πρακτικά δεν επιτρέπει τη διέλευση ρεύματος. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται σε διόδους ημιαγωγών.
Οι δίοδοι ημιαγωγών χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονική τεχνολογίαγια διόρθωση ηλεκτρικού ρεύματος μαζί με λαμπτήρες κενού δύο ηλεκτροδίων. Επιπλέον, στην παραγωγή ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης, οι λαμπτήρες πρακτικά δεν χρησιμοποιούνται πλέον, καθώς οι δίοδοι ημιαγωγών έχουν πολλά πλεονεκτήματα.
Για παράδειγμα, για να λειτουργήσει ένας λαμπτήρας δύο ηλεκτροδίων, απαιτείται ειδική πηγή ενέργειας για τη θέρμανση του νήματος της καθόδου (διαφορετικά δεν θα υπάρξει θερμιονική εκπομπή και οι φορείς φόρτισης - θερμιονικοί - δεν θα εμφανίζονται στη λάμπα). Οι δίοδοι ημιαγωγών δεν απαιτούν τέτοια πηγή ενέργειας και όταν χρησιμοποιούνται σε αρκετά μεγάλα και πολύπλοκα κυκλώματα, επιτυγχάνεται σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας. Επιπλέον, στις ίδιες τιμές του ανορθωμένου ρεύματος, οι δίοδοι ημιαγωγών είναι πολύ πιο μικροσκοπικές από τους σωλήνες κενού.

Ηλεκτρικό ρεύμα σε ηλεκτρολύτες

Τα πειράματα δείχνουν ότι τα υγρά μπορεί να είναι διηλεκτρικά, ημιαγωγοί ή αγωγοί. Το πιο διάσημο διηλεκτρικό υγρό είναι το νερό. Είναι εύκολο να επαληθευτεί ότι το νερό είναι διηλεκτρικό τοποθετώντας δύο ηλεκτρόδια σε ένα βάζο με νερό και συνδέοντάς τα με μια πηγή ρεύματος. Δεν θα υπάρχει πρακτικά ρεύμα σε ένα τέτοιο κύκλωμα.
Η κατάσταση θα είναι εντελώς διαφορετική εάν το νερό αντικατασταθεί με κάποιο είδος αγώγιμου διαλύματος. Τέτοιες λύσεις που έχουν ηλεκτρική αγωγιμότητα ονομάζονται ηλεκτρολύτες. Όταν δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο στους ηλεκτρολύτες, δημιουργείται ρεύμα σε αυτούς, με αποτέλεσμα τα θετικά ιόντα να αρχίζουν να κινούνται προς την κάθοδο και τα αρνητικά ιόντα (και τα ηλεκτρόνια) προς την άνοδο.
Η ιοντική αγωγιμότητα σε τέτοιους ηλεκτρολύτες, όπως διαλύματα οξέων, αλκαλίων και αλάτων, εξηγείται με ηλεκτρολυτική διάσταση. Διάσταση- αυτή είναι η αποσύνθεση των μορίων σε ιόντα υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου των μορίων του πολικού διαλύτη. Τα αντίθετα φορτισμένα ιόντα σε μια σύγκρουση μπορούν και πάλι να ενωθούν σε ουδέτερα μόρια - να ανασυνδυαστούν. Ελλείψει ηλεκτρικού πεδίου, δημιουργείται μια δυναμική ισορροπία στο διάλυμα, όταν οι διαδικασίες διάστασης και ανασυνδυασμού ισορροπούν μεταξύ τους.
Όταν το ρεύμα διέρχεται από τον ηλεκτρολύτη, παρατηρείται η διαδικασία της ηλεκτρόλυσης - η απελευθέρωση ουσιών που συνθέτουν τον ηλεκτρολύτη στα ηλεκτρόδια.

Ηλεκτρικό ρεύμα στα αέρια

Τα αέρια, σε αντίθεση με τα μέταλλα και τους ηλεκτρολύτες, αποτελούνται από ηλεκτρικά ουδέτερα άτομα και μόρια και φυσιολογικές συνθήκεςδεν περιέχουν ελεύθερους φορείς ρεύματος (ηλεκτρόνια και ιόντα). Τα αέρια υπό κανονικές συνθήκες είναι διηλεκτρικά. Οι φορείς ηλεκτρικού ρεύματος στα αέρια μπορούν να προκύψουν μόνο όταν ιονισμός αερίων- διαχωρισμός ηλεκτρονίων από τα άτομα ή τα μόριά τους. Στην περίπτωση αυτή, τα άτομα (μόρια) αερίων μετατρέπονται σε θετικά ιόντα. Αρνητικά ιόνταστα αέρια μπορεί να προκύψουν εάν τα άτομα (μόρια) προσκολλήσουν ηλεκτρόνια στον εαυτό τους.
Ηλεκτρικό ρεύμα στα αέρια ονομάζεται εκκένωση αερίου. Για να πραγματοποιηθεί εκκένωση αερίου, πρέπει να εφαρμοστεί ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο στον σωλήνα που περιέχει το ιονισμένο αέριο (σωλήνας εκκένωσης αερίου).

Πλάσμα αίματος.

Μια ουσία που περιέχει ένα μείγμα ουδέτερων ατόμων, ελεύθερων ηλεκτρονίων και θετικών ιόντων ονομάζεται πλάσμα. Πλάσμα που προκύπτει από ηλεκτρικές εκκενώσεις σχετικά χαμηλού ρεύματος (για παράδειγμα, σε σωλήνες " φως ημέρας") χαρακτηρίζεται από πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις φορτισμένων σωματιδίων σε σύγκριση με τα ουδέτερα ( ). Συνήθως ονομάζεται χαμηλή θερμοκρασία επειδή η θερμοκρασία των ατόμων και των ιόντων είναι κοντά στη θερμοκρασία δωματίου. Η μέση ενέργεια των πολύ ελαφρύτερων ηλεκτρονίων αποδεικνύεται πολύ μεγαλύτερη. Οτι. Το πλάσμα χαμηλής θερμοκρασίας είναι ένα σημαντικά μη ισορροπημένο, ανοιχτό μέσο. Όπως σημειώθηκε, διαδικασίες αυτοοργάνωσης είναι δυνατές σε τέτοια περιβάλλοντα. Πρόστιμο διάσημο παράδειγμαείναι η παραγωγή υψηλής τάξης συνεκτικής ακτινοβολίας στο πλάσμα των λέιζερ αερίου.
Το πλάσμα μπορεί επίσης να είναι θερμοδυναμικά ισορροπημένο. Για την ύπαρξή του είναι απαραίτητο θερμότητα(στην οποία η ενέργεια της θερμικής κίνησης είναι συγκρίσιμη με την ενέργεια ιοντισμού). Τέτοιες θερμοκρασίες υπάρχουν στην επιφάνεια του Ήλιου και μπορεί να συμβούν κατά τη διάρκεια πολύ ισχυρών ηλεκτρικών εκκενώσεων (κεραυνών) ή κατά τη διάρκεια πυρηνικών εκρήξεων. Ένα τέτοιο πλάσμα ονομάζεται ζεστό.

Νόμος Joule-Lenz

Σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, όταν περνάει ρεύμα, συμβαίνει μια σειρά ενεργειακών μετασχηματισμών. Σε εξωτερικός χώροςκυκλώματα, το έργο της κίνησης του φορτίου εκτελείται από τις δυνάμεις ενός στατικού ηλεκτρικού πεδίου και η ενέργεια αυτού του πεδίου μετατρέπεται σε άλλους τύπους: μηχανική, θερμική, χημική και σε ενέργεια ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Ως εκ τούτου, εργασία πλήρους απασχόλησηςρεύμα στο εξωτερικό τμήμα του κυκλώματος

ΕΝΑ 0=Wmeh+Αχίμ+Wizl+Q.

Εάν σε ένα τμήμα του κυκλώματος υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου δεν υπάρχει μηχανική εργασίακαι δεν συμβαίνουν χημικοί μετασχηματισμοί, τότε το έργο του ηλεκτρικού ρεύματος οδηγεί μόνο σε θέρμανση του αγωγού.

Σε αυτή την περίπτωση, η ποσότητα της θερμότητας που απελευθερώνεται είναι ίση με την εργασία που γίνεται από το ρεύμα.

Ποσότητα θερμότητας Q, που κυκλοφόρησε από την τρέχουσα Εγώστη διάρκεια tσε ένα τμήμα του κυκλώματος με αντίσταση R, ίσον Q=Εγώ 2Rt.

Αυτός ο τύπος εκφράζει Νόμος Joule-Lenz, εγκατεστημένο εμπειρικάτον 19ο αιώνα δύο επιστήμονες (Άγγλος - J. Joule και Ρώσος E. X. Lenz).

Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από έναν αγωγό, η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται στον αγωγό είναι ευθέως ανάλογη με το τετράγωνο του ρεύματος, την αντίσταση του αγωγού και το χρόνο που περνά το ρεύμα.

Η δράση πολλών ηλεκτρικών συσκευών θέρμανσης βασίζεται στο νόμο του Joule Lenz. Πρόκειται για σίδερα, ηλεκτρικές σόμπες, ηλεκτρικούς βραστήρες, λέβητες, κολλητήρια, ηλεκτρικά τζάκια κ.λπ.

Το κύριο μέρος κάθε ηλεκτρικής συσκευής θέρμανσης είναι ένα θερμαντικό στοιχείο (ένας αγωγός με υψηλή ειδική αντίσταση τυλίγεται σε μια πλάκα από ανθεκτικό στη θερμότητα υλικό: μαρμαρυγία, κεραμικά).

Ο παραπάνω τύπος του νόμου Joule-Lenz είναι βολικός στη χρήση κατά τη σύνδεση αντιστάσεων σε σειρά, καθώς η ισχύς ρεύματος σε όλα τα τμήματα του κυκλώματος που συνδέεται με τη σειρά είναι η ίδια. Αν δύο αντιστάσεις με αντιστάσεις συνδέονται σε σειρά R 1 και R 2, λοιπόν Q 1=Εγώ 2R 1t, Q 2=Εγώ 2R 2t, που Q 1Q 2=R 1R 2, δηλ. η ποσότητα θερμότητας που παράγεται από το ρεύμα σε τμήματα ενός κυκλώματος συνδεδεμένου σε σειρά είναι ανάλογη με την αντίσταση αυτών των τμημάτων.

Σύμφωνα με το νόμο του Ohm, για ένα ομοιογενές τμήμα ενός κυκλώματος συνεχούς ρεύματος Εγώ=UR. Επειτα Q=U 2Rt .

Αυτός ο τύπος είναι βολικός στη χρήση κατά την παράλληλη σύνδεση αντιστάσεων, καθώς η τάση σε κάθε κλάδο ενός τέτοιου κυκλώματος είναι η ίδια. Αν δύο αντιστάσεις με αντιστάσεις συνδέονται παράλληλα R 1 και R 2, λοιπόν Q 1=U 2R 1t , Q 2=U 2R 2t, που

Q 1Q 2=R 2R 1,

εκείνοι. η ποσότητα θερμότητας που παράγεται από το ρεύμα στους κλάδους ενός παράλληλου κυκλώματος είναι αντιστρόφως ανάλογη με την αντίσταση των αντιστάσεων που περιλαμβάνονται σε αυτούς τους κλάδους.

Θέμα 4. Συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα

Ερωτήσεις μελέτης:

1. Νόμοι σταθερού ηλεκτρικού ρεύματος.

2. Ένα απλό ηλεκτρικό κύκλωμα.

Εισαγωγή

Η ηλεκτροστατική μελετά την αλληλεπίδραση ηλεκτρισμένων σωμάτων (φορτίων) που δεν μπορούν

κινούνται μεταξύ τους.Αλλά στη φύση, και ειδικά στην ηλεκτρική μηχανική,

Τα κινεζικά φαινόμενα συνδέονται συχνότερα με κινούμενα τέλη, δηλαδή ηλεκτρικά

ουράνια ρεύματα. Η μελέτη του ηλεκτρικού ρεύματος ως φαινόμενο και η ανακάλυψη τρόπων δημιουργίας (παραγωγής) ήταν ο παράγοντας που εξασφάλισε την ανάπτυξη της ηλεκτρικής ενέργειας, της ηλεκτρονικής, της ηλεκτροχημείας και ως εκ τούτου συνέβαλε στη διαμόρφωση πολλών σύγχρονων τεχνολογιών.

Οι σύγχρονες μέθοδοι λήψης και μετάδοσης ηλεκτρικής ενέργειας βασίζονται σε αρκετούς νόμους που ανακαλύφθηκαν τον 19ο αιώνα. Τα φαινόμενα και οι διαδικασίες που σχετίζονται με το ηλεκτρικό ρεύμα μελετώνται στην ενότητα της μελέτης του ηλεκτρισμού που ονομάζεται ηλεκτροδυναμική.Μέχρι σήμερα, η εφαρμογή αυτών των νόμων έχει οδηγήσει στη δημιουργία αρκετών τεχνικών επιστημών, των οποίων η πολυπλοκότητα υπερβαίνει σημαντικά την ηλεκτροδυναμική.

Αυτή η διάλεξη εξετάζει τις βασικές αρχές του απλός τύποςρεύμα - συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα, καθώς και οι νόμοι του για το ρεύμα σε μεταλλικούς αγωγούς και ένα απλό σύστημα αγωγών, το οποίο ονομάζεται ηλεκτρικό κύκλωμα.

1 . Νόμοι σταθερού ηλεκτρικού ρεύματος

1.1 Ηλεκτρική ενέργεια. Ρεύμα αγωγιμότητας

1. Το φαινόμενο του ηλεκτρικού ρεύματος εντοπίζεται σε απλή εμπειρία. Εάν δύο διαφορετικά φορτισμένα σώματα (για παράδειγμα, πλάκες πυκνωτών) συνδέονται με ένα μεταλλικό σύρμα (Εικ. 1.1.1), τότε μπορείτε να ανιχνεύσετε μια βραχυπρόθεσμη αύξηση της θερμοκρασίας του σύρματος, μέχρι την τήξη του εάν η φόρτιση του πυκνωτή είναι επαρκές. Ο λόγος είναι ότι τα φορτισμένα σώματα είχαν διαφορετικά δυναμικά και κοινό ηλεκτρικό πεδίο και όταν συνδέονταν με ένα καλώδιο, το πεδίο δούλευε και

μετακίνησε φορτία κατά μήκος ενός σύρματος από το ένα σώμα στο άλλο. Τα μετακινούμενα ("ρέουν") φορτία αντισταθμίστηκαν μεταξύ τους, η διαφορά δυναμικού μεταξύ των πλακών μειώθηκε στο μηδέν και η διαδικασία μετακίνησης των φορτίων σταμάτησε. Αυτή η κίνηση των φορτίων είναι ηλεκτρικό ρεύμα. Στην εξεταζόμενη περίπτωση, το ρεύμα ήταν βραχυπρόθεσμα. Στην πράξη, χρησιμοποιούνται τόσο βραχυπρόθεσμα όσο και μακροπρόθεσμα ρεύματα.

Ορισμός . Ηλεκτρικό ρεύμα είναι η ομαλή κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων - μικρο- και μακροσκοπικά ηλεκτρισμένα σώματα.

Γνωστός τρεις ποικιλίεςηλεκτρικό ρεύμα:

1) μακροσκοπικά ρεύματαστη φύση, που προκαλείται από την κίνηση των κεραυνών στην ατμόσφαιρα ή τις εσωτερικές ροές μάγματος

ri Σφαίρα, ηλεκτρικές εκκενώσεις κεραυνών. 2) ρεύματα αγωγιμότηταςστην ουσία? φορείς φορτίου είναι τα ηλεκτρόνια και τα ιο-

3) ρεύματα στο κενό, δηλαδή σε περιοχές του χώρου όπου η ύλη απουσιάζει ή έχει πολύ χαμηλή συγκέντρωση (για παράδειγμα, ρεύματα ηλεκτρονίων σε καθοδικούς σωλήνες, στοιχειώδη σωματίδιασε κοσμικές ακτίνες και επιταχυντές).

Τα ηλεκτρικά ρεύματα ανιχνεύονται από την επίδρασή τους στα εξωτερικά σώματα. Αυτές οι επιπτώσεις είναι:

1) θερμικά - τα ρεύματα θερμαίνουν τα σώματα από τα οποία περνούν.

2) μηχανικά - τα ρεύματα εκτρέπουν μια μαγνητική βελόνα ή άλλα ρεύματα.

3) χημικά - τα ρεύματα εξασφαλίζουν τη διαδικασία ηλεκτρόλυσης σε διαλύματα ουσιών (ηλεκτρολύτες).

4) βιολογικά - τα ρεύματα ξεκινούν τη συστολή των μυών και επηρεάζουν τις ζωτικές λειτουργίες των βιολογικών αντικειμένων.

2. Μεγαλύτερης πρακτικής σημασίας είναι ρεύματα αγωγιμότητας.

Ορισμός . Το ρεύμα αγωγιμότητας είναι ένα ηλεκτρικό ρεύμα στα σώματα.

Για την ύπαρξη ρεύματος αγωγιμότητας είναι απαραίτητη η παρουσία (1) διαφοράς δυναμικού μεταξύ σημείων του σώματος και (2) ελεύθερων φορέων ηλεκτρικού φορτίου στα σώματα.

Τα σώματα στα οποία μπορεί να υπάρχει ρεύμα αγωγιμότητας ονομάζονται ηλεκτρικοί αγωγοί . Πρέπει να είναι στερεά ή υγρή κατάσταση. Οι αγωγοί περιλαμβάνουν μέταλλα και ηλεκτρολύτες - διαλύματα αλάτων. Στα μέταλλα, φορείς ελεύθερου φορτίου είναι τα ηλεκτρόνια και στους ηλεκτρολύτες

– ιόντα (κατιόντα και ανιόντα).

Ελλείψει εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, κινούνται και φορείς φορτίου μέσα στους αγωγούς, αλλά αυτή η κίνηση είναι θερμική, δηλαδή χαοτική. Τα μικρορεύματα που υπάρχουν στους αγωγούς αντισταθμίζουν το ένα το άλλο. Ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο δίνει όλα τα φορτία κατευθυντικό συστατικό, που επιτίθεται στο χαοτικό.

Ορισμός . Η ταχύτητα της διατεταγμένης κίνησης των φορέων φορτίου σε έναν αγωγό με ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται ταχύτητα μετατόπισης των φορέων φορτίου

v DR.

Ορισμός . Οι γραμμές κατά τις οποίες συμβαίνει η διατεταγμένη κίνηση των φορέων φορτίου σε έναν αγωγό ονομάζονται γραμμές ρεύματος.

Τα διανύσματα ταχύτητας μετατόπισης κατευθύνονται εφαπτομενικά στις αντίστοιχες γραμμές ρεύματος.

Κανόνας: η κατεύθυνση της ταχύτητας μετατόπισης των φορέων θετικού φορτίου (q0 0 .

Με ένα ηλεκτροστατικό πεδίο, τα θετικά φορτία μετακινούνται από σημεία με υψηλότερο δυναμικό σε σημεία με χαμηλότερο δυναμικό.

Στους μεταλλικούς αγωγούς, η κατεύθυνση του ρεύματος είναι αντίθετη από την πραγματική κατεύθυνση κίνησης των ηλεκτρονίων - τους πραγματικούς φορείς φορτίου.

3. Τα κύρια ποσοτικά μεγέθη που χρησιμοποιούνται για την περιγραφή του ηλεκτρικού ρεύματος είναι η ένταση του ρεύματος και η πυκνότητα του ρεύματος.

Ας επιλέξουμε ένα ορισμένο σημείο N μέσα στον αγωγό και ας σχεδιάσουμε μέσα από αυτό το διάνυσμα ταχύτητας μετατόπισης v DR και την αντίστοιχη γραμμή ρεύματος (Εικ. 1.1.2). Στη συνέχεια θα κατασκευάσουμε ένα στοιχειώδες (απειροελάχιστο) εμβαδόν dS, το οποίο διέρχεται από το σημείο Ν κάθετο

cular to vectorv DR: dS v DR.

Εάν υπάρχει ρεύμα στον αγωγό, ένα φορτίο dq διέρχεται από την περιοχή dS σε χρόνο dt. Είναι προφανές ότι

d qd td q= Id t.

Ορισμός: Ένταση ρεύματος κοντά σε ένα δεδομένο σημείο Ν του αγωγού καλείται

είναι ένα βαθμωτό φυσικό μέγεθος ίσο με το ηλεκτρικό φορτίο που διέρχεται από τη στοιχειώδη περιοχή d S ανά μονάδα χρόνου:

I = dq/dt.

Εάν η συγκέντρωση των φορέων φορτίου σε έναν αγωγό είναι n, και κάθε φορέας έχει φορτίοq 0,

τότε είναι εύκολο να δείξουμε ότι dq =q 0 n v DR dS dt . Στη συνέχεια, Εικ. 1.1.2 πυκνότητα ρεύματος και ένταση ρεύματος στο σημείο Ν του αγωγού

περιγράφονται με εκφράσεις:

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

I = jd S = q0 nv DR d S.

Η βασική μονάδα για τη μέτρηση της ισχύος ρεύματος είναι "αμπέρ": = 1Α και η πυκνότητα ρεύματος είναι "αμπέρ διαιρούμενη με τετραγωνικό μέτρο": = 1A / m 2.

Η αξιολόγηση δείχνει ότι σε ένα ρεύμα I = 1A σε έναν χάλκινο αγωγό, για τον οποίο η συγκέντρωση όγκου των ηλεκτρονίων σθένους είναι 1028 m–3, η ταχύτητα μετατόπισής τους έχει τιμή DR 10–2 m/s. Αυτή η ταχύτητα είναι πολύ μικρότερη από τη μέση ταχύτητα της χαοτικής κίνησης των ηλεκτρονίων σθένους στον όγκο του αγωγού (v CP 106 m/s).

4. Στην πράξη, οι μεταλλικοί αγωγοί χρησιμοποιούνται ευρέως σταθερή κανονική διατομή:S = idem. Για αυτούς, οι γραμμές ροής είναι παράλληλες και το διάνυσμα

πυκνότητα ρεύματος ryσε όλα τα σημεία οποιουδήποτε κανονικού τμήματος ταυτόχρονα

χρονική στιγμή είναι ίδιες, δηλαδή παράλληλες, κατευθυνόμενες προς την ίδια κατεύθυνση και ίσες σε μέγεθος:j S,j = =const. Η ισχύς ρεύματος σε αγωγούς σταθερής διατομής είναι το άθροισμα των εντάσεων ρεύματος σε όλες τις n στοιχειώδεις περιοχές dS i, στις οποίες μπορεί να διαιρεθεί οποιαδήποτε κανονική διατομή S:

5. Ορισμός. Το ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται σταθερό εάν η ισχύς του ρεύματος

δεν αλλάζει με την πάροδο του χρόνου.

Από τον ορισμό της ισχύος ρεύματος προκύπτει ότι με σταθερό ρεύμα διαμέσου μιας δεδομένης διατομής S ενός αγωγού σε ίσες χρονικές περιόδους t διέρχεται το ίδιο ποσό

χρέωση q:

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

Για δύο αγωγούς διαφορετικών διατομών S 1 και S 2 με την ίδια ένταση ρεύματος (I 1 =I 2), οι μονάδες πυκνότητας ρεύματος, αντιστρόφως ανάλογες με τις διατομές των αγωγών (j =I /S) συσχετίζονται σύμφωνα με την ακόλουθη έκφραση:

j1 / j2 = S2 / S1.

1.2 Ο νόμος του Ohm για το ρεύμα σε έναν αγωγό

1. Ηλεκτρικό ρεύμα σε έναν αγωγό υπάρχει όταν υπάρχει διαφορά δυναμικού στο ηλεκτρικό πεδίο (ηλεκτροστατική τάση) στα άκρα του αγωγού. Η σύνδεση μεταξύ ρεύματος και τάσης καθιερώθηκε πειραματικά από τον Γερμανό φυσικό G. Ohm

Ο νόμος του Ohm για το ρεύμα σε έναν αγωγό: η ισχύς του ρεύματος σε έναν ομοιογενή αγωγό είναι ευθέως ανάλογη με την ηλεκτροστατική τάση στα άκρα του -

Ο συντελεστής αναλογικότητας (ελληνικά «λάμδα») ονομάζεται ηλεκτρική αγωγιμότητα(ηλεκτρική αγωγιμότητα)αγωγός.

Αλλά συνήθως, αντί για ηλεκτρική αγωγιμότητα, αντιστρόφως ανάλογη

η αξία που της δίνεται -ηλεκτρική αντίσταση του αγωγού R 1/ .

Σε αυτή την περίπτωση, ο νόμος του Ohm για έναν αγωγό έχει τη μορφή:

I = U/R.

Η βασική μονάδα μέτρησης της ηλεκτρικής αντίστασης είναι το "ohm": [R] = 1 V / A = 1 Ohm - αυτή είναι η αντίσταση ενός αγωγού στον οποίο ρέει συνεχές ρεύμα 1Α με διαφορά δυναμικού 1V.

2. Έχει διαπιστωθεί πειραματικά ότι η ηλεκτρική αντίσταση εξαρτάται (1) από χημική σύνθεσηαγωγοί, (2) στο σχήμα και το μέγεθός τους και (3) στη θερμοκρασία.

Αντίσταση ομοιογενούς αγωγού σταθερής διατομής ευθέως ανάλογο με το μήκος του και αντιστρόφως ανάλογο με το εμβαδόν τουκανονικός διατομή:

R = l/ S.

Ο παράγοντας αναλογικότητας σε αυτή την έκφραση είναι φυσικά χαρακτηριστικάονομάζεται η ουσία από την οποία αποτελείται ο αγωγός συγκεκριμένα ηλεκτρικά

τη χημική αντίσταση της ουσίας που απαρτίζει τον αγωγό.

Η μονάδα αντίστασης είναι οι φορές ωμ

μέτρο": = 1 Ohm m. Το ασήμι έχει τη χαμηλότερη ειδική αντίσταση

(= 1,6 10–8 ohm m) και χαλκός (= 1,7 10–8 ohm m).

3. Η εξάρτηση της αντίστασης του αγωγού από τη θερμοκρασία οφείλεται στην εξάρτηση της ειδικής αντίστασης από τη θερμοκρασία. Σε θερμοκρασίες όχι πολύ διαφορετικό από το κανονικό, αυτή η εξάρτηση σε μια πρώτη προσέγγιση έχει την ακόλουθη μορφή:

0 (1 +t) =0 T,R =R0 (1 +t) =R0T;

εδώ και 0 , R και R 0 - αντιστάσειςκαι αντίσταση αγωγού σε θερμοκρασίες t και 0C αντίστοιχα (T και 273,15 K). Ο συντελεστής αναλογικότητας (1/273)K–1 είναι σχεδόν ο ίδιος για όλους τους μεταλλικούς αγωγούς:

(1/273) K –1 – και ονομάζεται θερμοκρασιακός συντελεστής αντίστασης.

Η αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης με την αύξηση της θερμοκρασίας είναι το κύριο σημάδι σύμφωνα με το οποίο, από όλες τις αγώγιμες ουσίες, ομάδα μαέστρων. Άλλες ομάδες ουσιών χαρακτηρίζονται από μείωση της αντίστασης με την αύξηση της θερμοκρασίας. συνθέτουν ομάδες ημιαγωγώνπηγαίνω-

ηλεκτρολόγοι.

4. Στα ηλεκτρικά και ραδιοκυκλώματα είναι συχνά απαραίτητο να υπάρχουν ορισμένες συγκεκριμένες τιμές αντίστασης αγωγού. Εγκαθίστανται επιλέγοντας τυποποιημένους αγωγούς που ονομάζονται αντιστάσεις. Οι αντιστάσεις συνδυάζονται σε συστήματα. Υπολογισμός της αντίστασης ενός συστήματος αντίστασης (ισοδύναμο με

αντίσταση του συστήματος) βασίζεται στις εξαρτήσεις στις οποίες υπόκεινται οι αντιστάσεις

ανάπτυξη δύο απλούστερα συστήματα– παράλληλες και σειριακές αλυσίδες

αντιστάσεις.

Σχέδιο παράλληλη αλυσίδααντιστάσεις με αντιστάσεις R 1, R 2, R 3,.., R n φαίνονται στο Σχ. 1.2.1a: πρώτα, ένας από τους δύο ακροδέκτες κάθε αντίστασης συνδέεται και σχηματίζει τον πρώτο κόμβο Α και μετά τους δεύτερους ακροδέκτες συνδέονται στον δεύτερο κόμβο Β. Στον κόμβο

Η τάση U παρέχεται στα Α και Β, το ίδιο για όλες τις αντιστάσεις:

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

Ένα ρεύμα ισχύος Ι ρέει στον κόμβο Α από τον θετικό πόλο της πηγής. Εδώ χωρίζεται σε ρεύματα I 1, I 2, I 3,.., I n, τα οποία συνδέονται στον κόμβο Β σε ρεύμα του ίδιου αρχική δύναμη I. Δηλαδή, η τρέχουσα ισχύς I είναι ίση με το άθροισμα των αντοχών ρεύματος σε όλες τις αντιστάσεις:

Από την άλλη πλευρά, σύμφωνα με το νόμο του Ohm, I = U/R PAR, όπου R PAR είναι η ισοδύναμη αντίσταση μιας παράλληλης αλυσίδας αντιστάσεων. Εξισώνοντας τις δεξιές πλευρές των τελευταίων εκφράσεων

zheny, παίρνουμε τον τύπο για τον υπολογισμό RPAR: μια τιμή αντιστρόφως ανάλογη με την ισοδύναμη αντίσταση μιας παράλληλης αλυσίδας αντιστάσεων είναι ίση με το άθροισμα των τιμών αντιστρόφως ανάλογη με τις αντιστάσεις τους:

5. Σχέδιο μαργαρίτα αλυσίδααντιστάσεις με αντιστάσεις R 1, R 2, R 3,.., R n φαίνονται στο Σχ. 1.2.1b: οι αντιστάσεις συνδέονται με τους ακροδέκτες τους σαν βαγόνια τρένου.

Εάν εφαρμόζεται τάση στους ελεύθερους ακροδέκτες των ακραίων αντιστάσεων R 1 και R n, το ρεύμα

το ρεύμα θα είναι το ίδιο σε όλες τις αντιστάσεις:

I 1 =I 2 =I 3 = … =I n =I,

και η τάση σε κάθε αντίσταση, σύμφωνα με το νόμο του Ohm, εξαρτάται από τη δική του αντίσταση:

Ui = Ii Ri = IRi.

Προφανώς, η τάση U στα άκρα της αλυσίδας είναι ίση με το άθροισμα των τάσεων σε κάθε αντίσταση:

Από την άλλη πλευρά, U = IR SEQ, όπου R SEQ είναι η ισοδύναμη αντίσταση του υπό εξέταση κυκλώματος. Εξισώνοντας τις δεξιές πλευρές των τελευταίων παραστάσεων, το παίρνουμε

Η αντίσταση ταινίας μιας σειράς αλυσίδας αντιστάσεων είναι ίση με το άθροισμα των αντιστάσεων τους:

R LAST = R i . εγώ 0

Χρησιμοποιώντας τις λαμβανόμενες αναλογίες R PAR και R SEQUENCE, μπορείτε να υπολογίσετε την αντίσταση οποιουδήποτε συστήματος αντιστάσεων, εντοπίζοντας σταδιακά σειριακές ή/και παράλληλες αλυσίδες σε αυτό.

1.3 Νόμος Joule–Lenz για το ρεύμα σε έναν αγωγό

1. Το ηλεκτρικό ρεύμα σε έναν αγωγό υπάρχει λόγω της εργασίας που γίνεται από το ηλεκτροστατικό πεδίο για τη μεταφορά θετικού φορτίου κατά μήκος του αγωγού:

AR = q(1 – 2) = q U.

Σε σταθερό ρεύμα q =I t. Στη συνέχεια, δεδομένη Ο νόμος του Ohm για το ρεύμα σε έναν αγωγό, μπορούμε να εκφράσουμε το έργο του ηλεκτροστατικού πεδίου μέσω των παραμέτρων ρεύματος:

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

2. J.P. Joule και, ανεξάρτητα από αυτόν, ο Ρώσος φυσικός E.Kh. Lenz (1804-1865) στο

1841-42 πειραματικά καθιερωμένο: εάν το ρεύμα διέρχεται από ένα ακίνητο

μεταλλικός αγωγός, τότε το μόνο παρατηρήσιμο αποτέλεσμα είναι η θέρμανση του αγωγού, δηλαδή η απελευθέρωση θερμότητας Q στον περιβάλλοντα χώρο.

Σε αυτή την περίπτωση, λόγω του νόμου της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας

QR = AR = I2 R t.

Αυτή η ισότητα είναι μια ποσοτική έκφραση του νόμου Joule-Lenz για έναν αγωγό: ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεταισε κάθε μαέστρος όταν προ-

που διέρχεται από αυτό συνεχές ρεύμα ισούται με το γινόμενο του τετραγώνου της ισχύος του ρεύματος από την ηλεκτρική αντίσταση του αγωγού και με το χρόνο που περνά το ρεύμα.

Η χρήση του νόμου του Ohm μας επιτρέπει να τροποποιήσουμε την έκφραση του νόμου του Joule-Lenz:

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

Είναι σαφές ότι εάν ένας αγωγός που μεταφέρει ρεύμα κινείται υπό την επίδραση μαγνητικό πεδίο(ηλεκτρικός κινητήρας) ή χημικές διεργασίες γίνονται σε αυτό (ηλεκτρόλυση), τότε η εργασία που γίνεται από το ρεύμα θα υπερβεί την ποσότητα της θερμότητας που απελευθερώνεται.

Η ένταση της απελευθέρωσης θερμότητας χαρακτηρίζεται από την τρέχουσα ισχύ -φυσικά

τιμή skaya ίση με την εργασία που γίνεται από το ρεύμα ανά μονάδα χρόνου:

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

3. Η απελευθέρωση θερμότητας εξηγείται από το γεγονός ότι οι φορείς φορτίου αλληλεπιδρούν με το κρυσταλλικό πλέγμα του αγωγού και μεταφέρουν σε αυτό την ενέργεια της διατεταγμένης κίνησής τους.

Η θερμική επίδραση του ρεύματος έχει βρει ευρεία εφαρμογή στην τεχνολογία, η οποία ξεκίνησε με την εφεύρεση το 1873. Ρώσος μηχανικός A.N. Lodygin (1847-1923) λάμπαλάμπων Σε αυτό το φαινόμενο βασίζεται η δράση ηλεκτρικών φούρνων σιγαστήρα, εξοπλισμού συγκόλλησης ηλεκτρικού τόξου και επαφής μετάλλων, οικιακών ηλεκτρικών συσκευών θέρμανσης και πολλά άλλα.

2. Απλό ηλεκτρικό κύκλωμα

2.1 Πηγή DC. Ηλεκτροκινητική δύναμη της πηγής ρεύματος

1. Εάν σε έναν αγωγό (αντίσταση) οι φορείς φορτίου επηρεάζονται μόνο από τη δύναμη του ηλεκτροστατικού πεδίου (όπως στο πείραμα που απεικονίζεται στο Σχ. 1.1.1), τότε οι φορείς μετακινούνται από σημεία του αγωγού με υψηλότερο δυναμικό σε σημεία με χαμηλότερο δυναμικό. Αυτό οδηγεί σε εξίσωση δυναμικού σε όλα τα σημεία του αγωγού και, κατά συνέπεια, στην εξαφάνιση του ρεύματος.

Βασικά πρακτική χρήσηέχουν μακροπρόθεσμα ρεύματα, συμπεριλαμβανομένων των σταθερών. Για την ύπαρξη συνεχές ρεύμαχρειάζονται συσκευές που μπορούν να δημιουργήσουν και να διατηρήσουν στα άκρα του αγωγού σταθερή διαφορά δυναμικού. Τα-

τι συσκευές ονομάζονται Πηγές DC.Σε τρέχουσες πηγές

υπάρχει συνεχής χωρικός διαχωρισμός θετικών και αρνητικών φορτίων στους πόλους της πηγής , το οποίο παρέχει τη διαφορά δυναμικού μεταξύ τους.

στους πόλους της πηγής ρεύματος (Εικ. 2.1.1).

Είναι σημαντικό ότι, σε αντίθεση με το ρεύμα σε έναν αγωγό, μέσα στην πηγήρεύμα (πώς κινείται

θετικά φορτία) κατεύθυνση από αρνητικόθετικός πόλος

nomu . Αυτή η κατεύθυνση ονομάζεταιφυσική κατεύθυνση του ρεύματος στην πηγή.

Αντικατοπτρίζει σωστά φυσικά την ουσία των διεργασιών στην πηγή ρεύματος και αντιστοιχεί στον κανόνα που καθορίζει την κατεύθυνση του ρεύματος στην αντίσταση που συνδέεται με τους πόλους της πηγής.

Ο ρόλος της πηγής ρεύματος είναι παρόμοιος με τον ρόλο μιας αντλίας, η οποία είναι απαραίτητη για την άντληση υγρού μέσω σωλήνων υδραυλικό σύστημα. Επίσημα μιλώντας, μια πηγή ρεύματος «αντλάει» θετικά φορτία από τον αρνητικό πόλο της στον θετικό της.

2. Εξωτερικές δυνάμεις εκτελούν έργο Α STOR για να διαχωρίσουν και να μετακινήσουν ηλεκτρικά φορτία μέσα στην πηγή και να δημιουργήσουν ένα ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των πόλων της.

Ορισμός . Η ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF) μιας πηγής ρεύματος είναι ένα φυσικό μέγεθος ίσο με το έργο των εξωτερικών δυνάμεων που εκτελούνται στην πηγή κατά την παραγωγή μιας μονάδας θετικού φορτίου:

E A STOR/ q + .

Η ομοιότητα στους ορισμούς του EMF μιας πηγής ρεύματος και του δυναμικού ενός ηλεκτρικού πεδίου εξηγεί ότι η βασική μονάδα μέτρησης του EMF είναι επίσης το «volt»:

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

3. Η βάση όλων των πηγών ρεύματος είναι οι ηλεκτρικά αγώγιμες ουσίες. Επομένως, οι πηγές έχουν ηλεκτρική αντίσταση, η οποία ονομάζεται εσωτερική αντίστασηκαι συμβολίζεται με το γράμμα r. Η εσωτερική αντίσταση εκδηλώνεται στη θέρμανση της πηγής σε κατάσταση λειτουργίας, δηλαδή όταν μια αντίσταση συνδέεται με μια πηγή ρεύματος. Η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται στις τρέχουσες πηγές υπακούει στον νόμο Joule-Lenz:

Qr = I2 r t.

Η εσωτερική αντίσταση αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας.

2.2 Τμήμα ηλεκτρικού κυκλώματος. Απλό κλειστό κύκλωμα

1. Για τη δημιουργία ηλεκτρικά ρεύματαΟι αντιστάσεις και οι πηγές ρεύματος πρέπει να χρησιμοποιούνται μαζί.

Ορισμός . Απλά ηλεκτρικά κυκλώματα ονομάζονται συστήματα, κατάσταση-

που αποτελείται από αντιστάσεις, πηγές ρεύματος και διακόπτες (διακόπτες) συνδεδεμένους σε σειρά.

Ορισμός . Ένα τμήμα ενός απλού κυκλώματοςείναι μέρος ενός απλού ηλεκτρικού κυκλώματος που περιέχει ορισμένο αριθμό αντιστάσεων ή/και πηγών ρεύματος.

Ορισμός . Ένα ομοιογενές τμήμα μιας απλής αλυσίδας ονομάζεται η περιοχή που περιέχει

πατώντας μόνο αντιστάσεις.

Ένα παράδειγμα ομοιογενούς τμήματος ενός κυκλώματος είναι μια σειρά από αντιστάσεις (Εικ. 1.2.1β). Το φαινόμενο του συνεχούς ρεύματος σε ένα ομοιογενές τμήμα ενός κυκλώματος που αποτελείται από αντιστάσεις περιγράφεται από τους νόμους του Ohm και του Joule-Lenz για το ρεύμα σε έναν αγωγό.

2. Ορισμός. Ανομοιογενές τμήμα της αλυσίδαςονομάζεται τμήμα που περιέχει αντιστάσεις συνδεδεμένες σε σειρά και πηγές ρεύματος.

Ορισμός . Το άθροισμα των αντιστάσεων των αντιστάσεων R και των εσωτερικών αντιστάσεων r i των πηγών ρεύματος σε ένα ανομοιόμορφο τμήμα ενός απλού κυκλώματος ονομάζεται πλήρη αντίσταση

σύντηξη ενός ανομοιόμορφου τμήματος της αλυσίδας.

ρεύμα στην περιοχή.

Ορισμός . Ηλεκτρική τάση σε ανομοιόμορφο τμήμα του κυκλώματος Α-

Το B είναι μια τιμή ίση με το αλγεβρικό άθροισμα της εξωτερικής ηλεκτρικής τάσης και του EMF (άθροιση λαμβάνοντας υπόψη τα σημάδια) των πηγών ρεύματος που περιλαμβάνονται στην ενότητα:

U AB (A –B) +E AB =U +E AB;

εδώ E AB =E 1 +E 2 + ... είναι το αλγεβρικό άθροισμα (άθροιση λαμβάνοντας υπόψη τα πρόσημα) του EMF των πηγών ρεύματος στην τομή.

Σχόλιο. Μπορεί να φανεί ότι για ένα ομοιογενές τμήμα του κυκλώματος η τάση είναι πανομοιότυπα ίση ηλεκτροστατική τάσημεταξύ των τρεχόντων σημείων εισόδου και εξόδου:

(U AB ) ONE (A – B) ONE = U .

EMF E i στην έκφραση για E AB είναι αλγεβρικά μεγέθη: valueE i

λαμβάνονται με σύμβολο «+» εάνη κατεύθυνση του ρεύματος IAB στο τμήμα του κυκλώματος συμπίπτει με τη φυσική κατεύθυνση κίνησης των θετικών φορτίων στην i-η πηγή (στο Σχ. 2.2.1 E 1 0). εάν η κατεύθυνση του ρεύματος IAB είναι αντίθετη από τη φυσική κατεύθυνση κίνησης των θετικών φορτίων στην πηγή, τότε η τιμή του E i λαμβάνεται από

σημάδι «–» (στην Εικ. 2.2.1E 2 0). Ετσι,

E AB= E 1E 2… .

3. Αν οι αγωγοί ανομοιόμορφου τμήματος αλυσίδες Α-Βείναι ακίνητα, τότε σύμφωνα με το νόμο της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας, το έργο των ηλεκτροστατικών και εξωτερικών δυνάμεων που δρουν στην περιοχή είναι ίσο με τη θερμότητα που απελευθερώνεται στην αντίσταση και τις πηγές ρεύματος:

A AB = Q AB.

Ας εξετάσουμε ένα τμήμα του κυκλώματος που περιέχει μόνο μία πηγή ρεύματος με εσωτερική αντίσταση r (στην περίπτωση αυτή E AB = E 1 ). Είναι προφανές ότι

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

όπου (A R + A r) =q + (A – B) – εργασία ηλεκτροστατικές δυνάμειςόταν μετακινείτε ένα θετικό φορτίο q + .

Από τον ορισμό του EMF προκύπτει ότι A COP =q + E AB. Επειτα

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

Από την άλλη πλευρά, η ποσότητα θερμότητας Q AB =Q R +Q r και σύμφωνα με το νόμο Joule-Lenz

και προσδιορισμός ηλεκτρικού ρεύματος (I t =q + )

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

Η εξίσωση των δεξιών πλευρών των τελευταίων παραστάσεων για A AB και Q AB δίνει την έκφραση

ορισμός του γενικευμένου νόμου του Ohm για ένα μη ομοιόμορφο τμήμα της αλυσίδας:

η ισχύς του ρεύματος σε ένα ανομοιόμορφο τμήμα ενός ηλεκτρικού κυκλώματος είναι ευθέως ανάλογη ηλεκτρική τάσηστα άκρα του τμήματος και είναι αντιστρόφως ανάλογη με την αντίσταση του τμήματος -

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

Από αυτό προκύπτει ότι

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

όπου U R IR και U r Ir είναι ηλεκτροστατικές τάσεις στην αντίσταση και στο εσωτερικό

αντίσταση του τμήματος της αλυσίδας. Αυτό είναιη ηλεκτρική τάση στα άκρα του ανομοιογενούς τμήματος του κυκλώματος είναι ίση με το άθροισμα των ηλεκτροστατικών τάσεων στην αντίσταση και στην εσωτερική αντίσταση της πηγής ρεύματος:

U R +U r = (A –B) +E AB.

Σχόλιο. Για ένα ομοιογενές τμήμα του κυκλώματος (E AB = 0, r = 0, U r = 0) με ισοδύναμη αντίσταση R, ο γενικευμένος νόμος του Ohm μετατρέπεται σε νόμο του Ohm για το ρεύμα σε έναν αγωγό:

U = UR = IR.

Σχόλιο. Ο γενικευμένος νόμος του Ohm ικανοποιείται όχι μόνο για το συνεχές ρεύμα (U = const), αλλά και για οποιαδήποτε αλλαγή στο ρεύμα με την πάροδο του χρόνου. Σε αυτή την περίπτωση, ένα τμήμα της αλυσίδας μπορεί επίσης να περιέχει άλλα ηλεκτρικά στοιχεία: (1) πυκνωτές με τάση U C =q/C στις πλάκες τους και (2) ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες που δημιουργούν ηλεκτρομαγνητική επαγωγή emf E i = –LdI/dt. Τότε οι ποσότητες U C και E i πρέπει να ληφθούν υπόψη, αντίστοιχα, στην αριστερή και δεξιά πλευρά της εξίσωσης του γενικευμένου νόμου του Ohm:

U R +U r +U C = (A –B) +E AB +E i ].

Είναι σημαντικό να θυμάστε ότι το γράμμα Α υποδηλώνει το τέλος του τμήματος του κυκλώματος από όπου το ρεύμα (q 0) ρέει στο τμήμα.

4. Ο γενικευμένος νόμος του Ohm υποδεικνύει πώς να μετρήσετε το emf μιας πηγής ρεύματος. Αν δεν υπάρχει ρεύμα στην ανομοιογενή περιοχή (I = 0), τότε προκύπτει ότι

E AB = – (A –B) = (B –A),

Δηλαδή, το EMF που ενεργεί σε ένα ανομοιογενές κύκλωμα είναι ίσο με τη διαφορά ηλεκτροστατικού δυναμικού στα άκρα του κυκλώματος στη λειτουργία όταν δεν είναι κλειστά μέσω άλλων τμημάτων.

Αυτή η μέτρηση πραγματοποιείται συνδέοντας τους πόλους της πηγής στους ακροδέκτες του βολτόμετρου.

2.3 Απλό κλειστό κύκλωμα

1. Ορισμός. Απλό κλειστό κύκλωμαονομάζεται κύκλωμα που προκύπτει συνδέοντας (κλείσιμο) με ένα κλειδί Κ τα άκρα ενός τμήματος ενός απλού κυκλώματος (Εικ. 2.3.1).

Η αντίσταση R σε ένα απλό κλειστό κύκλωμα ονομάζεται εξωτερική αντίσταση

τρώω.

Χρησιμοποιώντας το νόμο του Ohm για το ρεύμα σε έναν αγωγό, μπορούμε να προσδιορίσουμε ποια αναλογία του emf E είναι η τάση U R στην εξωτερική αντίσταση R:

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

Μπορεί να φανεί ότι όσο μεγαλύτερη είναι η εξωτερική αντίσταση του κυκλώματος, τόσο πιο κοντά η τιμή του U R στην τιμή του E.

Εάν η εξωτερική αντίσταση του κυκλώματος αποδειχθεί σημαντικά μικρότερη από την εσωτερική

(R r), τότε η αλυσίδα θα πάει ρεύμα βραχυκύκλωμα :

I KOR = E / r .

Η λειτουργία βραχυκυκλώματος είναι εξαιρετικά επικίνδυνη για πηγές ρεύματος. Δικα τους εσωτερική αντίστασηέχει τιμές κοντά στο 1 Ohm (r 1 Ohm). Επομένως, τα ρεύματα βραχυκυκλώματος, ακόμη και σε χαμηλά EMF, μπορούν να φτάσουν τα δεκάδες αμπέρ. Η θερμότητα Joule που απελευθερώνεται σε αυτήν την περίπτωση, ανάλογη με το τετράγωνο της ισχύος ρεύματος (Q I 2), μπορεί να βλάψει την πηγή.

2. Ηλεκτρικό ρεύμα σε μέταλλα. Πειραματική απόδειξη της φύσης των φορέων ηλεκτρικού φορτίου στα μέταλλα. Βασικές αρχές της κλασικής ηλεκτρονικής θεωρίας της αγωγιμότητας στα μέταλλα.

Η ιδέα της ηλεκτρονικής φύσης των φορέων φορτίου στα μέταλλα, ενσωματωμένη στη θεωρία των Drude και Lorentz, βασίζεται σε μια σειρά από κλασικά πειραματικά στοιχεία.

Το πρώτο από αυτά τα πειράματα είναι αυτό του Rikke (1901), στο οποίο, κατά τη διάρκεια ενός έτους, ο el. το ρεύμα περνούσε από τρεις μεταλλικούς κυλίνδρους (Cu, Al, Cu) ίδιας ακτίνας συνδεδεμένους σε σειρά με προσεκτικά γυαλισμένα άκρα. Παρά το γεγονός ότι το συνολικό φορτίο που διέρχεται από τους κυλίνδρους έφτασε σε τεράστια τιμή (περίπου 3,5 * C), δεν εντοπίστηκαν αλλαγές στη μάζα των εξωτερικών μετάλλων. Αυτό ήταν απόδειξη της υπόθεσης ότι σωματίδια εξαιρετικά χαμηλής μάζας συμμετέχουν στη μεταφορά φορτίου.

Παρά τη μικρή μάζα των φορέων φορτίου, έχουν την ιδιότητα της αδράνειας, η οποία χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα των Mandelstam και Papaleksi, και στη συνέχεια στα πειράματα των Stewart και Tolman, οι οποίοι περιέστρεψαν ένα πηνίο με πολύ μεγάλο αριθμό στροφών σε ένα τεράστιο ταχύτητα (περίπου 300 m/s), και στη συνέχεια το φρέναραν απότομα. Ως αποτέλεσμα, η μετατόπιση των φορτίων λόγω αδράνειας δημιούργησε έναν παλμό ρεύματος και γνωρίζοντας τις διαστάσεις και την αντίσταση του αγωγού και το μέγεθος του ρεύματος που καταγράφηκε στο πείραμα, ήταν δυνατός ο υπολογισμός της αναλογίας του φορτίου προς τη μάζα του το σωματίδιο, το οποίο αποδείχθηκε ότι ήταν πολύ κοντά στην τιμή που ελήφθη για το ηλεκτρόνιο (1,7*C /kg).

Βασικές αρχές της κλασικής ηλεκτρονικής θεωρίας της αγωγιμότητας στα μέταλλα

Η ύπαρξη ελεύθερων ηλεκτρονίων στα μέταλλα εξηγείται από το γεγονός ότι κατά τον σχηματισμό ενός κρυσταλλικού πλέγματος ενός μετάλλου (ως αποτέλεσμα της προσέγγισης μεμονωμένων ατόμων), τα ηλεκτρόνια σθένους, σχετικά ασθενώς συνδεδεμένα με τους ατομικούς πυρήνες, αποσπώνται από το μέταλλο. άτομα, γίνονται «ελεύθερα» και μπορούν να κινηθούν σε όλο τον όγκο. Δηλαδή τα θετικά μεταλλικά ιόντα βρίσκονται στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος και τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται χαοτικά μεταξύ τους, σχηματίζοντας ένα είδος αερίου ηλεκτρονίων, η μέση ελεύθερη διαδρομή των ηλεκτρονίων είναι Η τάξη του m (η απόσταση μεταξύ των κόμβων του πλέγματος) Τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας συγκρούονται με ιόντα πλέγματος, μεταφέροντας ενέργεια σε αυτά, με αποτέλεσμα να δημιουργείται θερμοδυναμική ισορροπία μεταξύ του αερίου ηλεκτρονίου και του πλέγματος. Σύμφωνα με τη θεωρία Drude-Lorentz, τα ηλεκτρόνια έχουν την ίδια ενέργεια θερμικής κίνησης με τα μόρια ενός ιδανικού μονατομικού αερίου και στο θερμοκρασίες δωματίουη θερμική ταχύτητα των ηλεκτρονίων θα είναι τάξεις μεγέθους / s, όλα τα ηλεκτρόνια θεωρούνται ανεξάρτητα και για να εξηγηθούν μακροσκοπικά φαινόμενα (για παράδειγμα, ρεύμα) αρκεί να γνωρίζουμε τη συμπεριφορά ενός ηλεκτρονίου για να προσδιορίσουμε τη συμπεριφορά όλων των ηλεκτρονίων. Επομένως, μια τέτοια θεωρία ονομάζεται «προσέγγιση ενός ηλεκτρονίου» και, παρά την απλότητά της, δίνει κάποια ικανοποιητικά αποτελέσματα.

Η θερμική χαοτική κίνηση των ηλεκτρονίων δεν μπορεί να οδηγήσει στην εμφάνιση ρεύματος. Όταν εφαρμόζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο σε έναν μεταλλικό αγωγό, όλα τα ηλεκτρόνια αποκτούν κατευθυντική κίνηση, η ταχύτητα της οποίας μπορεί να εκτιμηθεί από την πυκνότητα ρεύματος - ακόμη και σε πολύ υψηλές πυκνότητες (της τάξης των 10 -10 A/m), η ταχύτητα του η διατεταγμένη κίνηση είναι περίπου m/s. Κατά συνέπεια, κατά τον υπολογισμό, η προκύπτουσα ταχύτητα της κίνησης των ηλεκτρονίων (θερμική + διατεταγμένη) μπορεί να αντικατασταθεί από την ταχύτητα της θερμικής κίνησης.

Τίθεται το ερώτημα: πώς εξηγείται το γεγονός της στιγμιαίας μετάδοσης ηλεκτρικών σημάτων σε μεγάλες αποστάσεις; Το γεγονός είναι ότι το ηλεκτρικό σήμα δεν μεταφέρεται από εκείνα τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στην αρχή γραμμές μεταφοράς, και ένα ηλεκτρικό πεδίο με ταχύτητα περίπου 3 * m/s, που περιλαμβάνει σχεδόν αμέσως όλα τα ηλεκτρόνια κατά μήκος του κυκλώματος σε κίνηση. Επομένως, το ηλεκτρικό ρεύμα εμφανίζεται σχεδόν αμέσως με το κλείσιμο του κυκλώματος