Arus listrik macam apa yang disebut konstan. Arus listrik konstan. ketentuan utama

4.1. Ciri-ciri arus listrik. Kondisi adanya arus konduksi.

Listrik- pergerakan teratur partikel bermuatan. Arus listrik yang timbul pada media penghantar sebagai akibat gerak teratur muatan bebas di bawah pengaruh Medan listrik dibuat di lingkungan ini disebut arus konduksi. Dalam logam, pembawa arus adalah elektron bebas, dalam elektrolit - ion negatif dan positif, dalam semikonduktor - elektron dan lubang, dalam gas - ion dan elektron.

Arah arus listrik merupakan arah gerak teratur positif muatan listrik. Namun kenyataannya, pada konduktor logam, arus dialirkan melalui pergerakan elektron yang teratur, yang bergerak berlawanan arah dengan arah arus.

Kekuatan saat ini disebut skalar kuantitas fisik, sama dengan rasio muatan dq, ditransfer melalui permukaan yang ditinjau dalam waktu singkat, dengan nilai interval ini: .

Arus listrik disebut permanen, jika kekuatan arus dan arahnya tidak berubah seiring waktu. Untuk arus searah.

Menurut teori elektron klasik, kekuatan arus adalah , Di mana e- muatan elektron, - konsentrasi elektron bebas dalam suatu konduktor, - kecepatan arah pergerakan elektron, S- luas penampang konduktor. Satuan arus dalam SI adalah ampere: 1 A = 1 C/s - kuat arus ketika muatan 1 C melewati penampang konduktor dalam 1 s.

Arah arus listrik pada berbagai titik pada permukaan yang ditinjau dan distribusi kuat arus pada permukaan tersebut ditentukan oleh rapat arus.

Vektor kepadatan saat ini diarahkan berlawanan dengan arah pergerakan elektron - pembawa arus dalam logam dan secara numerik sama dengan rasio kuat arus yang melalui elemen permukaan kecil, normal terhadap arah pergerakan partikel bermuatan, dengan nilai dS luas elemen ini: .

Kekuatan arus melalui permukaan yang berubah-ubah S:,dimana proyeksi vektornya J ke arah normal.

Untuk konduktor homogen.

Arus listrik timbul di bawah pengaruh medan listrik. Dalam hal ini, distribusi muatan kesetimbangan (elektrostatis) dalam konduktor terganggu, dan permukaan serta volumenya tidak lagi ekuipotensial. muncul di dalam konduktor Medan listrik, dan komponen tangensial kuat medan listrik pada permukaan konduktor. Arus listrik dalam suatu penghantar terus berlanjut hingga seluruh titik penghantar menjadi ekuipotensial. Agar arus menjadi konstan dari waktu ke waktu, arus harus mengalir melalui satuan luas permukaan dalam interval waktu yang sama. biaya yang sama, yaitu. kuat medan listrik di semua titik penghantar yang dilalui arus ini tetap tidak berubah. Oleh karena itu, muatan tidak boleh terakumulasi atau berkurang di mana pun dalam penghantar yang membawa arus searah. Jika tidak, medan listrik muatan ini akan berubah. Kondisi ini berarti rangkaian arus searah harus tertutup, dan kuat arus harus sama pada semua penampang rangkaian.

Untuk mempertahankan arus itu perlu sumber energi listrik - perangkat di mana segala jenis energi diubah menjadi energi listrik.

Jika medan listrik tercipta dalam sebuah konduktor dan tidak dilakukan tindakan untuk mempertahankannya, maka medan di dalam konduktor akan segera hilang dan arus akan berhenti. Untuk menjaga arus, perlu dilakukan sirkulasi muatan yang akan bergerak sepanjang jalur tertutup. Sirkulasi vektor medan elektrostatik adalah nol, oleh karena itu, bersama dengan daerah di mana muatan positif bergerak sepanjang garis medan listrik, pasti ada daerah di mana perpindahan muatan terjadi melawan gaya-gaya medan listrik. Pergerakan muatan di daerah ini dimungkinkan dengan menggunakan gaya-gaya yang berasal dari non-listrik, yaitu. kekuatan luar.

4.2. Gaya gerak listrik. Tegangan. Perbedaan potensial.

Kekuatan eksternal untuk mempertahankan arus dapat dicirikan oleh kerja yang mereka lakukan pada muatan. Besaran yang sama dengan kerja gaya luar per satuan muatan positif disebut gaya gerak listrik(EMF). GGL yang bekerja pada suatu rangkaian tertutup dapat didefinisikan sebagai sirkulasi vektor kuat medan gaya luar.

EMF dinyatakan dalam volt.

Tegangan(atau penurunan tegangan) pada suatu bagian rangkaian 1-2 adalah besaran fisis yang secara numerik sama dengan usaha yang dilakukan oleh medan gaya elektrostatis dan gaya luar yang dihasilkan ketika bergerak sepanjang rantai dari suatu titik 1 tepat 2 satuan muatan positif: .

Dengan tidak adanya kekuatan eksternal, tegangan kamu bertepatan dengan beda potensial.

4.2. Hukum arus searah.

Pada tahun 1826, ilmuwan Jerman G. Ohm secara eksperimental menetapkan hukum yang menyatakan bahwa kekuatan arus yang mengalir melalui konduktor logam homogen sebanding dengan penurunan tegangan pada konduktor: (Hukum Ohm dalam bentuk integral). Homogen disebut konduktor yang tidak ada gaya luar yang bekerja.

Besarnya R ditelepon hambatan listrik konduktor, itu tergantung pada sifat konduktor dan dimensi geometrisnya: , di mana - resistivitas, yaitu. hambatan suatu penghantar dengan panjang 1 m 2 dan luas penampang 1 m 2, - panjang penghantar, S- luas penampang konduktor. Hambatan suatu penghantar merupakan ukuran ketahanan suatu penghantar terhadap terbentuknya arus listrik di dalamnya. Satuan hambatannya adalah 1 ohm. Sebuah penghantar mempunyai hambatan sebesar 1 Ohm jika pada beda potensial 1 V arus yang mengalir di dalamnya adalah 1 A.

Digeneralisasikan Hukum Ohm untuk bagian rangkaian dengan EMF: hasil kali hambatan listrik suatu bagian rangkaian dan arus di dalamnya sama dengan jumlah tetesan potensi listrik di area ini dan EMF dari semua sumber energi listrik yang termasuk dalam area tersebut: .

Hukum Ohm yang digeneralisasi untuk suatu bagian rangkaian menyatakan hukum kekekalan dan transformasi energi dalam kaitannya dengan suatu bagian rangkaian arus listrik.

Hukum Ohm dalam bentuk diferensial: rapat arus konduksi sebanding dengan tegangan E medan listrik dalam konduktor dan bertepatan dengan arahnya, mis. . Faktor proporsionalitas disebut konduktivitas listrik spesifik medium, dan nilainya adalah resistivitas listrik medium.

Ketergantungan resistivitas pada suhu dinyatakan dengan rumus , di mana adalah resistivitas pada , adalah koefisien resistansi termal, bergantung pada sifat konduktor, dan merupakan suhu dalam derajat Celcius.

Banyak logam dan paduan kehilangan ketahanannya pada suhu di bawah 25K dan menjadi superkonduktor. Superkonduktivitas adalah fenomena kuantum. Ketika arus mengalir dalam superkonduktor, tidak terjadi kehilangan energi. Medan magnet yang sangat kuat menghancurkan keadaan superkonduktor.

Ketergantungan suhu:

Konsisten Sambungan konduktor disebut ketika ujung satu konduktor dihubungkan ke awal konduktor lainnya. Arus yang mengalir melalui penghantar yang dihubungkan seri adalah sama. Resistansi total rangkaian sama dengan jumlah resistansi semua konduktor individu yang termasuk dalam rangkaian: .

Paralel sambungan konduktor disebut ketika salah satu ujung semua konduktor dihubungkan ke satu simpul, ujung lainnya ke simpul lainnya . Pada koneksi paralel tegangan pada semua penghantar adalah sama, sama dengan beda potensial pada titik-titik sambungan: . Konduktivitas (yaitu kebalikan dari resistansi) semua konduktor yang dihubungkan paralel sama dengan jumlah konduktivitas semua konduktor individu: .

Hukum Ohm untuk rangkaian lengkap: rangkaian tertutup lengkap terdiri dari hambatan luar R dan sumber arus dengan ggl sama dengan , dan resistensi internal . Kuat arus pada suatu rangkaian lengkap berbanding lurus dengan ggl sumber arus dan berbanding terbalik dengan hambatan total rangkaian: .

2.1. Konstan listrik.
Kekuatan saat ini. Kepadatan arus

Arus listrik adalah arah pergerakan muatan listrik. Jika suatu zat mengandung pembawa muatan bebas - elektron, ion, yang mampu bergerak dalam jarak yang cukup jauh, maka dengan adanya medan listrik mereka memperoleh gerakan terarah, yang ditumpangkan pada gerakan kacau termalnya. Akibatnya, pembawa muatan bebas melayang ke arah tertentu.

Karakteristik kuantitatif arus listrik adalah jumlah muatan yang ditransfer melalui permukaan per satuan waktu. Ini disebut kekuatan saat ini. Jika muatan D ditransfer melalui permukaan seiring waktu Q, maka kekuatan saat ini adalah:

Satuan arus dalam sistem satuan SI adalah Ampere (A), . Arus yang tidak berubah terhadap waktu disebut konstan.

Baik pembawa positif maupun negatif dapat berpartisipasi dalam pembangkitan arus; medan listrik menggerakkan mereka ke arah yang berlawanan. Arah arus biasanya ditentukan oleh arah pergerakan pembawa positif. Faktanya, arus dalam banyak kasus diciptakan oleh pergerakan elektron, yang, karena bermuatan negatif, bergerak ke arah yang berlawanan dengan arah arus. Jika pembawa positif dan negatif bergerak serentak dalam medan listrik, maka arus penuh didefinisikan sebagai jumlah arus yang dibentuk oleh pembawa setiap tanda.

Untuk mengkarakterisasi arus listrik secara kuantitatif, digunakan juga besaran lain, yang disebut rapat arus. Kepadatan arus adalah kuantitasnya sama dengan muatan melewati suatu satuan luas per satuan waktu yang tegak lurus terhadap arah gerak muatan. Kepadatan arus merupakan besaran vektor.

Beras. 3.1

Mari kita nyatakan dengan N konsentrasi pembawa arus, yaitu jumlahnya per satuan volume. Mari kita menggambar luas D yang sangat kecil pada sebuah konduktor berarus listrik S, tegak lurus terhadap kecepatan partikel bermuatan. Mari kita buat sebuah silinder lurus yang pendek tak terhingga dengan tinggi di atasnya, seperti ditunjukkan pada Gambar. 3.1. Semua partikel yang terbungkus dalam silinder ini akan melewati area tersebut pada waktunya, mentransfer muatan listrik melaluinya dengan arah kecepatan:

Jadi, muatan listrik berpindah melalui suatu satuan luas per satuan waktu. Mari kita perkenalkan sebuah vektor yang arahnya bertepatan dengan vektor kecepatan. Vektor yang dihasilkan adalah rapat arus listrik. Karena ada rapat muatan volumetrik, rapat arus akan sama dengan . Jika pembawa arus adalah muatan positif dan negatif, maka rapat arus ditentukan dengan rumus:

,

dimana dan – kepadatan massal muatan positif dan negatif, dan – kecepatan gerak teraturnya.

Medan vektor dapat digambarkan dengan menggunakan garis-garis arus, yang dibangun dengan cara yang sama seperti garis-garis vektor tegangan, yaitu vektor rapat arus pada setiap titik penghantar diarahkan secara tangensial terhadap garis arus.

Gaya gerak listrik

Jika medan listrik tercipta pada suatu penghantar dan medan tersebut tidak dipertahankan, maka pergerakan pembawa arus akan mengakibatkan medan di dalam penghantar tersebut akan hilang dan arus akan terhenti. Untuk mempertahankan arus dalam rangkaian dalam waktu yang cukup lama, muatan perlu dipindahkan sepanjang jalur tertutup, yaitu membuat jalur arus searah ditutup. Oleh karena itu, dalam suatu rangkaian tertutup harus terdapat bagian-bagian yang pembawa muatannya akan bergerak melawan gaya-gaya medan elektrostatis, yaitu dari titik-titik yang potensialnya lebih rendah ke titik-titik yang potensialnya lebih tinggi. Hal ini hanya mungkin terjadi jika terdapat gaya non-listrik yang disebut gaya luar. Kekuatan pihak ketiga adalah kekuatan apa pun, kecuali kekuatan Coulomb.

Besaran fisis yang sama dengan kerja gaya luar ketika memindahkan satuan muatan pada suatu bagian rangkaian tertentu disebut gaya gerak listrik (EMF) yang bekerja pada bagian ini:

Gaya gerak listrik adalah karakteristik energi terpenting dari suatu sumber. Gaya gerak listrik diukur, seperti potensial, dalam volt.

Secara nyata rangkaian listrik Anda selalu dapat memilih bagian yang berfungsi untuk menjaga arus (sumber arus), dan menganggap sisanya sebagai “beban”. Gaya luar harus bekerja pada sumber arus, sehingga secara umum hal ini ditandai dengan gaya gerak listrik dan hambatan R, yang disebut resistansi sumber internal. Gaya eksternal juga dapat bekerja pada beban, tetapi dalam kasus yang paling sederhana gaya tersebut tidak ada, dan beban hanya dicirikan oleh hambatan.

Gaya resultan yang bekerja pada muatan di setiap titik rangkaian sama dengan jumlah gaya listrik dan gaya pihak ketiga:

Usaha yang dilakukan oleh gaya ini pada muatan di beberapa bagian rangkaian 1-2 akan sama dengan:

dimana adalah beda potensial antara ujung-ujung bagian 1-2, adalah gaya gerak listrik yang bekerja pada bagian tersebut.

Nilai numerik yang sama dengan usaha yang dilakukan oleh gaya listrik dan gaya luar ketika menggerakkan satu muatan positif disebut jatuh tegangan atau hanya tegangan pada bagian tertentu dari rangkaian. Karena itu, .

Bagian rantai yang tidak ada gaya luar yang bekerja disebut homogen. Daerah di mana gaya luar bekerja pada pembawa arus disebut tidak homogen. Untuk bagian rangkaian yang homogen, yaitu tegangannya bertepatan dengan beda potensial pada ujung-ujung bagian rangkaian.

Hukum Ohm

Ohm secara eksperimental menetapkan hukum yang menyatakan bahwa kekuatan arus yang mengalir melalui konduktor logam homogen sebanding dengan penurunan tegangan pada konduktor:

dimana adalah panjang konduktor, adalah luas penampang, adalah koefisien yang bergantung pada sifat-sifat material, yang disebut resistivitas listrik. Resistansi spesifik secara numerik sama dengan resistansi per satuan panjang suatu konduktor yang mempunyai luas penampang sama dengan satu.

Beras. 3.2

Dalam konduktor isotropik, pergerakan pembawa arus yang teratur terjadi searah dengan vektor kuat medan listrik. Oleh karena itu, arah vektor-vektornya bertepatan. Mari kita cari hubungan antara dan pada titik yang sama pada konduktor. Untuk melakukan ini, mari kita secara mental memilih volume silinder dasar di sekitar titik tertentu dengan generator yang sejajar dengan vektor dan (Gbr. 3.2). Arus gaya mengalir melalui penampang silinder. Karena medan di dalam volume yang dipilih dapat dianggap seragam, tegangan yang diberikan ke silinder sama dengan , di mana adalah kuat medan di lokasi tertentu. Hambatan silinder, menurut (3.2), adalah . Mengganti nilai-nilai ini ke dalam rumus (3.1), kita sampai pada relasi:

,

Dengan memanfaatkan fakta bahwa vektor-vektor tersebut memiliki arah yang sama, kita dapat menulis

Mari kita tulis ulang (3.4) dalam bentuk

.

Beras. 3.3

Rumus ini menyatakan hukum Ohm untuk bagian rantai yang tidak seragam.

Mari kita perhatikan rangkaian tertutup paling sederhana yang berisi sumber arus dan beban dengan hambatan R(Gbr. 3.3). Kami mengabaikan hambatan kabel suplai. Dengan demikian, kita memperoleh persamaan hukum Ohm untuk rangkaian tertutup:

Voltmeter ideal yang dihubungkan ke terminal sumber arus kerja menunjukkan tegangan sebagai berikut dari hukum Ohm untuk bagian rangkaian yang homogen - dalam hal ini, resistansi beban. Mengganti kekuatan arus dari ekspresi ini ke dalam hukum Ohm untuk rangkaian tertutup, kita memperoleh:

Dari sini terlihat tegangannya kamu di terminal sumber yang berfungsi selalu ada lebih kecil dari EMF-nya. Semakin dekat ke , semakin besar tahanan bebannya R. Pada batas at, tegangan pada terminal sumber terbuka sama dengan gglnya. Sebaliknya bila R=0, yang berhubungan dengan korsleting sumber arus, kamu=0, dan arus selama korsleting maksimum: .

Hukum Ohm memungkinkan Anda menghitung apa pun rantai yang kompleks. Sirkuit bercabang dicirikan oleh kekuatan arus yang mengalir melalui bagian-bagiannya, resistansi bagian-bagian tersebut dan ggl yang termasuk dalam bagian-bagian tersebut. Kekuatan arus dan ggl adalah besaran aljabar, yaitu dianggap positif jika gaya gerak listrik mendorong pergerakan muatan positif ke arah yang dipilih, dan arus mengalir ke arah ini, dan negatif jika sebaliknya. Namun, penghitungan langsung rantai bercabang bisa jadi sulit. Perhitungan ini sangat disederhanakan bila menggunakan aturan yang diusulkan oleh Kirchhoff.

aturan Kirchhoff

G. Kirchhoff (1824–1887) mempelajari hukum Ohm secara detail dan berkembang metode umum perhitungan arus searah pada rangkaian listrik, termasuk yang mengandung beberapa sumber EMF. Metode ini didasarkan pada dua aturan yang disebut hukum Kirchhoff. Aturan pertama Kirchhoff berlaku untuk node, yaitu titik di mana setidaknya tiga konduktor bertemu. Karena kita mempertimbangkan kasus arus konstan, maka pada titik mana pun dalam rangkaian, termasuk pada titik mana pun, muatan yang tersedia harus tetap konstan, oleh karena itu jumlah arus yang masuk ke titik tersebut harus sama dengan jumlah arus yang keluar. Jika kita sepakat untuk menganggap arus yang mendekati titik simpul adalah positif, dan arus keluar adalah negatif, maka kita dapat mengatakan bahwa jumlah aljabar kuat arus pada titik tersebut adalah nol:

Anda dapat memperoleh hubungan yang sama jika Anda setuju, ketika mengelilingi rangkaian ke arah tertentu, misalnya searah jarum jam, untuk mempertimbangkan arus positif yang arahnya bertepatan dengan arah bypass dan negatif - arus yang arahnya berlawanan dengan arah bypass. arah bypass. Kami juga akan mempertimbangkan EMF yang meningkatkan potensi ke arah bypass rangkaian sebagai positif dan negatif - EMF yang menurunkan potensi ke arah bypass.

Argumen ini dapat diterapkan pada loop tertutup mana pun, sehingga aturan kedua Kirchhoff masuk pandangan umum dapat ditulis sebagai berikut:

,

Di mana N adalah jumlah bagian dalam rangkaian, dan m adalah jumlah sumber EMF. Aturan kedua Kirchhoff mengungkapkan fakta nyata bahwa ketika kita benar-benar melewati sirkuit, kita kembali ke titik awal dengan potensial yang sama.

Jadi, dalam setiap rangkaian tertutup, yang dipilih secara sewenang-wenang dalam rangkaian konduktor bercabang, jumlah aljabar produk arus yang mengalir melalui resistansi bagian rangkaian yang bersesuaian sama dengan jumlah aljabar ggl yang ditemui dalam rangkaian ini.

Listrik

Ketika partikel bermuatan bergerak dalam suatu konduktor, muatan listrik berpindah dari satu tempat ke tempat lain. Namun, jika partikel bermuatan mengalami gerakan termal acak, seperti elektron bebas dalam logam, maka perpindahan muatan tidak terjadi. Muatan listrik bergerak melalui penampang konduktor hanya jika, selain pergerakan acak, elektron juga ikut serta dalam pergerakan yang teratur. Dalam hal ini, mereka mengatakan bahwa arus listrik terbentuk di konduktor.
Sengatan listrik disebut pergerakan partikel bermuatan yang teratur (terarah). Arus listrik timbul dari pergerakan elektron atau ion bebas yang teratur.
Muatan total yang dipindahkan melalui suatu penampang konduktor adalah nol, karena muatan-muatan yang berbeda tandanya bergerak dengan kecepatan rata-rata yang sama.
Arus listrik mempunyai arah tertentu. Arah arus dianggap sebagai arah pergerakan partikel bermuatan positif. Jika arus dihasilkan oleh pergerakan partikel bermuatan negatif, maka arah arus dianggap berlawanan dengan arah pergerakan partikel.
Kita tidak melihat secara langsung pergerakan partikel dalam suatu konduktor. Adanya arus listrik ditunjukkan dengan tindakan atau fenomena yang menyertainya sebagai berikut:
1. konduktor yang dilalui arus mengalir memanas,
2. arus listrik dapat mengubah susunan kimia penghantar,
3. Arus memberikan gaya pada arus tetangga dan benda magnet.
Jika arus listrik terjadi pada suatu rangkaian, ini berarti bahwa muatan listrik terus-menerus ditransfer melalui penampang konduktor. Muatan yang ditransfer per satuan waktu berfungsi sebagai karakteristik kuantitatif utama arus, yang disebut kekuatan saat ini. Jika melalui penampang konduktor tepat waktu Δt biaya ditransfer Δq, maka kekuatan saat ini adalah:

Kuat arus sama dengan perbandingan muatan Δq yang ditransfer melalui penampang konduktor selama selang waktu Δt terhadap selang waktu tersebut. Jika kuat arus tidak berubah terhadap waktu, maka arus tersebut disebut konstan.
Kekuatan saat ini adalah besaran skalar. Ini bisa positif dan negatif. Tanda arus bergantung pada arah mana sepanjang konduktor yang dianggap positif. Kekuatan arus saya > 0 jika arah arus bertepatan dengan arah positif yang dipilih secara kondisional sepanjang konduktor. Kalau tidak, aku< 0.
Kekuatan saat ini bergantung pada:
1. muatan yang dibawa oleh setiap partikel (q 0);
2. konsentrasi partikel (n);
3. kecepatan gerak terarah partikel (v);
4. luas penampang konduktor (S).

Dalam Sistem Satuan Internasional Kekuatan arus dinyatakan dalam ampere (A). Arus diukur dengan amperemeter.
Syarat terjadinya dan adanya arus listrik searah :
1. adanya partikel bermuatan bebas;
2. Partikel bermuatan harus dikenai gaya yang memastikan pergerakannya teratur selama periode waktu tertentu.
Agar arus konduksi tetap ada dalam suatu penghantar, maka perlu dilakukan kondisi berikut:
a) kuat medan listrik pada penghantar harus tidak nol dan tidak boleh berubah seiring waktu;
b) sirkit penghantar arus searah harus ditutup;
c) untuk biaya listrik gratis, sebagai tambahan Pasukan Coulomb, gaya non-elektrostatis, yang disebut gaya luar, harus bekerja. Kekuatan pihak ketiga dapat diciptakan oleh sumber arus (sel galvanik, baterai, generator listrik dan sebagainya.).

Hukum Ohm untuk bagian rangkaian

Kuat arus suatu penghantar berbanding lurus dengan tegangan yang diberikan dan berbanding terbalik dengan hambatan penghantar:

Resistansi konduktor R- besaran yang mencirikan resistansi suatu konduktor terhadap pembentukan arus listrik di dalamnya. Resistansi diukur dalam ohm (ohm). Jika, pada tegangan 1 V, arus sebesar 1 A dihasilkan dalam suatu penghantar, maka hambatan penghantar tersebut adalah 1 Ohm.
Hambatan suatu penghantar berbanding lurus dengan panjangnya l dan berbanding terbalik dengan luas penampang S:

dimana koefisien proporsionalitas ρ disebut resistivitas. Resistansi spesifik tergantung pada jenis zat dan suhu (dengan meningkatnya suhu, resistivitas sebagian besar logam meningkat), secara numerik sama dengan resistansi konduktor dengan satuan panjang dengan satuan luas penampang.

Gaya gerak listrik

Besaran fisis yang sama dengan perbandingan kerja medan luar untuk memindahkan muatan dengan besar muatan tersebut disebut gaya gerak listrik:

Gaya gerak listrik dinyatakan dalam volt.
Pihak ketiga adalah medan asal non-elektrostatis, yang kerjanya dalam rangkaian tertutup mana pun tidak nol. Medan seperti itu, bersama dengan medan Coulomb, tercipta di sumber arus: baterai, sel galvanik, generator, dll. Medan eksternal inilah yang mengkompensasi hilangnya energi dalam rangkaian listrik.

Hukum Ohm untuk rangkaian lengkap

Resistansi sumber sering disebut resistansi internal r, berbeda dengan resistansi eksternal R pada rangkaian. Pada generator, r adalah hambatan belitan, dan in sel galvanik- resistensi larutan elektrolit dan elektroda.
Hukum Ohm untuk rangkaian tertutup menghubungkan arus dalam rangkaian, ggl dan hambatan total R+r rangkaian.

Hasil kali arus dan hambatan suatu bagian suatu rangkaian sering disebut jatuh tegangan pada bagian tersebut. Jadi, EMF sama dengan jumlah penurunan tegangan di bagian dalam dan luar rangkaian tertutup.
Hukum Ohm untuk rangkaian tertutup ditulis dalam bentuk

Kuat arus dalam suatu rangkaian lengkap sama dengan rasio ggl rangkaian terhadap hambatan totalnya.
Kekuatan saat ini bergantung pada tiga besaran; EMF, resistansi R dan r dari bagian eksternal dan internal rangkaian. Total EMF rangkaian sama dengan jumlah aljabar EMF masing-masing elemen.

Sambungan konduktor seri dan paralel

Sambungan seri konduktor. Pada koneksi serial rangkaian listrik tidak mempunyai cabang. Semua konduktor dihubungkan ke sirkuit satu demi satu.

kekuatan saat ini	tegangan	perlawanan	hubungan tegangan-resistansi

Koneksi paralel konduktor

kekuatan saat ini	tegangan	perlawanan	hubungan antara arus dan hambatan

Koneksi paralel adalah cara paling umum untuk menghubungkan konsumen yang berbeda. Dalam hal ini, kegagalan satu perangkat tidak mempengaruhi pengoperasian perangkat lainnya, sedangkan dengan sambungan seri, kegagalan satu perangkat membuka rangkaian.

aturan Kirchhoff

1. Pada setiap titik percabangan kabel, jumlah aljabar arusnya adalah nol. Arus yang menuju ke titik percabangan dan arus yang keluar darinya harus dianggap nilai yang tandanya berbeda.

2.Dalam setiap rangkaian rangkaian tertutup, jumlah aljabar hasil kali kuat arus pada masing-masing bagian dan hambatannya sama dengan jumlah aljabar ggl sumber-sumber dalam rangkaian ini.

1. Arah arus dipilih secara sewenang-wenang. Jika setelah perhitungan I>0, maka arah yang dipilih benar, jika I<0, то направление противоположно.
2. Lingkaran tertutup sembarang dilintasi dalam satu arah. Jika arah ini bertepatan dengan arah panah, maka IR>0, jika berlawanan maka IR<0. Если при обходе контура источник тока проходит от "-" к "+", то его ξ>0.
3. Semua EMF dan semua R harus dimasukkan dalam sistem persamaan.

Pekerjaan dan kekuatan saat ini

Gaya listrik Coulomb dan pihak ketiga melakukan usaha A ketika memindahkan muatan sepanjang rangkaian listrik. Jika arus listrik konstan dan konduktor yang membentuk rangkaian tidak bergerak, maka energi W, yang diubah secara ireversibel selama waktu t dalam volume konduktor, sama dengan usaha yang dilakukan:
W = A = IUΔt,

Dimana I adalah kuat arus, U adalah jatuh tegangan pada penghantar.
Kerja saat ini pada suatu bagian rangkaian sama dengan hasil kali arus, tegangan dan waktu selama kerja dilakukan.
Transformasi energi ireversibel pada konduktor pembawa arus disebabkan oleh interaksi elektron konduksi dengan titik simpul kisi kristal logam Akibat tumbukan elektron dengan ion positif yang terletak pada lokasi kisi, elektron mentransfer energi ke ion. Energi ini digunakan untuk memanaskan konduktor.
Tenaga arus listriksama dengan perbandingan usaha yang dilakukan arus terhadap waktu terhadap selang waktu tertentu:

Dimana A adalah usaha yang dilakukan oleh arus selama waktu - kuat arus, U adalah jatuh tegangan pada suatu bagian rangkaian tertentu. Satuan daya arus listrik adalah watt, [P] = .

Jumlah panas, dirilis di konduktor selama ini:

Rumus terakhir mengungkapkan hukum Joule-Lenz: jumlah panas yang dihasilkan oleh arus dalam suatu penghantar berbanding lurus dengan kuat arus, waktu melewati penghantar, dan jatuh tegangan yang melintasinya.

Arus listrik dalam semikonduktor

Semikonduktor dalam konduktivitas listrik mereka menempati posisi perantara antara logam dan dielektrik. Arus dalam semikonduktor adalah pergerakan elektron dan lubang yang teratur yang terjadi di bawah pengaruh medan listrik. Resistansi semikonduktor menurun tajam dengan meningkatnya suhu, tidak seperti logam.
Konduktivitas diri semikonduktor biasanya berukuran kecil. Dengan adanya pengotor dalam semikonduktor, bersama dengan konduktivitas intrinsik, ada tambahan ketidakmurnian.
Jika suatu unsur digunakan sebagai pengotor, yang valensinya kurang dari satu valensi semikonduktor tertentu ( pengotor akseptor), kemudian untuk membentuk ikatan pasangan elektron normal dengan atom tetangga, atom pengotor kekurangan satu elektron: akibatnya, lubang. Semikonduktor seperti ini disebut semikonduktor tipe-p(pembawa muatan mayoritas di dalamnya adalah lubang, pembawa muatan minoritas adalah elektron). Jika valensi pengotor satu satuan lebih besar dari valensi semikonduktor ( pengotor donor), maka salah satu elektron dalam atom pengotor, tidak ikut serta ikatan kimia, dengan mudah meninggalkan atom dan menjadi bebas. Ternyata menjadi semikonduktor tipe-n(pembawa mayoritas adalah elektron, pembawa minoritas adalah hole).
Daerah kontak antara dua jenis semikonduktor disebut persimpangan pn. Ketika kontak seperti itu terbentuk, elektron mulai berdifusi dari semikonduktor tipe-n ke semikonduktor tipe-p, dan lubang mulai berdifusi ke arah semikonduktor tersebut. Akibatnya, daerah n menjadi bermuatan positif dan daerah p menjadi bermuatan negatif, dan muncul medan listrik yang menghentikan difusi elektron dan lubang. Jika Anda menghubungkan semikonduktor dengan sambungan p-n ke rangkaian listrik, sambungkan daerah p ke kutub positif, dan daerah n ke kutub negatif (koneksi langsung), resistensi transisi akan dapat diabaikan. Pada peralihan terbalik persimpangan p-n praktis tidak memungkinkan arus melewatinya. Properti ini digunakan dalam dioda semikonduktor.
Dioda semikonduktor digunakan dalam teknologi elektronik untuk menyearahkan arus listrik bersama dengan lampu vakum dua elektroda. Selain itu, dalam produksi elektronik konsumen, lampu praktis tidak lagi digunakan, karena dioda semikonduktor memiliki sejumlah keunggulan.
Misalnya, untuk mengoperasikan lampu dua elektroda, diperlukan sumber energi khusus untuk memanaskan filamen katoda (jika tidak, emisi termionik tidak akan terjadi dan pembawa muatan - termionik - tidak akan muncul di lampu). Dioda semikonduktor tidak memerlukan sumber daya seperti itu, dan bila digunakan dalam rangkaian yang cukup besar dan kompleks, penghematan energi yang signifikan dapat dicapai. Selain itu, dengan nilai arus penyearah yang sama, dioda semikonduktor jauh lebih kecil daripada tabung vakum.

Arus listrik dalam elektrolit

Eksperimen menunjukkan bahwa cairan dapat menjadi dielektrik, semikonduktor, atau konduktor. Cairan dielektrik yang paling terkenal adalah air. Sangat mudah untuk memverifikasi bahwa air adalah dielektrik dengan menempatkan dua elektroda dalam toples berisi air dan menghubungkannya ke sumber arus. Praktis tidak akan ada arus di sirkuit seperti itu.
Situasinya akan sangat berbeda jika air diganti dengan larutan konduktif. Larutan yang mempunyai daya hantar listrik disebut elektrolit. Ketika medan listrik tercipta dalam elektrolit, arus muncul di dalamnya, akibatnya ion positif mulai bergerak menuju katoda, dan ion negatif (dan elektron) menuju anoda.
Konduktivitas ionik dalam elektrolit seperti larutan asam, basa dan garam dijelaskan oleh disosiasi elektrolitik. Disosiasi- ini adalah disintegrasi molekul menjadi ion di bawah pengaruh medan listrik molekul pelarut polar. Ion-ion yang bermuatan berlawanan dalam tumbukan dapat bersatu kembali menjadi molekul netral - bergabung kembali. Dengan tidak adanya medan listrik, kesetimbangan dinamis terbentuk dalam larutan, ketika proses disosiasi dan rekombinasi saling menyeimbangkan.
Ketika arus melewati elektrolit, proses elektrolisis diamati - pelepasan zat yang membentuk elektrolit pada elektroda.

Arus listrik dalam gas

Gas, tidak seperti logam dan elektrolit, terdiri dari atom dan molekul yang netral secara listrik dan kondisi normal tidak mengandung pembawa arus bebas (elektron dan ion). Gas dalam kondisi normal bersifat dielektrik. Pembawa arus listrik dalam gas hanya dapat timbul bila ionisasi gas- pemisahan elektron dari atom atau molekulnya. Dalam hal ini, atom (molekul) gas berubah menjadi ion positif. Ion negatif dalam gas dapat timbul jika atom (molekul) mengikat elektron pada dirinya sendiri.
Arus listrik dalam gas disebut pelepasan gas. Untuk melakukan pelepasan gas, medan listrik atau magnet harus diterapkan pada tabung yang berisi gas terionisasi (tabung pelepasan gas).

Plasma.

Zat yang mengandung campuran atom netral, elektron bebas, dan ion positif disebut plasma. Plasma yang dihasilkan dari pelepasan listrik dengan arus yang relatif rendah (misalnya, dalam tabung “ siang hari") dicirikan oleh konsentrasi partikel bermuatan yang sangat rendah dibandingkan dengan partikel netral ( ). Biasanya disebut suhu rendah karena suhu atom dan ion mendekati suhu kamar. Energi rata-rata elektron yang jauh lebih ringan ternyata jauh lebih besar. Itu. plasma suhu rendah adalah media terbuka yang sangat tidak seimbang. Sebagaimana telah disebutkan, proses pengorganisasian mandiri dimungkinkan dalam lingkungan seperti itu. Bagus contoh terkenal adalah generasi radiasi koheren yang sangat teratur dalam plasma laser gas.
Plasma juga dapat berada dalam kesetimbangan termodinamika. Untuk keberadaannya, hal itu diperlukan panas(di mana energi gerak termal sebanding dengan energi ionisasi). Suhu seperti itu ada di permukaan Matahari dan dapat terjadi selama pelepasan listrik yang sangat kuat (petir) atau selama ledakan nuklir. Plasma seperti itu disebut panas.

hukum Joule-Lenz

Dalam suatu rangkaian listrik, ketika arus mengalir, terjadi serangkaian transformasi energi. Di dalam daerah luar sirkuit, pekerjaan memindahkan muatan dilakukan oleh gaya medan listrik stasioner dan energi medan ini diubah menjadi jenis lain: mekanik, termal, kimia, dan menjadi energi radiasi elektromagnetik. Karena itu, pekerjaan penuh waktu arus pada bagian luar rangkaian

A 0=Aduh+Ahim+ahli+Q.

Jika pada suatu bagian rangkaian yang terkena medan listrik tidak ada pekerjaan mekanis dan tidak terjadi transformasi kimia, maka kerja arus listrik hanya menyebabkan pemanasan pada penghantar.

Dalam hal ini, jumlah panas yang dilepaskan sama dengan usaha yang dilakukan oleh arus.

Jumlah panas Q, dirilis oleh saat ini SAYA selama T pada bagian rangkaian yang mempunyai hambatan R, sama Q=SAYA 2Rt.

Rumus ini mengungkapkan hukum Joule-Lenz, dipasang secara empiris pada abad ke-19 dua ilmuwan (Inggris - J. Joule dan Rusia E. X. Lenz).

Ketika arus listrik melewati suatu penghantar, jumlah kalor yang dilepaskan dalam penghantar tersebut berbanding lurus dengan kuadrat arus, hambatan penghantar, dan waktu yang dilalui arus..

Tindakan banyak alat pemanas listrik didasarkan pada hukum Joule Lenz. Ini adalah setrika, kompor listrik, ketel listrik, ketel uap, setrika solder, perapian listrik, dll.

Bagian utama dari setiap perangkat pemanas listrik adalah sebuah elemen pemanas (konduktor dengan resistivitas tinggi dililitkan pada pelat yang terbuat dari bahan tahan panas: mika, keramik).

Rumus hukum Joule-Lenz di atas mudah digunakan saat menghubungkan resistor secara seri, karena kuat arus di semua bagian rangkaian seri adalah sama. Jika dua buah resistor yang mempunyai hambatan dirangkai secara seri R 1 dan R 2, lalu Q 1=SAYA 2R 1T, Q 2=SAYA 2R 2T, Di mana Q 1Q 2=R 1R 2, yaitu jumlah panas yang dihasilkan oleh arus pada bagian-bagian rangkaian yang dihubungkan seri sebanding dengan resistansi bagian-bagian tersebut.

Menurut hukum Ohm, untuk bagian rangkaian DC yang homogen SAYA=kamu. Kemudian Q=kamu 2Rt .

Rumus ini mudah digunakan saat menghubungkan resistor secara paralel, karena tegangan pada setiap cabang rangkaian tersebut adalah sama. Jika dua buah resistor yang mempunyai hambatan dirangkai secara paralel R 1 dan R 2, lalu Q 1=kamu 2R 1T , Q 2=kamu 2R 2T, Di mana

Q 1Q 2=R 2R 1,

itu. jumlah panas yang dihasilkan oleh arus pada cabang-cabang rangkaian yang dihubungkan paralel berbanding terbalik dengan hambatan resistor yang termasuk dalam cabang-cabang tersebut.

Topik 4. Arus listrik searah

Pertanyaan studi:

1. Hukum arus listrik konstan.

2. Rangkaian listrik sederhana.

Perkenalan

Elektrostatika mempelajari interaksi benda-benda yang dialiri arus listrik (muatan) yang tidak dapat dialiri listrik

bergerak relatif satu sama lain. Namun di alam, dan khususnya di bidang teknik elektro,

Fenomena Tiongkok paling sering dikaitkan dengan biaya bergerak, yaitu listrik

arus langit. Studi tentang arus listrik sebagai sebuah fenomena dan penemuan cara untuk menciptakan (menghasilkannya) merupakan faktor yang menjamin perkembangan tenaga listrik, elektronik, elektrokimia dan dengan demikian berkontribusi pada pembentukan banyak teknologi modern.

Metode modern dalam menerima dan mentransmisikan energi listrik didasarkan pada beberapa hukum yang ditemukan pada abad ke-19. Fenomena dan proses yang berhubungan dengan arus listrik dipelajari pada bagian ilmu kelistrikan yang disebut elektrodinamika. Sampai saat ini, penerapan hukum-hukum ini telah menyebabkan terciptanya beberapa ilmu teknis, yang kompleksitasnya jauh melebihi elektrodinamika.

Kuliah ini mengkaji prinsip-prinsip dasar tipe sederhana arus - arus listrik searah, serta hukumnya untuk arus pada konduktor logam dan sistem konduktor sederhana, yang disebut rangkaian listrik.

1 . Hukum arus listrik konstan

1.1 Listrik. Arus konduksi

1. Fenomena arus listrik terdapat pada pengalaman sederhana. Jika dua benda bermuatan berbeda (misalnya, pelat kapasitor) dihubungkan dengan kawat logam (Gbr. 1.1.1), maka Anda dapat mendeteksi peningkatan suhu kawat dalam jangka pendek, hingga meleleh jika kapasitor bermuatan Cukup. Alasannya adalah bahwa benda-benda bermuatan mempunyai potensial dan medan listrik yang sama, dan ketika dihubungkan dengan kawat, medan tersebut bekerja dan

memindahkan muatan sepanjang kawat dari satu benda ke benda lain. Muatan yang dipindahkan (“mengalir”) saling mengimbangi, beda potensial antara pelat berkurang menjadi nol, dan proses perpindahan muatan terhenti. Pergerakan muatan ini adalah arus listrik. Dalam kasus yang dipertimbangkan, arusnya adalah jangka pendek. Dalam praktiknya, arus jangka pendek dan jangka panjang digunakan.

Definisi. Arus listrik adalah pergerakan teratur muatan listrik - benda listrik mikro dan makroskopis.

Diketahui tiga varietas arus listrik:

1) arus makroskopis di alam, disebabkan oleh pergerakan awan petir di atmosfer atau aliran magma internal

ri Bola dunia, pelepasan listrik petir; 2) arus konduksi secara substansi; pembawa muatan adalah elektron dan io-

3) arus dalam ruang hampa, yaitu di area ruang yang tidak ada materi atau konsentrasinya sangat rendah (misalnya arus elektron dalam tabung sinar katoda, partikel elementer dalam sinar kosmik dan akselerator).

Arus listrik dideteksi berdasarkan pengaruhnya terhadap benda luar. Dampak-dampak tersebut adalah:

1) termal - arus memanaskan benda yang dilaluinya;

2) mekanis - arus membelokkan jarum magnet atau arus lainnya;

3) kimia – arus memastikan proses elektrolisis dalam larutan zat (elektrolit);

4) biologis - arus memulai kontraksi otot dan mempengaruhi fungsi vital objek biologis.

2. Yang paling penting secara praktis adalah arus konduksi.

Definisi. Arus konduksi adalah arus listrik dalam suatu benda.

Untuk adanya arus konduksi, diperlukan adanya (1) beda potensial antara titik-titik benda dan (2) pembawa muatan listrik bebas di dalam benda.

Benda yang mempunyai arus konduksi disebut konduktor listrik . Mereka harus dalam keadaan padat atau keadaan cair. Konduktor termasuk logam dan elektrolit - larutan garam. Dalam logam, pembawa muatan bebas adalah elektron, dan dalam elektrolit

– ion (kation dan anion).

Dengan tidak adanya medan listrik eksternal, pembawa muatan di dalam konduktor juga bergerak, tetapi gerakan ini bersifat termal, yaitu kacau. Arus mikro yang ada di konduktor saling mengimbangi. Medan listrik luar memberikan semua muatan komponen arah, yang ditumpangkan pada kekacauan.

Definisi. Kecepatan gerak teratur pembawa muatan dalam suatu penghantar berarus listrik disebut kecepatan hanyut pembawa muatan

v DR.

Definisi. Garis-garis di mana terjadi pergerakan teratur pembawa muatan dalam suatu konduktor disebut garis arus.

Vektor kecepatan penyimpangan diarahkan bersinggungan dengan garis arus yang bersesuaian.

Aturan: arah kecepatan penyimpangan pembawa muatan positif (q0 0 .

Melalui medan elektrostatis, muatan positif berpindah dari titik yang potensialnya lebih tinggi ke titik yang potensialnya lebih rendah.

Dalam konduktor logam, arah arus berlawanan dengan arah pergerakan elektron yang sebenarnya - pembawa muatan sebenarnya.

3. Besaran kuantitatif utama yang digunakan untuk menggambarkan arus listrik adalah kuat arus dan rapat arus.

Mari kita pilih titik N tertentu di dalam konduktor dan menggambar melaluinya vektor kecepatan penyimpangan v DR dan garis arus yang sesuai (Gbr. 1.1.2). Kemudian kita akan membuat luas dasar (sangat kecil) dS, yang melalui titik N tegak lurus

kuular ke vektorv DR: dS v DR.

Jika terdapat arus pada penghantar, muatan dq melewati luas dS dalam waktu dt. Jelas sekali

d qd td q= Id t.

Definisi: Kekuatan arus di sekitar suatu titik tertentu N konduktor disebut

adalah besaran fisis skalar yang sama dengan muatan listrik yang melalui luas dasar d S per satuan waktu:

saya = dq/dt.

Jika konsentrasi pembawa muatan dalam suatu konduktor adalah n, dan setiap pembawa mempunyai muatanq 0,

maka mudah untuk menunjukkan bahwa dq =q 0 n v DR dS dt . Kemudian Gambar 1.1.2 rapat arus dan kuat arus pada titik N penghantar

dijelaskan dengan ekspresi:

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

I = jd S = q0 nv DR d S.

Satuan dasar untuk mengukur kuat arus adalah “ampere”: = 1A, dan rapat arus adalah “ampere dibagi meter persegi": = 1A / m2.

Penilaian menunjukkan bahwa pada arus I = 1A dalam konduktor tembaga, yang konsentrasi volume elektron valensinya 1028 m–3, kecepatan penyimpangannya bernilai DR 10–2 m/s. Kecepatan ini jauh lebih kecil daripada kecepatan rata-rata pergerakan kacau elektron valensi dalam volume konduktor (v CP 106 m/s).

4. Dalam prakteknya, konduktor logam sangat banyak digunakan penampang normal konstan:S = idem. Bagi mereka, garis arusnya sejajar, dan vektornya

kepadatan saat ini ry di semua titik pada bagian normal mana pun secara bersamaan

momen waktu adalah sama, yaitu sejajar, berarah sama dan besarnya sama:j S,j = =const. Kuat arus pada konduktor dengan penampang konstan adalah jumlah kuat arus yang melalui semua n luas dasar dS i, yang mana setiap penampang normal S dapat dibagi:

5. Definisi. Arus listrik disebut konstan jika kuat arusnya

tidak berubah seiring waktu.

Dari definisi kuat arus dapat disimpulkan bahwa dengan arus konstan yang melalui suatu penampang S suatu konduktor dalam periode waktu yang sama t melewati jumlah yang sama

biaya q:

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

Untuk dua konduktor dengan penampang berbeda S 1 dan S 2 dengan kuat arus yang sama (I 1 =I 2), modul rapat arus yang berbanding terbalik dengan luas penampang konduktor (j =I /S) berkorelasi sesuai dengan ekspresi berikut:

j1/j2 = S2/S1.

1.2 Hukum Ohm untuk arus dalam suatu konduktor

1. Arus listrik pada suatu penghantar timbul apabila terdapat beda potensial medan listrik (tegangan elektrostatis) pada ujung-ujung penghantar tersebut. Hubungan antara arus dan tegangan secara eksperimental dibuat oleh fisikawan Jerman G. Ohm

Hukum Ohm untuk arus dalam suatu penghantar: kuat arus dalam suatu penghantar homogen berbanding lurus dengan tegangan elektrostatis pada ujung-ujungnya -

Koefisien proporsionalitas (Yunani “lambda”) disebut konduktivitas listrik(konduktivitas listrik)konduktor.

Namun biasanya, alih-alih daya hantar listrik, berbanding terbalik

nilai yang diberikan padanya - hambatan listrik konduktor R 1/ .

Dalam hal ini hukum Ohm untuk konduktor berbentuk:

Saya = kamu/ R.

Satuan dasar pengukuran hambatan listrik adalah “ohm”: [R] = 1 V / A = 1 Ohm - ini adalah hambatan suatu penghantar yang arus searahnya sebesar 1A mengalir pada beda potensial 1V.

2. Telah ditetapkan secara eksperimental bahwa hambatan listrik bergantung pada (1). komposisi kimia konduktor, (2) pada bentuk dan ukurannya dan (3) pada suhu.

Resistansi konduktor homogen dengan penampang konstan berbanding lurus dengan panjangnya dan berbanding terbalik dengan luasnya normal persilangan:

R = aku/ S.

Faktor proporsionalitas dalam ungkapan ini adalah karakter fisik zat yang menyusun konduktor disebut listrik tertentu

ketahanan kimia zat yang membentuk konduktor.

Satuan resistivitas adalah ohm kali

meter": = 1 Ohm m. Perak memiliki resistivitas paling rendah

(= 1,6 10–8 ohm m) dan tembaga (= 1,7 10–8 ohm m).

3. Ketergantungan resistansi konduktor pada suhu disebabkan oleh ketergantungan resistivitas pada suhu. Pada suhu tidak terlalu berbeda dari biasanya, ketergantungan ini pada perkiraan pertama memiliki bentuk sebagai berikut:

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

di sini dan 0 , R dan R 0 – resistivitas dan resistansi konduktor pada suhu masing-masing t dan 0C (T dan 273,15 K). Koefisien proporsionalitas (1/273)K–1 hampir sama untuk semua konduktor logam:

(1/273) K –1 – dan disebut koefisien resistansi suhu.

Peningkatan hambatan listrik dengan meningkatnya suhu adalah tanda utama yang menurutnya, dari semua zat konduktif, sekelompok konduktor. Kelompok zat lain dicirikan oleh penurunan resistensi dengan meningkatnya suhu; mereka berbaikan kelompok semikonduktor pergi-

tukang listrik.

4. Dalam rangkaian listrik dan radio seringkali diperlukan nilai resistansi konduktor tertentu. Mereka dipasang dengan memilih konduktor standar yang disebut resistor. Resistor digabungkan menjadi sistem. Perhitungan resistansi sistem resistor (setara dengan

resistensi sistem) didasarkan pada ketergantungan yang dimiliki oleh resistensi

perkembangan dua sistem paling sederhana– rantai paralel dan serial

resistor.

Skema rantai paralel resistor dengan resistansi R 1, R 2, R 3,.., R n ditunjukkan pada Gambar. 1.2.1a: pertama, salah satu dari dua terminal setiap resistor dihubungkan dan membentuk simpul pertama A, dan kemudian terminal kedua terhubung di node kedua B. Di node

Tegangan U disuplai ke A dan B, sama untuk semua resistor:

kamu 1 =kamu 2 =kamu 3 = ... =kamu n =kamu .

Arus berkekuatan I mengalir ke simpul A dari kutub positif sumber, disini terbagi menjadi arus I 1, I 2, I 3,.., I n, yang dihubungkan pada simpul B menjadi arus yang sama kekuatan awal I. Artinya, kuat arus I sama dengan jumlah kuat arus di semua resistor:

Sebaliknya, menurut hukum Ohm, I = U/R PAR, dimana R PAR adalah resistansi ekuivalen dari rangkaian resistor paralel. Menyamakan ruas kanan dari ekspresi terakhir

zheny, kita mendapatkan rumus untuk menghitung RPAR: nilai yang berbanding terbalik dengan resistansi ekuivalen rangkaian resistor paralel sama dengan jumlah nilai yang berbanding terbalik dengan resistansinya:

5. Skema rantai daisy resistor dengan resistansi R 1, R 2, R 3,.., R n ditunjukkan pada Gambar. 1.2.1b: resistor dihubungkan dengan terminalnya seperti gerbong kereta.

Jika tegangan diterapkan ke terminal bebas dari resistor ekstrim R 1 dan R n, arus

arus akan sama di semua resistor:

Saya 1 =Saya 2 =Saya 3 = … =Saya n =Saya,

dan tegangan pada setiap resistor, menurut hukum Ohm, bergantung pada resistansinya sendiri:

Ui = Ii Ri = IRi.

Jelasnya, tegangan U pada ujung rangkaian sama dengan jumlah tegangan pada setiap resistor:

Sebaliknya, U = IR SEQ, di mana R SEQ adalah resistansi ekivalen rangkaian yang dipertimbangkan. Menyamakan ruas kanan dari ekspresi terakhir, kita memperolehnya

Resistansi pita rangkaian resistor seri sama dengan jumlah resistansinya:

R TERAKHIR = R saya . saya 0

Dengan menggunakan rasio R PAR dan R SEQUENCE yang diperoleh, Anda dapat menghitung resistansi sistem resistor apa pun, secara bertahap mengidentifikasi rantai serial dan/atau paralel di dalamnya.

1.3 Hukum Joule–Lenz untuk arus dalam suatu konduktor

1. Arus listrik dalam suatu konduktor timbul karena usaha yang dilakukan oleh medan elektrostatik untuk mentransfer muatan positif sepanjang konduktor:

AR = q(1 – 2) = q U.

Pada arus konstan q =I t. Lalu, diberikan Hukum Ohm untuk arus dalam suatu konduktor, kita dapat menyatakan kerja medan elektrostatis melalui parameter arus:

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

2. J.P. Joule dan, terlepas dari dia, fisikawan Rusia E.Kh. Lenz (1804-1865) masuk

1841-42 ditetapkan secara eksperimental: jika arus dilewatkan melalui stasioner

konduktor logam, maka satu-satunya efek yang dapat diamati adalah pemanasan konduktor, yaitu pelepasan panas Q ke ruang sekitarnya.

Dalam hal ini disebabkan oleh hukum kekekalan dan transformasi energi

QR = AR = I2 R t.

Persamaan ini merupakan ekspresi kuantitatif dari hukum Joule-Lenz untuk sebuah konduktor: jumlah panas yang dilepaskan dalam hal apa pun konduktor ketika pro-

melewatkan arus searah melaluinya sama dengan hasil kali kuadrat kuat arus dengan hambatan listrik penghantar dan waktu lewatnya arus.

Penggunaan hukum Ohm memungkinkan kita mengubah ekspresi hukum Joule-Lenz:

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

Jelas bahwa jika konduktor pembawa arus bergerak di bawah pengaruh Medan gaya(motor listrik) atau terjadi proses kimia di dalamnya (elektrolisis), maka usaha yang dilakukan arus akan melebihi jumlah kalor yang dikeluarkan.

Intensitas pelepasan panas ditandai dengan kekuatan arus -secara fisik

nilai skaya sama dengan usaha yang dilakukan arus per satuan waktu:

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

3. Pelepasan panas dijelaskan oleh fakta bahwa pembawa muatan berinteraksi dengan kisi kristal konduktor dan mentransfer energi dari gerakan teraturnya ke sana.

Efek termal arus telah diterapkan secara luas dalam teknologi, yang dimulai dengan penemuan pada tahun 1873. Insinyur Rusia A.N.Lodygin (1847-1923) bolam pijar Tindakan tungku peredam listrik, peralatan busur listrik dan pengelasan kontak logam, peralatan pemanas listrik rumah tangga dan banyak lagi didasarkan pada fenomena ini.

2. Rangkaian listrik sederhana

2.1 Sumber DC. Gaya gerak listrik dari sumber arus

1. Jika dalam suatu penghantar (resistor) pembawa muatan hanya dipengaruhi oleh gaya medan elektrostatis (seperti pada percobaan yang diilustrasikan pada Gambar 1.1.1), maka pembawa muatan berpindah dari titik-titik penghantar yang potensial lebih tinggi ke titik dengan potensi lebih rendah. Hal ini menyebabkan pemerataan potensial di semua titik konduktor dan, karenanya, hilangnya arus.

Dasar-dasar penggunaan praktis memiliki arus jangka panjang, termasuk arus konstan. Untuk keberadaan arus searah diperlukan perangkat yang dapat membuat dan memelihara ujung-ujung konduktor beda potensial yang konstan. Ta-

perangkat apa yang disebut Sumber DC.Dalam sumber saat ini

ada pemisahan spasial terus menerus antara muatan positif dan negatif di kutub sumber , yang memberikan perbedaan potensial di antara keduanya.

ke kutub sumber arus (Gbr. 2.1.1).

Penting bahwa, tidak seperti arus dalam konduktor, di dalam sumbernya arus (bagaimana pergerakannya

muatan positif) arah dari negatif kutub positif

nomu . Arah ini disebut arah alami arus pada sumbernya.

Ini secara fisik dengan tepat mencerminkan esensi proses dalam sumber arus dan sesuai dengan aturan yang menentukan arah arus dalam resistor yang terhubung ke kutub sumber.

Peran sumber arus mirip dengan peran pompa, yaitu diperlukan untuk memompa cairan melalui pipa sistem hidrolik. Secara formal, sumber arus “memompa” muatan positif dari kutub negatif ke kutub positif.

2. Gaya luar melakukan usaha STOR untuk memisahkan dan memindahkan muatan listrik di dalam sumber dan menciptakan medan listrik di antara kutub-kutubnya.

Definisi. Gaya gerak listrik (EMF) dari sumber arus adalah besaran fisis yang sama dengan kerja gaya luar yang dilakukan pada sumber ketika menghasilkan satuan muatan positif:

E A STOR/ q + .

Kesamaan definisi EMF sumber arus dan potensial medan listrik menjelaskan bahwa satuan dasar pengukuran EMF juga “volt”:

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

3. Dasar dari semua sumber arus adalah zat penghantar listrik. Oleh karena itu, sumber-sumber tersebut mempunyai hambatan listrik yang disebut resistensi internal dan dilambangkan dengan huruf r. Resistansi internal memanifestasikan dirinya ketika sumber memanas dalam mode operasi, yaitu ketika resistor dihubungkan ke sumber arus. Jumlah panas yang dilepaskan dalam sumber arus mematuhi hukum Joule-Lenz:

Qr = I2 r t.

Resistansi internal meningkat dengan meningkatnya suhu.

2.2 Bagian dari rangkaian listrik. Rangkaian tertutup sederhana

1. Untuk membuat arus listrik resistor dan sumber arus harus digunakan bersama-sama.

Definisi. Rangkaian listrik sederhana disebut sistem, negara-

terdiri dari resistor, sumber arus dan saklar (saklar) yang dihubungkan secara seri.

Definisi. Bagian dari rangkaian sederhana adalah bagian rangkaian listrik sederhana yang mengandung sejumlah resistor dan/atau sumber arus.

Definisi. Bagian homogen dari rantai sederhana disebut daerah yang mengandung

hanya menekan resistor.

Contoh bagian rangkaian yang homogen adalah rangkaian resistor seri (Gbr. 1.2.1b). Fenomena arus searah pada bagian homogen suatu rangkaian yang terdiri dari resistor dijelaskan oleh hukum Ohm dan Joule-Lenz untuk arus dalam suatu konduktor.

2. Definisi. Bagian rantai yang tidak homogen disebut bagian yang berisi resistor dan sumber arus yang dihubungkan seri.

Definisi. Jumlah resistansi resistor R dan resistansi internal r i dari sumber arus pada bagian tidak seragam suatu rangkaian sederhana disebut perlawanan penuh

perpaduan bagian rantai yang tidak seragam.

arus di daerah tersebut.

Definisi. Tegangan listrik pada bagian rangkaian A- yang tidak seragam

B adalah nilai yang sama dengan jumlah aljabar tegangan listrik luar dan EMF (penjumlahan dengan memperhatikan tanda) dari sumber arus yang termasuk dalam bagian:

kamu AB (A –B) +E AB =U +E AB;

di sini E AB =E 1 +E 2 + ... adalah jumlah aljabar (penjumlahan dengan memperhatikan tanda) EMF sumber arus pada bagian tersebut.

Komentar. Dapat dilihat bahwa untuk bagian rangkaian yang homogen, tegangannya sama tegangan elektrostatis antara titik masuk dan keluar saat ini:

(U AB ) SATU (A – B) SATU = U .

EMF E i dalam ekspresi untuk E AB adalah besaran aljabar: nilaiE saya

diambil dengan tanda “+” jika arah arus IAB pada bagian rangkaian bertepatan dengan arah alami pergerakan muatan positif pada sumber ke-i (pada Gambar 2.2.1 E 1 0); jika arah arus IAB berlawanan dengan arah alami pergerakan muatan positif pada sumbernya, maka nilai E i diambil dari

tanda “–” (pada Gambar 2.2.1E 2 0). Dengan demikian,

E AB= E 1E 2… .

3. Jika konduktor bagiannya tidak seragam rantai A-B tidak bergerak, maka menurut hukum kekekalan dan transformasi energi, kerja gaya elektrostatis dan gaya luar yang bekerja pada luas tersebut sama dengan kalor yang dilepaskan pada resistor dan sumber arus:

A AB = Q AB.

Mari kita perhatikan bagian rangkaian yang hanya berisi satu sumber arus dengan resistansi internal r (dalam hal ini E AB = E 1 ). Jelas sekali

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

dimana (AR + A r) =q + (A – B) – usaha gaya elektrostatis ketika memindahkan muatan positif q + .

Dari definisi EMF dapat disimpulkan bahwa A COP =q + E AB. Kemudian

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

Sebaliknya jumlah kalor Q AB =Q R +Q r dan menurut hukum Joule-Lenz

dan penentuan kuat arus listrik (I t =q + )

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

Menyamakan ruas kanan ekspresi terakhir untuk A AB dan Q AB menghasilkan persamaan tersebut

definisi hukum Ohm yang digeneralisasi untuk bagian rantai yang tidak seragam:

kuat arus pada bagian tidak seragam suatu rangkaian listrik berbanding lurus tegangan listrik di ujung bagian dan berbanding terbalik dengan impedansi bagian -

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

Oleh karena itu

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

dimana U R IR dan U r Ir adalah tegangan elektrostatis pada resistor dan internal

resistensi bagian rantai. Itu adalah tegangan listrik pada ujung bagian rangkaian yang tidak homogen sama dengan jumlah tegangan elektrostatis pada resistor dan resistansi internal sumber arus:

kamu + kamu r = (A –B) +E AB.

Komentar. Untuk bagian rangkaian yang homogen (E AB = 0, r = 0, U r = 0) dengan resistansi ekivalen R, hukum Ohm yang digeneralisasi diubah menjadi hukum Ohm untuk arus dalam suatu konduktor:

U = UR = IR.

Komentar. Hukum Ohm yang digeneralisasikan terpenuhi tidak hanya untuk arus searah (U = const), tetapi juga untuk setiap perubahan arus seiring waktu. Dalam hal ini, suatu bagian rantai mungkin juga berisi bagian lain elemen listrik: (1) kapasitor dengan tegangan UC =q/C pada pelatnya dan (2) solenoida yang menghasilkan ggl induksi elektromagnetik E i = –LdI/dt. Maka besaran U C dan E i harus diperhitungkan masing-masing pada ruas kiri dan kanan persamaan hukum Ohm yang digeneralisasi:

U R +U r +U C = (A –B) +E AB +E i ].

Penting untuk diingat bahwa huruf A menunjukkan akhir bagian rangkaian dari mana arus (q 0) mengalir ke bagian tersebut.

4. Hukum Ohm yang digeneralisasikan menunjukkan cara mengukur ggl sumber arus. Jika tidak ada arus pada daerah tak homogen (I = 0), maka berikut ini

E AB = – (A –B) = (B –A),

yaitu, EMF yang bekerja pada rangkaian tidak homogen sama dengan beda potensial elektrostatis pada ujung-ujung rangkaian dalam mode ketika ujung-ujung tersebut tidak ditutup melalui bagian lain.

Pengukuran ini dilakukan dengan menghubungkan kutub sumber ke terminal voltmeter.

2.3 Rangkaian tertutup sederhana

1. Definisi. Rangkaian tertutup sederhana disebut rangkaian yang diperoleh dengan menghubungkan (menutup) dengan kunci K ujung-ujung suatu bagian rangkaian sederhana (Gbr. 2.3.1).

Resistansi R pada rangkaian tertutup sederhana disebut resistensi eksternal

makan.

Dengan menggunakan hukum Ohm untuk arus dalam suatu konduktor, kita dapat menentukan berapa proporsi ggl E terhadap tegangan U R pada resistansi eksternal R:

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

Terlihat bahwa semakin besar hambatan luar rangkaian maka nilai U R semakin mendekati nilai E.

Jika resistansi eksternal rangkaian ternyata jauh lebih kecil daripada resistansi internal

(R r ), maka rantai akan putus saat ini hubungan pendek :

Saya KOR = E / r .

Mode hubung singkat sangat berbahaya bagi sumber arus. Milik mereka resistensi internal memiliki nilai mendekati 1 Ohm (r 1 Ohm). Oleh karena itu, arus hubung singkat, bahkan pada EMF rendah, dapat mencapai puluhan ampere. Panas Joule yang dilepaskan dalam hal ini, sebanding dengan kuadrat kuat arus (Q I 2), dapat merusak sumber.

2. Arus listrik pada logam. Bukti eksperimental sifat pembawa muatan listrik pada logam. Dasar-dasar teori elektronik klasik tentang konduktivitas dalam logam.

Gagasan tentang sifat elektronik pembawa muatan dalam logam, yang tertanam dalam teori Drude dan Lorentz, didasarkan pada sejumlah bukti eksperimental klasik.

Eksperimen pertama adalah eksperimen Rikke (1901), di mana, selama setahun, el. arus dialirkan melalui tiga silinder logam (Cu, Al, Cu) dengan radius yang sama, dihubungkan secara seri dengan ujung yang dipoles dengan hati-hati. Terlepas dari kenyataan bahwa muatan total yang melewati silinder mencapai nilai yang sangat besar (sekitar 3,5 * C), tidak ada perubahan massa logam terluar yang terdeteksi. Ini adalah bukti asumsi bahwa partikel bermassa sangat rendah ikut serta dalam transfer muatan.

Meskipun massa pembawa muatannya kecil, mereka memiliki sifat inersia, yang digunakan dalam eksperimen Mandelstam dan Papaleksi, dan kemudian dalam eksperimen Stewart dan Tolman, yang memutar kumparan dengan jumlah putaran yang sangat besar menjadi jumlah putaran yang sangat besar. kecepatan (sekitar 300 m/s), dan kemudian mereka mengeremnya dengan tajam. Akibatnya, perpindahan muatan akibat inersia menciptakan pulsa arus, dan dengan mengetahui dimensi dan hambatan konduktor serta besarnya arus yang dicatat dalam percobaan, maka dimungkinkan untuk menghitung rasio muatan terhadap massa. partikel, yang ternyata sangat dekat dengan nilai yang diperoleh elektron (1,7*C /kg).

Dasar-dasar teori elektronik klasik tentang konduktivitas dalam logam

Keberadaan elektron bebas dalam logam dijelaskan oleh fakta bahwa selama pembentukan kisi kristal suatu logam (sebagai akibat dari pendekatan atom yang terisolasi), elektron valensi, yang relatif lemah terikat dengan inti atom, terlepas dari logam. atom, menjadi “bebas” dan dapat bergerak sepanjang volume. Yaitu ion logam positif terletak di simpul kisi kristal, dan elektron bebas bergerak secara kacau di antara keduanya, membentuk semacam gas elektron, jalur bebas rata-rata elektron adalah sebesar urutan m (jarak antar titik kisi). Elektron konduksi bertabrakan dengan ion kisi, mentransfer energi ke ion kisi, sebagai akibatnya, kesetimbangan termodinamika terbentuk antara gas elektron dan kisi. Menurut teori Drude-Lorentz, elektron memiliki energi gerak termal yang sama dengan molekul gas monoatomik ideal dan pada suhu ruangan kecepatan termal elektron akan menjadi urutan besarnya / s, semua elektron dianggap independen dan untuk menjelaskan fenomena makroskopis (misalnya arus) cukup mengetahui perilaku satu elektron untuk menentukan perilaku semua elektron. Oleh karena itu, teori seperti ini disebut “pendekatan satu elektron” dan, meskipun sederhana, teori ini memberikan hasil yang memuaskan.

Pergerakan elektron yang kacau secara termal tidak dapat menyebabkan munculnya arus. Ketika medan listrik diterapkan pada konduktor logam, semua elektron memperoleh gerakan terarah, yang kecepatannya dapat diperkirakan dari kerapatan arus - bahkan pada kerapatan yang sangat tinggi (sekitar 10 -10 A/m), kecepatannya adalah . gerakan terurut adalah sekitar m/s. Akibatnya, ketika menghitung, kecepatan gerak elektron yang dihasilkan (termal + terurut) dapat diganti dengan kecepatan gerak termal.

Timbul pertanyaan: bagaimana menjelaskan fakta transmisi sinyal listrik secara instan dalam jarak jauh? Faktanya adalah sinyal listrik tidak dibawa oleh elektron-elektron yang ada di awal saluran transmisi, dan medan listrik dengan kecepatan sekitar 3 * m/s, yang melibatkan hampir seketika semua elektron di sepanjang rangkaian bergerak. Oleh karena itu, arus listrik terjadi hampir seketika dengan penutupan rangkaian