Hangi elektrik akımına doğrudan denir. Sabit elektrik akımı. Ana noktaları

4.1. Elektrik akımının özellikleri. İletim akımının varlığı koşulu.

Elektrik- yüklü parçacıkların düzenli hareketi. Serbest yüklerin hareketi altında düzenli hareketinin bir sonucu olarak iletken ortamda ortaya çıkan elektrik akımı Elektrik alanı bu ortamlarda oluşturulanlara denir iletim akımı. Metallerde akım taşıyıcıları serbest elektronlar, elektrolitlerde - negatif ve pozitif iyonlar, yarı iletkenlerde - elektronlar ve delikler, gazlarda - iyonlar ve elektronlardır.

Elektrik akımının yönü, pozitif yükün sıralı hareketinin yönüdür. elektrik ücretleri. Ancak gerçekte metal iletkenlerde akım, akımın yönünün tersi yönde hareket eden elektronların düzenli hareketi ile gerçekleştirilir.

mevcut güç skaler denir fiziksel miktar, şarj oranına eşit dq, dikkate alınan yüzeyden kısa bir sürede bu aralığın değerine aktarılır: .

Elektrik akımı denir kalıcı Akımın gücü ve yönü zamanla değişmiyorsa. İçin doğru akım.

Klasik elektronik teorisine uygun olarak akım gücü , Nerede e- elektron yükü, - iletkendeki serbest elektronların konsantrasyonu, - elektronların yönlendirilmiş hareketinin hızı, S- iletkenin kesit alanı. SI'daki akım gücü birimi amperdir: 1 A \u003d 1 C / s - 1 saniyede 1 C'lik bir yükün iletken bölümden geçtiği akım gücü.

Söz konusu yüzeyin çeşitli noktalarındaki elektrik akımının yönü ve akım kuvvetinin bu yüzey üzerindeki dağılımı, akım yoğunluğu tarafından belirlenir.

Akım yoğunluğu vektörü metallerdeki akım taşıyıcıları olan elektronların hareket yönünün tersine yönlendirilir ve yüklü parçacıkların hareket yönüne normal olan küçük bir yüzey elemanından geçen akım kuvvetinin değere oranına sayısal olarak eşittir. dS bu elemanın alanı: .

Rastgele bir yüzeyden geçen akım S:, vektörün izdüşümü nerede J normalin yönüne doğru.

homojen bir iletken için

Elektrik akımı, bir elektrik alanının etkisi altında meydana gelir. Bu durumda iletkendeki yüklerin denge (elektrostatik) dağılımı bozulur ve yüzeyi ve hacmi eş potansiyel olmaktan çıkar. İletkenin içinde görünür Elektrik alanı ve iletkenin yüzeyindeki elektrik alan kuvvetinin teğetsel bileşeni. İletkendeki elektrik akımı, iletkenin tüm noktaları eş potansiyel hale gelinceye kadar devam eder. Akımın zaman içinde sabit olabilmesi için birim yüzeyden aynı zaman aralıklarında akışın olması gerekir. aynı ücret yani Bu akımın aktığı iletkenin tüm noktalarındaki elektrik alanının gücü değişmeden kaldı. Bu nedenle doğru akım taşıyan bir iletkenin herhangi bir yerinde yüklerin birikmemesi veya azalmaması gerekir. Aksi takdirde bu yüklerin elektrik alanı değişecektir. Belirtilen koşul, DC devresinin kapalı olması gerektiği ve devrenin tüm kesitlerinde akım gücünün aynı olması gerektiği anlamına gelir.

Akımı korumak için, kaynak elektrik enerjisi - Her türlü enerjinin elektrik akımı enerjisine dönüştürüldüğü bir cihaz.

İletkende bir elektrik alanı oluşturulursa ve bunu korumak için herhangi bir önlem alınmazsa iletkenin içindeki alan çok hızlı bir şekilde yok olacak ve akım duracaktır. Akımı korumak için, kapalı bir yol boyunca hareket edecekleri yüklerin dolaşımını gerçekleştirmek gerekir. Elektrostatik alan vektörünün dolaşımı sıfıra eşittir, bu nedenle pozitif yüklerin elektrik alanının kuvvet çizgileri boyunca hareket ettiği alanlarla birlikte, elektrik alan kuvvetlerine karşı yük aktarımının meydana geldiği alanlar olmalıdır. Bu alanlardaki yüklerin hareketi, elektrik kökenli olmayan kuvvetlerin yardımıyla mümkündür; dış güçler.

4.2. Elektrik hareket gücü. Gerilim. Potansiyel fark.

Akımı koruyan dış kuvvetler, yükler üzerinde yaptıkları iş ile karakterize edilebilir. Pozitif yük birimi olarak adlandırılan dış kuvvetlerin işine eşit değere denir. elektrik hareket gücü(EMF). Kapalı bir devrede etki eden EMF, dış kuvvetlerin alan şiddeti vektörünün dolaşımı olarak tanımlanabilir.

EMF volt cinsinden ifade edilir.

Gerilim devre bölümünde (veya voltaj düşüşü) 1-2 noktadan zincir boyunca hareket ederken ortaya çıkan elektrostatik ve dış kuvvetler alanının yaptığı işe sayısal olarak eşit fiziksel bir miktar olarak adlandırılır. 1 Kesinlikle 2 birim pozitif yük: .

Dış kuvvetlerin yokluğunda voltaj sen potansiyel farkla eşleşir.

4.2. Doğru akım yasaları.

1826'da Alman bilim adamı G. Ohm, homojen bir metal iletkenden akan akımın gücünün iletken üzerindeki voltaj düşüşüyle ​​​​orantılı olduğu yasasını deneysel olarak oluşturdu: (Ohm yasasının integral formu). Homojen dış kuvvetlerin etki etmediği iletkene denir.

Değer R isminde elektrik direnci iletken, iletkenin özelliklerine ve geometrik boyutlarına bağlıdır: , burada - direnç yani 1 m 2 uzunluğunda ve 1 m 2 kesit alanına sahip bir iletkenin direnci, - iletkenin uzunluğu, S- iletkenin kesit alanı. İletkenin direnci, iletkenin içinde bir elektrik akımı oluşmasına karşı direncinin bir ölçüsüdür. Direncin birimi 1 ohm'dur. Bir iletken, 1 V'luk potansiyel farkla içindeki akım 1 A ise, 1 ohm'luk bir dirence sahiptir.

Genelleştirilmiş EMF'li bir devre bölümü için Ohm yasası: Bir devre bölümünün elektrik direnci ile içindeki akımın çarpımı, düşüşün toplamına eşittir elektriksel potansiyel bu bölümde ve söz konusu bölümde yer alan tüm elektrik enerjisi kaynaklarının EMF'si: .

Bir devrenin bir bölümü için genelleştirilmiş Ohm yasası, bir elektrik akımı devresinin bir bölümüne göre enerjinin korunumu ve dönüşümü yasasını ifade eder.

Diferansiyel formda Ohm Yasası: İletim akımı yoğunluğu yoğunlukla orantılıdır e iletkendeki elektrik alanı ve onunla aynı yönde çakışır, yani. . Orantılılık faktörü denir ortamın spesifik elektrik iletkenliği ve değer - ortamın elektriksel direnci.

Direnç ve sıcaklığa karşı formülle ifade edilir , burada - özdirenç, - iletkenin özelliklerine bağlı olarak termal direnç katsayısı, - Celsius derece cinsinden sıcaklık.

25K'nin altındaki sıcaklıklarda birçok metal ve alaşım dirençlerini tamamen kaybeder ve süper iletken olurlar. Süperiletkenlik bir kuantum olgusudur. Bir süperiletkenden akım geçtiğinde enerji kaybı olmaz. Çok güçlü bir manyetik alan süperiletken durumu yok eder.

Sıcaklık bağımlılığı:

Tutarlı Böyle bir iletken bağlantısı, bir iletkenin ucu diğerinin başlangıcına bağlandığında çağrılır. Seri bağlı iletkenlerden geçen akım aynıdır. Devrenin toplam direnci, devrede bulunan tüm bireysel iletkenlerin dirençlerinin toplamına eşittir:.

Paralel böyle bir iletken bağlantısı, tüm iletkenlerin bir ucu bir düğüme, diğer ucu başka bir düğüme bağlandığında çağrılır . Şu tarihte: paralel bağlantı tüm iletkenlerdeki voltaj aynıdır, bağlantı düğümlerindeki potansiyel farkına eşittir:. Tüm paralel iletkenlerin iletkenliği (yani direncin tersi), tüm bireysel iletkenlerin iletkenliklerinin toplamına eşittir: .

Tam bir devre için Ohm kanunu: Komple kapalı devre harici dirençten oluşur R ve EMF'ye eşit bir akım kaynağı , ve iç direnç . Tam bir devredeki akım gücü, akım kaynağının EMF'si ile doğru orantılıdır ve devrenin empedansı ile ters orantılıdır: .

2.1. Devamlı elektrik.
Mevcut güç. akım yoğunluğu

Elektrik akımı, elektrik yüklerinin yönlendirilmiş hareketidir. Madde, önemli mesafeler boyunca hareket edebilen serbest yük taşıyıcıları - elektronlar, iyonlar içeriyorsa, o zaman bir elektrik alanı varlığında, termal kaotik hareketlerinin üzerine bindirilen yönlendirilmiş bir hareket kazanırlar. Sonuç olarak serbest yük taşıyıcıları belirli bir yöne doğru sürüklenir.

Elektrik akımının niceliksel özelliği, birim zamanda söz konusu yüzeyden aktarılan yükün büyüklüğüdür. Buna mevcut güç denir. Eğer bir D yükü zamanla yüzey boyunca aktarılırsa Q, o zaman akım şuna eşittir:

SI birim sistemindeki akım gücü birimi Amper (A), . Zamanla değişmeyen akıma sabit akım denir.

Hem pozitif hem de negatif taşıyıcılar akımın oluşumuna katılabilir; elektrik alanı onları zıt yönlerde hareket ettirir. Akımın yönü genellikle pozitif taşıyıcıların hareket yönüne göre belirlenir. Aslında akım çoğu durumda, negatif yüklü olan elektronların akımın yönü için alınan yönün tersi yönde hareket etmesiyle yaratılır. Pozitif ve negatif taşıyıcılar bir elektrik alanında aynı anda hareket ediyorsa, o zaman tam akım her işaretin taşıyıcıları tarafından oluşturulan akımların toplamı olarak tanımlanır.

Elektrik akımını ölçmek için akım yoğunluğu adı verilen başka bir değer de kullanılır. Akım yoğunluğu miktardır yüke eşit yüklerin hareket yönüne dik bir birim alandan birim zamanda geçiş. Akım yoğunluğu vektörel bir büyüklüktür.

Pirinç. 3.1

Şununla belirt: N mevcut taşıyıcıların konsantrasyonu, yani birim hacim başına sayıları. Akım taşıyan bir iletkende sonsuz küçük bir D alanı çizelim. S yüklü parçacıkların hızına diktir. Bunun üzerine, Şekil 2'de gösterildiği gibi yüksekliği olan sonsuz kısa düz bir silindir inşa edelim. 3.1. Bu silindirin içindeki tüm parçacıklar zamanla alandan geçecek ve hız yönünde bir elektrik yükünü aktaracaktır:

Böylece birim zamanda birim alandan bir elektrik yükü aktarılır. Hız vektörüyle yönü çakışan bir vektör tanıtalım. Ortaya çıkan vektör elektrik akımı yoğunluğu olacaktır. Hacimsel yük yoğunluğu olduğundan akım yoğunluğu eşit olacaktır. Akım taşıyıcıları hem pozitif hem de negatif yüklerse, akım yoğunluğu aşağıdaki formülle belirlenir:

,

Nerede ve - yığın yoğunlukları Pozitif ve negatif yükler ve bunların sıralı hareketlerinin hızlarıdır.

Vektör alanı, yoğunluk vektörünün çizgileriyle aynı şekilde oluşturulan akış çizgileri kullanılarak gösterilebilir; yani iletkenin her noktasındaki akım yoğunluk vektörü, akım çizgisine teğet olarak yönlendirilir.

Elektrik hareket gücü

İletkende bir elektrik alanı oluşturulursa ve bu alan korunmazsa akım taşıyıcıların hareketi iletkenin içindeki alanın kaybolmasına neden olacak ve akım duracaktır. Devredeki akımı yeterince uzun süre korumak için yüklerin kapalı bir yol boyunca hareketinin gerçekleştirilmesi, yani DC hatlarının kapatılması gerekir. Bu nedenle kapalı bir devrede yük taşıyıcılarının elektrostatik alan kuvvetlerine karşı yani potansiyeli düşük noktalardan yüksek potansiyeli olan noktalara doğru hareket edecekleri bölümlerin olması gerekir. Bu yalnızca dış kuvvetler adı verilen elektrik dışı kuvvetlerin varlığında mümkündür. Dış kuvvetler, Coulomb kuvvetleri dışında her türden kuvvettir.

Devrenin belirli bir bölümünde bir birim yükü hareket ettirirken dış kuvvetlerin çalışmasına eşit bir fiziksel miktar, bu bölümde etkili olan elektromotor kuvvet (EMF) olarak adlandırılır:

Elektromotor kuvvet, kaynağın en önemli enerji özelliğidir. Elektromotor kuvvet, potansiyel gibi volt cinsinden ölçülür.

Herhangi bir gerçek elektrik devresi her zaman akımı (geçerli kaynak) korumaya hizmet eden bir bölümü seçebilir ve geri kalanını bir "yük" olarak değerlendirebilirsiniz. Dış kuvvetler mutlaka akım kaynağına etki eder, bu nedenle genel durumda elektromotor kuvvet ve direnç ile karakterize edilir. R, buna kaynağın iç direnci denir. Dış kuvvetler de yüke etki edebilir, ancak en basit durumlarda yoktur ve yük yalnızca dirençle karakterize edilir.

Devrenin her noktasında yüke etki eden sonuçta ortaya çıkan kuvvet, elektrik ve üçüncü taraf kuvvetlerinin toplamına eşittir:

Bu kuvvetin devre 1-2'nin bazı bölümlerinde yük üzerinde yaptığı iş şuna eşit olacaktır:

1-2 bölümünün uçları arasındaki potansiyel fark nerede, bu bölüme etki eden elektromotor kuvvettir.

Tek bir pozitif yükü hareket ettirirken elektrik ve dış kuvvetler tarafından gerçekleştirilen işe sayısal olarak eşit olan değere, devrenin belirli bir bölümünde voltaj düşüşü veya basitçe voltaj denir. Buradan, .

Zincirin dış kuvvetlerin etki etmediği kısmına homojen denir. Dış kuvvetlerin akım taşıyıcılarına etki ettiği alana homojen olmayan denir. Devrenin homojen bir bölümü için voltaj, devre bölümünün uçlarındaki potansiyel farkla çakışır.

Ohm kanunu

Ohm, homojen bir metal iletkenden akan akımın gücünün, iletken üzerindeki voltaj düşüşüyle ​​orantılı olduğunu öngören yasayı deneysel olarak oluşturdu:

iletkenin uzunluğu, kesit alanı, malzemenin özelliklerine bağlı olan ve elektriksel direnç adı verilen bir katsayıdır. Direnç, kesit alanı birliğe eşit olan bir iletkenin birim uzunluğunun direncine sayısal olarak eşittir.

Pirinç. 3.2

İzotropik bir iletkende, akım taşıyıcılarının sıralı hareketi, elektrik alan kuvveti vektörü yönünde meydana gelir. Bu nedenle vektörlerin yönleri çakışmaktadır. İletken ile aynı nokta arasındaki bağlantıyı bulalım. Bunu yapmak için, belirli bir noktanın yakınında, vektörlere paralel jeneratörlere sahip temel silindirik bir hacmi zihinsel olarak seçiyoruz ve (Şekil 3.2). Silindirin kesitinden bir akım akar. Seçilen hacmin içindeki alan düzgün kabul edilebileceğinden, silindire uygulanan voltaj, belirli bir konumdaki alan kuvvetine eşittir. (3.2)'ye göre silindirin direnci . Bu değerleri formül (3.1)'de değiştirerek aşağıdaki ilişkiye ulaşırız:

,

Vektörlerin ve vektörlerin aynı yöne sahip olmasından yararlanarak şunu yazabiliriz:

(3.4)’ü formda yeniden yazalım.

.

Pirinç. 3.3

Bu formül, bir zincirin homojen olmayan bir bölümü için Ohm yasasını ifade eder.

Bir akım kaynağı ve dirençli bir yük içeren en basit kapalı devreyi düşünün R(Şekil 3.3). Kurşun tellerin direncini ihmal ediyoruz. koyarak kapalı devre için Ohm yasasının ifadesini elde ederiz:

Çalışan bir akım kaynağının terminallerine bağlanan ideal bir voltmetre, devrenin homojen bir bölümü için - bu durumda yük direnci için - Ohm kanununa göre voltajı gösterir. Bu ifadedeki mevcut gücü kapalı devre için Ohm yasasına koyarsak şunu elde ederiz:

Buradan da anlaşılacağı üzere gerilim senÇalışan bir kaynağın terminallerindeki EMF'den her zaman daha azdır. 'ye ne kadar yakınsa yük direnci o kadar büyük olur R. Sınırda, açık kaynağın terminallerindeki voltaj EMF'sine eşittir. Tam tersi durumda ise R=0 akım kaynağının kısa devresine karşılık gelir, U=0 ve kısa devre akımı maksimumdur: .

Ohm kanunu herhangi bir hesaplama yapmanızı sağlar karmaşık zincir. Dallanmış bir devre, bölümlerinden akan akımların gücü, bölümlerin direnci ve bu bölümlerde yer alan EMF ile karakterize edilir. Akım gücü ve EMF cebirsel büyüklüklerdir, yani elektromotor kuvvet pozitif yüklerin seçilen yönde hareketine katkıda bulunursa ve akım bu yönde akarsa pozitif, tersi durumda ise negatif kabul edilirler. Ancak dallanmış zincirlerin doğrudan hesaplanması zor olabilir. Bu hesaplama Kirchhoff tarafından önerilen kurallar kullanılarak büyük ölçüde basitleştirilmiştir.

Kirchhoff kuralları

G. Kirchhoff (1824–1887) Ohm yasasını ayrıntılı olarak inceledi ve geliştirdi genel yöntemÇeşitli EMF kaynakları içerenler de dahil olmak üzere elektrik devrelerindeki doğru akımların hesaplanması. Bu yöntem Kirchhoff yasaları adı verilen iki kurala dayanmaktadır. Kirchhoff'un ilk kuralı düğüm noktalarına, yani en az üç iletkenin birleştiği noktalara uygulanır. Sabit akım durumunu düşündüğümüz için, herhangi bir düğüm de dahil olmak üzere devrenin herhangi bir noktasında mevcut yük sabit kalmalıdır, dolayısıyla düğüme akan akımların toplamı dışarı akan akımların toplamına eşit olmalıdır. Düğüme yaklaşan akımları pozitif, çıkan akımları ise negatif olarak kabul edersek, düğümdeki akımların kuvvetlerinin cebirsel toplamının sıfıra eşit olduğunu söyleyebiliriz:

Devreyi belirli bir yönde, örneğin saat yönünde atlayarak aynı oranı elde edebilirsiniz, yönü bypass yönüne denk gelen akımları pozitif ve yönü bypass yönünün tersi olan negatif akımları düşünün. . Ayrıca devreyi bypass etme yönünde potansiyeli artıran EMF'leri pozitif ve bypass yönünde potansiyeli azaltanları negatif olarak değerlendireceğiz.

Bu akıl yürütme herhangi bir kapalı döngüye uygulanabilir, dolayısıyla Kirchhoff'un ikinci kuralı Genel görünüm aşağıdaki gibi yazılabilir:

,

Nerede N devredeki bölüm sayısıdır ve m, EMF kaynaklarının sayısıdır. Kirchhoff'un ikinci kuralı, devreyi tamamen turladığımızda başlangıç ​​noktasına aynı potansiyelle döneceğimiz şeklindeki bariz durumu ifade etmektedir.

Bu nedenle, dallanmış bir iletken devresinde keyfi olarak seçilen herhangi bir kapalı devrede, devrenin karşılık gelen bölümlerinin dirençlerinden akan akımların kuvvetlerinin çarpımlarının cebirsel toplamı, karşılaşılan EMF'nin cebirsel toplamına eşittir. bu devre.

Elektrik

Yüklü parçacıklar bir iletken içinde hareket ettiğinde, elektrik yükü bir yerden başka bir yere aktarılır. Ancak yüklü parçacıklar, örneğin bir metaldeki serbest elektronlar gibi rastgele termal hareket gerçekleştirirse, yük aktarımı gerçekleşmez. Bir elektrik yükü iletkenin kesiti boyunca yalnızca rastgele hareketle birlikte elektronlar düzenli harekete katılırsa hareket eder. Bu durumda iletkende bir elektrik akımı oluştuğunu söylüyoruz.
Elektrik şoku yüklü parçacıkların düzenli (yönlendirilmiş) hareketi denir. Serbest elektronların veya iyonların düzenli hareketinden bir elektrik akımı ortaya çıkar.
Farklı işaretlerdeki yükler aynı ortalama hızla hareket ettiğinden, iletkenin herhangi bir bölümünden aktarılan toplam yük sıfırdır.
Elektrik akımının belirli bir yönü vardır. Pozitif yüklü parçacıkların hareket yönü akımın yönü olarak alınır.. Akım negatif yüklü parçacıkların hareketiyle oluşuyorsa, akımın yönü parçacıkların hareket yönünün tersi olarak kabul edilir.
Bir iletkendeki parçacıkların hareketini doğrudan görmeyiz. Bir elektrik akımının varlığı, ona eşlik eden aşağıdaki eylemler veya olaylarla gösterilir:
1. içinden akımın geçtiği iletken ısıtılır,
2. elektrik akımı iletkenin kimyasal bileşimini değiştirebilir,
3. Akımın komşu akımlar ve mıknatıslanmış cisimler üzerinde kuvvet etkisi vardır.
Devrede bir elektrik akımı kurulursa, bu, iletkenin kesiti boyunca sürekli olarak bir elektrik yükünün aktarıldığı anlamına gelir. Birim zaman başına aktarılan yük, akımın ana niceliksel özelliği olarak hizmet eder. mevcut güç. İletkenin kesiti zamanla geçerse Δtücret aktarıldı ∆q, o zaman akım şuna eşittir:

Akım gücü, Δt zaman aralığı boyunca iletkenin kesiti boyunca aktarılan Δq yükünün bu zaman aralığına oranına eşittir. Akımın gücü zamanla değişmiyorsa akıma sabit denir.
Mevcut güç skaler bir miktardır. Hem olumlu hem de olumsuz olabilir. Akım gücünün işareti, iletken boyunca hangi yönlerin pozitif olarak alındığına bağlıdır. Akımın yönü iletken boyunca koşullu olarak seçilen pozitif yön ile çakışıyorsa akım gücü I > 0. Aksi halde ben< 0.
Akımın gücü şunlara bağlıdır:
1. her parçacık tarafından taşınan yük (q 0);
2. parçacıkların konsantrasyonu (n);
3. parçacıkların yönlendirilmiş hareketinin hızı (v);
4. iletkenin kesit alanı (S).

Uluslararası Birim Sisteminde akım gücü amper (A) cinsinden ifade edilir. Akımı ampermetrelerle ölçün.
Doğru elektrik akımının ortaya çıkışı ve varlığı için koşullar:
1. Serbest yüklü parçacıkların varlığı;
2. Yüklü parçacıkların sınırlı bir süre boyunca düzenli hareket etmesini sağlamak için kuvvetler onlara etki etmelidir.
İletkende doğru iletim akımının oluşması için yapılması gerekenler aşağıdaki koşullar:
a) İletkendeki elektrik alan kuvveti sıfır olmamalı ve zamanla değişmemelidir;
b) DC iletim devresi kapatılmalıdır;
c) ücretsiz elektrik ücretlerine ek olarak Coulomb kuvvetleri, dış kuvvetler adı verilen elektrostatik olmayan kuvvetler etki etmelidir. Üçüncü taraf kuvvetleri mevcut kaynaklar (galvanik hücreler, piller, piller) tarafından oluşturulabilir. elektrik jeneratörleri ve benzeri.).

Ohm'un devre bölümü yasası

İletkendeki akımın gücü, uygulanan voltajla doğru orantılı, iletkenin direnciyle ters orantılıdır:

İletken direnci R- iletkenin içinde bir elektrik akımı oluşmasına karşı direncini karakterize eden bir değer. Direnç ohm (Ohm) cinsinden ölçülür. İletkende 1 V'luk bir voltajda 1 A'lık bir akım kurulursa, böyle bir iletkenin direnci 1 ohm'dur.
Bir iletkenin direnci, uzunluğu l ile doğru orantılı ve kesit alanı S ile ters orantılıdır:

orantılılık katsayısına ρ direnç denir. Direnç, maddenin türüne ve sıcaklığa bağlıdır (sıcaklığın artmasıyla çoğu metalin direnci artar), sayısal olarak birim kesit alanına sahip birim uzunluktaki bir iletkenin direncine eşittir.

Elektrik hareket gücü

Bir yükü hareket ettirirken dış alanın yaptığı işin bu yükün değerine oranına eşit bir fiziksel niceliğe denir. elektrik hareket gücü:

Elektromotor kuvvet volt cinsinden ifade edilir.
üçüncü şahıs herhangi bir kapalı devrede işi sıfıra eşit olmayan, elektrostatik olmayan kökenli bir alan denir. Böyle bir alan, Coulomb alanıyla birlikte mevcut kaynaklarda yaratılır: piller, galvanik hücreler, jeneratörler vb. Elektrik devresindeki enerji kayıplarını telafi eden dış alandır.

Tam bir devre için Ohm kanunu

Kaynak direnci genellikle devrenin dış direnci R'nin aksine iç direnç r olarak adlandırılır. Bir jeneratörde r, sargıların direncidir ve galvanic hücre- elektrolit çözeltisinin ve elektrotların direnci.
Ohm'un kapalı devre yasası devredeki akım gücü, EMF ve devrenin empedansı R+r ile ilişkilidir.

Bir devrenin bir bölümündeki akım ve direncin çarpımına genellikle o bölümdeki voltaj düşüşü denir. Dolayısıyla EMF, kapalı bir devrenin iç ve dış bölümlerindeki voltaj düşüşlerinin toplamına eşittir.
Ohm kanunu kapalı devre için şu şekilde yazılmıştır:

Tam bir devredeki akım gücü, devrenin EMF'sinin toplam direncine oranına eşittir.
Akımın gücü üç büyüklüğe bağlıdır; EMF, devrenin dış ve iç bölümlerinin R ve r dirençleri. Devrenin toplam EMF'si, bireysel elemanların EMF'sinin cebirsel toplamına eşittir.

İletkenlerin seri ve paralel bağlanması

İletkenlerin seri bağlantısı. Şu tarihte: seri bağlantı elektrik devresinde dal yoktur. Tüm iletkenler birbiri ardına devreye dahil edilir.

mevcut güç	Gerilim	rezistans	gerilim ve direnç arasındaki ilişki

İletkenlerin paralel bağlantısı

mevcut güç	Gerilim	rezistans	akım ve direnç arasındaki ilişki

Paralel bağlantı, farklı tüketicileri birbirine bağlamanın en yaygın yoludur. Bu durumda bir cihazın arızası diğerlerinin çalışmasını etkilemezken seri bağlantıda bir cihazın arızası devreyi açar.

Kirchhoff kuralları

1. Tellerin her dallanma noktasında akım kuvvetlerinin cebirsel toplamı sıfırdır. Dallanma noktasına giden akımlar ile buradan çıkan akımlar farklı işaretli değerler olarak değerlendirilmelidir.

2.Devrenin herhangi bir kapalı devresinde, ayrı bölümlerdeki akım kuvvetlerinin çarpımlarının cebirsel toplamı ve bunların direnci, bu devredeki kaynakların EMF'sinin cebirsel toplamına eşittir.

1. Akımların yönleri keyfi olarak seçilir. Hesaplamalardan sonra I>0 ise yön doğru seçilmiştir; eğer ben<0, то направление противоположно.
2. Rasgele bir kapalı döngü bir yönde geçilir. Bu yön ok yönüne denk geliyorsa IR>0, tersi ise IR<0. Если при обходе контура источник тока проходит от "-" к "+", то его ξ>0.
3. Tüm EMF ve tüm R'ler denklem sistemine dahil edilmelidir.

İş ve mevcut güç

Coulomb ve üçüncü taraf elektrik kuvvetleri, yükleri bir elektrik devresi boyunca hareket ettirirken A işi yapar. Elektrik akımı sabitse ve devreyi oluşturan iletkenler sabitse, o zaman iletkenin hacminde t zamanında geri dönüşü olmayan bir şekilde dönüştürülen W enerjisi mükemmel işe eşittir:
W \u003d A \u003d IUΔt,

I'nin akım gücü olduğu yerde, U iletkendeki voltaj düşüşüdür.
Mevcut çalışma devre bölümündeki akım gücü, voltaj ve işin yapıldığı sürenin çarpımına eşittir.
Akımlı bir iletkende geri dönüşü olmayan enerji dönüşümleri, iletken elektronların düğümlerle etkileşiminden kaynaklanmaktadır. kristal kafes metal. Elektronların kafes bölgelerinde bulunan pozitif iyonlarla çarpışması sonucunda elektronlar enerjiyi iyonlara aktarır. Bu enerji iletkeni ısıtmak için kullanılır.
Elektrik akımı gücüo zaman için mevcut işin bu zaman aralığına oranına eşittir:

A, akımın zaman içinde yaptığı iş - akımın gücü, U ise devrenin bu bölümündeki voltaj düşüşüdür. Elektrik akımı gücünün birimi watt'tır, [P] =.

Isı miktarı zamanla iletkende öne çıkan:

Son formül ifade eder Joule-Lenz yasası: İletkendeki akımın açığa çıkardığı ısı miktarı, akımın gücü, iletkenden geçiş süresi ve üzerindeki voltaj düşüşü ile doğru orantılıdır.

Yarı iletkenlerde elektrik akımı

Yarı iletkenler elektriksel iletkenlik açısından metaller ve dielektrikler arasında orta bir pozisyonda bulunurlar. Yarı iletkenlerdeki akım, bir elektrik alanının etkisi altında meydana gelen elektronların ve deliklerin düzenli bir hareketidir. Yarı iletkenlerin direnci, metallerin aksine artan sıcaklıkla keskin bir şekilde azalır.
Kendi iletkenliği yarı iletkenler genellikle küçüktür. Yarı iletkenlerde safsızlıkların varlığında, içsel iletkenliğin yanı sıra ilave bir kirlilik.
Safsızlık olarak, değeri verilen yarı iletkenin değerinden bir eksik olan bir element kullanılırsa ( alıcı safsızlığı), daha sonra komşu atomlarla normal çift-elektron bağlarının oluşumu için safsızlık atomunda bir elektron eksiktir: sonuç olarak, delik. Bu tür yarı iletkenlere denir p tipi yarı iletkenler(İçlerindeki ana yük taşıyıcıları deliklerdir, küçük olanlar ise elektronlardır). Safsızlığın değerliliği yarı iletkenin değerinden bir fazla ise ( donör safsızlığı), daha sonra safsızlık atomundaki elektronlardan biri, katılmayan Kimyasal bağ, atomdan kolayca ayrılır ve serbest kalır. Bir yarı iletken ortaya çıkıyor n tipi(ana taşıyıcılar elektronlar, küçük taşıyıcılar ise deliklerdir).
İki tip yarı iletkenin temas alanına denir Pn kavşağı. Böyle bir kontak oluştuğunda elektronlar n-tipi yarıiletkenden p-tipi yarıiletkene doğru yayılmaya başlar ve delikler de onlara doğru yayılmaya başlar. Sonuç olarak, n bölgesi pozitif olarak yüklenir ve p bölgesi negatif olarak yüklenir ve elektronların ve deliklerin difüzyonunu durduran bir elektrik alanı ortaya çıkar. P bölgesini pozitif kutba ve n bölgesini negatif kutba bağlayarak bir elektrik devresine p-n bağlantı noktasına sahip bir yarı iletken eklerseniz (doğrudan bağlantı) geçiş direnci ihmal edilebilir olacaktır. Şu tarihte: ters dahil etmeр-n - geçiş pratik olarak akımı geçmez. Bu özellik yarı iletken diyotlarda kullanılır.
Yarı iletken diyotlar kullanılır elektronik Mühendisliği vakumlu iki elektrotlu lambalarla birlikte elektrik akımını düzeltmek için. Ayrıca, tüketici elektroniği üretiminde, yarı iletken diyotların bir takım avantajları olduğundan lambalar artık pratikte kullanılmamaktadır.
Örneğin, iki elektrotlu bir lambanın çalışması için, katot filamanını ısıtmak için özel bir enerji kaynağına ihtiyaç vardır (aksi takdirde termiyonik emisyon meydana gelmeyecek ve lambada yük taşıyıcıları - termoelektronlar - görünmeyecektir). Yarı iletken diyotlar böyle bir güç kaynağına ihtiyaç duymazlar ve yeterince büyük ve karmaşık devrelerde kullanıldığında önemli ölçüde enerji tasarrufu elde edilir. Ayrıca aynı doğrultulmuş akım için yarı iletken diyotlar vakum tüplerinden çok daha küçüktür.

Elektrolitlerde elektrik akımı

Deneyler sıvıların dielektrik, yarı iletken veya iletken olabileceğini göstermektedir. En çok bilinen dielektrik sıvı sudur. İki elektrodu bir akım kaynağına bağlayarak bir kavanoz suya indirirseniz, suyun bir dielektrik olduğunu doğrulamak kolaydır. Böyle bir devrede neredeyse hiç akım olmayacaktır.
Suyun yerini iletken bir çözelti alırsa durum oldukça farklı olacaktır. Elektrik iletkenliğine sahip bu tür çözümlere denir elektrolitler. Elektrolitlerde bir elektrik alanı yaratıldığında, pozitif iyonların katoda ve negatif iyonların (ve elektronların) anoda doğru hareket etmesinin bir sonucu olarak içlerinde bir akım ortaya çıkar.
Asitlerin, alkalilerin ve tuzların çözeltileri olan bu tür elektrolitlerdeki iyonik iletkenlik, elektrolitik ayrışma ile açıklanır. Ayrışma- bu, polar çözücü moleküllerin elektrik alanının etkisi altında moleküllerin iyonlara parçalanmasıdır. Bir çarpışma sırasında zıt yüklü iyonlar nötr moleküllere yeniden birleşebilir - yeniden birleşebilir. Elektrik alanının yokluğunda, ayrışma ve rekombinasyon süreçleri birbirini dengelediğinde çözümde dinamik bir denge kurulur.
Akım elektrolitten geçtiğinde, elektroliz süreci gözlenir - elektroliti oluşturan maddelerin elektrotlar üzerinde salınması.

Gazlarda elektrik akımı

Gazlar, metallerden ve elektrolitlerden farklı olarak elektriksel açıdan nötr atomlardan ve moleküllerden oluşur. normal koşullar serbest akım taşıyıcıları (elektronlar ve iyonlar) içermez. Normal koşullar altında gazlar dielektriktir. Gazlardaki elektrik akımı taşıyıcıları ancak şu durumlarda ortaya çıkabilir: gaz iyonizasyonu- atomlarından veya elektron moleküllerinden ayrılma. Bu durumda gazların atomları (molekülleri) pozitif iyonlara dönüşür. negatif iyonlar gazlarda atomlar (moleküller) kendilerine elektron bağlarsa ortaya çıkabilir.
Gazlardaki elektrik akımına denir gaz deşarjı. Gaz deşarjını gerçekleştirmek için, iyonize gaz içeren bir tüpe (deşarj tüpü) bir elektrik veya manyetik alan uygulanmalıdır.

Plazma.

Nötr atomların, serbest elektronların ve pozitif iyonların karışımını içeren maddeye plazma denir. Nispeten düşük akımlı elektrik deşarjlarından kaynaklanan plazma (örneğin tüplerde) gün ışığı”), nötr olanlara kıyasla çok düşük yüklü parçacık konsantrasyonları ile karakterize edilir ( ). Atomların ve iyonların sıcaklığı oda sıcaklığına yakın olduğundan genellikle buna düşük sıcaklık denir. Çok daha hafif elektronların ortalama enerjisinin çok daha yüksek olduğu ortaya çıktı. O. Düşük sıcaklıktaki plazma esasen dengesiz, açık bir ortamdır. Belirtildiği gibi bu tür ortamlarda öz-örgütlenme süreçleri mümkündür. İyi ünlü örnek gaz lazerlerinin plazmasında yüksek düzeyde düzenli tutarlı radyasyonun üretilmesidir.
Plazma termodinamik dengede de olabilir. Onun varlığı için gereklidir sıcaklık(termal hareket enerjisinin iyonizasyon enerjisiyle karşılaştırılabilir olduğu noktada). Güneş'in yüzeyinde bulunan bu tür sıcaklıklar, nükleer patlamalar sırasında çok güçlü elektrik deşarjları (yıldırım) sırasında meydana gelebilir. Böyle bir plazmaya sıcak denir.

Joule-Lenz yasası

Bir elektrik devresinde akım geçtiğinde bir dizi enerji dönüşümü meydana gelir. İçinde dış bölüm Zincirde yükü hareket ettirme işi, sabit bir elektrik alanının kuvvetleri tarafından gerçekleştirilir ve bu alanın enerjisi diğer formlara dönüştürülür: mekanik, termal, kimyasal, elektromanyetik radyasyon enerjisine. Buradan, tam çalışma devrenin dış kısmındaki akım

A 0=Vah+Ahim+zeka+Q.

Devrenin bölümünde bir elektrik alanının etkisi altında hayır mekanik iş ve kimyasal dönüşümler meydana gelmezse, elektrik akımının çalışması yalnızca iletkenin ısıtılmasına yol açar.

Bu durumda açığa çıkan ısı miktarı akımın yaptığı işe eşittir.

Isı miktarı Q, akım tarafından yayılan BEN sırasında T devrenin dirençli bölümünde R, eşittir Q=BEN 2Rt.

Bu formül ifade eder Joule-Lenz yasası Kurulmuş ampirik olarak 19. yüzyılda iki bilim adamı (İngilizce - J. Joule ve Rusça E. X. Lenz).

Bir iletkenden elektrik akımı geçtiğinde, iletkende açığa çıkan ısı miktarı akımın karesi, iletkenin direnci ve akımın geçmesi için geçen süre ile doğru orantılıdır..

Birçok elektrikli ısıtıcının hareketi Joule Lenz yasasına dayanmaktadır. Bunlar ütüler, elektrikli sobalar, elektrikli su ısıtıcıları, kazanlar, havyalar, elektrikli şömineler vb.

Herhangi bir elektrikli ısıtıcının ana kısmı bir ısıtma elemanı (yüksek dirençli bir iletken, ısıya dayanıklı malzemeden bir plaka üzerine sarılır: mika, seramik).

Joule-Lenz yasasının yukarıdaki formülünün, dirençler seri olarak bağlandığında uygulanması uygundur, çünkü seri bağlı devrenin tüm bölümlerindeki akım gücü aynıdır. İki direnç seri bağlanırsa R 1 ve R 2, o zaman Q 1=BEN 2R 1T, Q 2=BEN 2R 2T, Neresi Q 1Q 2=R 1R 2, yani seri bağlı bir devrenin bölümlerinde akımın ürettiği ısı miktarı bu bölümlerin dirençleriyle orantılıdır.

Ohm kanununa göre DC devresinin homojen bir bölümü için BEN=URL'niz. Daha sonra Q=sen 2Rt .

Bu formülün dirençleri paralel bağlarken kullanılması uygundur, çünkü böyle bir devrenin her dalındaki voltaj aynıdır. İki direnç paralel bağlanırsa R 1 ve R 2, o zaman Q 1=sen 2R 1T , Q 2=sen 2R 2T, Neresi

Q 1Q 2=R 2R 1,

onlar. Paralel bağlı bir devrenin dallarında akımın ürettiği ısı miktarı, bu dallarda bulunan dirençlerin dirençleriyle ters orantılıdır..

Konu 4. Doğru elektrik akımı

Çalışma soruları:

1. Doğru elektrik akımı kanunları.

2. Basit bir elektrik devresi.

giriiş

Elektrostatik, elektrikli cisimlerin (yüklerin) etkileşimini inceler.

birbirlerine göre hareket ederler. Ancak doğada ve özellikle elektrik mühendisliğinde,

fenomenler çoğunlukla aşağıdakilerle ilişkilidir: hareketli masraflar yani elektrik

kayak akıntıları. Elektrik akımının bir olgu olarak incelenmesi ve onu yaratma (üretme) yollarının keşfi, elektrik enerjisi endüstrisinin, elektroniğin, elektrokimyanın gelişimini sağlayan ve böylece birçok modern teknolojinin gelişmesine katkıda bulunan faktör olmuştur.

Elektrik enerjisinin elde edilmesi ve iletilmesinin modern yöntemleri, 19. yüzyılda keşfedilen çeşitli yasalara dayanmaktadır. Elektrik akımıyla ilgili olaylar ve süreçler, elektrik doktrininin adı verilen bölümünde incelenmektedir. elektrodinamik. Bugüne kadar bu yasaların uygulanması, karmaşıklıkları açısından elektrodinamiği önemli ölçüde aşan birçok teknik bilimin yaratılmasına yol açmıştır.

Bu derste ana düzenlilikler tartışılmaktadır. basit biçim akım - doğru elektrik akımının yanı sıra metal iletkenlerdeki akım yasaları ve elektrik devresi adı verilen basit bir iletken sistemi.

1. Doğru elektrik akımı kanunları

1.1 Elektrik. İletim akımı

1. Elektrik akımı olgusu şu şekilde bulunur: basit deneyim. Zıt yüklü iki gövde (örneğin kapasitör plakaları) bir metal tel ile bağlanırsa (Şekil 1.1.1), o zaman yeterli bir kapasitörle erimesine kadar telin sıcaklığında kısa süreli bir artış tespit edilebilir. şarj. Bunun nedeni, yüklü cisimlerin farklı potansiyellere ve ortak bir elektrik alanına sahip olmaları ve bir tel ile birbirlerine bağlandıklarında alanın işi yapması ve

Yükleri bir tel boyunca bir vücuttan diğerine taşımak. Taşınan (“akan”) yükler birbirini telafi etti, plakaların potansiyel farkı sıfıra düştü ve yüklerin hareket etmesi süreci durduruldu. Yüklerin bu hareketi bir elektrik akımıdır. Ele alınan durumda, akım kısa vadeli. Uygulamada hem kısa vadeli hem de uzun vadeli akımlar kullanılır.

Tanım . Elektrik akımına, elektrik yüklerinin (mikro ve makroskobik elektrikli gövdeler) düzenli hareketi denir.

bilinen üç çeşit elektrik akımı:

1) makroskobik akımlar doğada, gök gürültülü bulutların atmosferdeki hareketi veya magmanın dahili olarak akması nedeniyle

ri küre yıldırım elektrik deşarjları; 2) iletim akımlarıönemli; yük taşıyıcıları elektronlar ve iyo-

3) boşluktaki, yani maddenin bulunmadığı veya çok düşük konsantrasyona sahip olduğu uzay bölgelerindeki akımlar (örneğin, katot ışın tüplerindeki elektron akımları, temel parçacıklar kozmik ışınlar ve hızlandırıcılarda).

Elektrik akımları dış cisimlere olan etkileriyle tespit edilir. Bu etkiler şunlardır:

1) termal akımlar içinden geçtikleri cisimleri ısıtır;

2) mekanik - akımlar manyetik bir iğneyi veya diğer akımları saptırır;

3) kimyasal akımlar, madde çözeltilerinde (elektrolitler) elektroliz işlemini sağlar;

4) biyolojik - akımlar kas kasılmasını başlatır ve biyolojik nesnelerin hayati fonksiyonlarını etkiler.

2. Pratik açıdan en büyük öneme sahip olanlar iletim akımları.

Tanım . İletim akımı cisimlerdeki elektrik akımıdır.

İletim akımının varlığı için, (1) cismin noktaları arasında potansiyel bir farkın olması ve (2) cisimlerde serbest elektrik yükü taşıyıcılarının olması gerekir.

İletim akımının varlığının mümkün olduğu cisimlere denir elektrik iletkenleri . Katı halde olmalılar veya sıvı hal. İletkenler arasında metaller ve elektrolitler - tuz çözeltileri bulunur. Metallerde serbest elektrik yükü taşıyıcıları elektronlardır ve elektrolitlerde

– iyonlar (katyonlar ve anyonlar).

Harici bir elektrik alanın yokluğunda iletkenlerin içindeki yük taşıyıcıları da hareket eder ancak bu hareket termal yani kaotiktir. İletkenlerde bulunan mikro akımlar birbirini telafi eder. Tüm yüklere harici bir elektrik alanı uygulanır yönlü hareket bileşeni kaotik üzerine bindirilmiş olan.

Tanım . Elektrik akımı olan bir iletken içindeki yük taşıyıcılarının düzenli hareket hızına yük taşıyıcılarının sürüklenme hızı denir.

v DR.

Tanım . Bir iletken içindeki yük taşıyıcılarının düzenli hareketinin olduğu çizgilere akım çizgileri denir.

Sürüklenme hızı vektörleri karşılık gelen akım çizgilerine teğetsel olarak yönlendirilir.

Kural: Pozitif yük taşıyıcılarının sürüklenme hızının yönü (q0 0 .

Elektrostatik alan sayesinde pozitif yükler mutlak değerde daha büyük potansiyele sahip noktalardan daha düşük potansiyele sahip noktalara doğru hareket eder.

Metal iletkenlerde akımın yönü, elektronların - gerçek yük taşıyıcılarının - gerçek hareket yönünün tersidir.

3. Elektrik akımını tanımlamak için kullanılan ana niceliksel büyüklükler, akım gücü ve akım yoğunluğudur.

İletkenin içinde bir N noktası seçiyoruz ve sürüklenme hızı vektörünü v DR ve bunun üzerinden karşılık gelen akım çizgisini çiziyoruz (Şekil 1.1.2). Daha sonra t'den geçen temel (sonsuz derecede küçük) bir dS alanı inşa ederiz.

özellikle v DR: dS v DR vektörüne.

İletkende akım olması durumunda dt yükü dS alanından dt zamanında geçer. Açıkça görülüyor ki

d qd td q= Kimlik t.

Tanım: Belirli bir noktanın yakınındaki mevcut güç N iletkeni denir

d temel alanından geçen elektrik yüküne eşit bir skaler fiziksel miktar Birim zaman başına S:

ben = dq/dt.

İletkendeki yük taşıyıcılarının konsantrasyonu n ise ve her taşıyıcının yükü q 0 ise,

o zaman dq =q 0 n v DS dS dt olduğunu göstermek kolaydır. Daha sonra Şekil 1.1.2 iletkenin N noktasındaki akım yoğunluğu ve akım gücü

ifadelerle anlatılmaktadır:

j =q 0 nv DR ,j =q 0 nv DR ;

I = jd S = q0 nv DR d S.

Akım gücünü ölçmek için temel birim "amper": \u003d 1A ve akım yoğunluğu - "amper bölü metrekare": \u003d 1A / m2.

Tahmin, değerlik elektronlarının hacim konsantrasyonunun n 1028 m–3 olduğu bir bakır iletkendeki I = 1A akımında, sürüklenme hızlarının v DR 10–2 m/s olduğunu göstermektedir. Bu hız, iletkenin hacmindeki değerlik elektronlarının kaotik hareketinin ortalama hızından (v СР 106 m/s) çok daha düşüktür.

4. Uygulamada metal iletkenler çok yaygın olarak kullanılmaktadır. sabit normal kesit:S=idem. Onlara göre akım çizgileri paraleldir ve vektör

ry akım yoğunluğu aynı anda herhangi bir normal kesitin tüm noktalarında

Zaman noktaları aynıdır, yani paraleldirler, tek yönde yönlendirilmişlerdir ve mutlak değer olarak eşittirler: j S , j = = const. Sabit kesitli iletkenlerdeki akım gücü, herhangi bir normal S bölümünün bölünebildiği tüm n temel dS i alanı boyunca akım güçlerinin toplamıdır:

5. Tanım. Akımın sabit olması durumunda elektrik akımına sabit denir.

zamanla değişmez.

Akım gücünün tanımından, iletkenin belirli bir S bölümü boyunca sabit bir akımda eşit süre boyunca t aynı miktarın geçtiği sonucu çıkar.

şarj q:

IPOST =sabit d q = Kimlik t q= Kimlik t= IPOST d t = IPOST t IPOST = q/ t.

Aynı akım gücünde (I 1 \u003d I 2) farklı kesitlere sahip iki iletken S 1 ve S 2 için, akım yoğunluğu modülleri, iletkenlerin kesit alanlarıyla ters orantılıdır (j \u003d I / S) ) aşağıdaki ifadeye göre ilişkilidir:

j1 / j2 = S2 / S1 .

1.2 Bir iletkendeki akım için Ohm kanunu

1. İletkenin uçlarında elektrik alanında (elektrostatik voltaj) potansiyel bir fark olduğunda, iletkende bir elektrik akımı oluşur. Deneysel olarak akım gücü ile voltaj arasındaki ilişki Alman fizikçi G. Ohm tarafından kuruldu.

Ohm'un bir iletkendeki akım yasası: homojen bir iletkendeki akım gücü, uçlarındaki elektrostatik voltajla doğru orantılıdır -

Orantılılık katsayısına (Yunanca "lambda") denir. elektiriksel iletkenlik(elektiriksel iletkenlik) kondüktör.

Ancak genellikle elektriksel iletkenlik yerine ters orantılıdır.

Değeri - iletkenin elektrik direnci R 1/ .

Bu durumda iletken için Ohm yasası şu şekildedir:

ben = U/R.

Elektrik direncinin temel ölçüm birimi "ohm"dur: [ R ] \u003d 1 V / A \u003d 1 Ohm - bu, 1V potansiyel farkta 1A doğru akımın aktığı iletkenin direncidir.

2. Elektrik direncinin (1)'e bağlı olduğu deneysel olarak tespit edilmiştir. kimyasal bileşim iletkenler, (2) şekilleri ve boyutları ve (3) sıcaklıkları.

Sabit kesitli homojen bir iletkenin direnci uzunluğuyla doğru orantılı, alanıyla ters orantılı normal enine kesit:

R = l/S.

Bu ifadedeki orantı katsayısı fiziksel özellik iletkeni oluşturan maddeye denir spesifik elektrik

iletkenin oluştuğu maddenin kimyasal direnci.

Direnç birimi "ohm çarpı"dır

metre ": \u003d 1 Ohm m. Gümüş en düşük dirence sahiptir

(= 1,6 10–8 ohm m) ve bakır (= 1,7 10–8 ohm m).

3. İletken direncinin sıcaklığa bağımlılığı, direncin sıcaklığa bağımlılığından kaynaklanmaktadır. Sıcaklıklarda normalden çok farklı değil, ilk yaklaşımdaki bu bağımlılık aşağıdaki forma sahiptir:

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

burada ve 0 ,R ve R 0 – direnç ve sırasıyla t ve 0C (T ve 273.15K) sıcaklıklardaki iletken direnci. Orantı katsayısı (1/273)K -1 tüm metal iletkenler için hemen hemen aynıdır:

(1/273) K -1 - ve sıcaklık direnci katsayısı olarak adlandırılır.

Artan sıcaklıkla birlikte elektrik direncinin artması ana özelliktir, buna göre tüm iletken maddelerden, iletken grubu. Diğer madde grupları, artan sıcaklıkla direncin azalmasıyla karakterize edilir; uydurdular yarı iletken grupları Gitmek-

elektrikçiler.

4. Elektrik ve radyo devrelerinde, iletkenlerin direncinin belirli spesifik değerlerine sahip olmak genellikle gereklidir. Direnç adı verilen standart iletkenler seçilerek kurulurlar. Dirençler sistemler halinde birleştirilir. Direnç sisteminin direncinin hesaplanması (eşdeğer

sistem direnci) tabi olan bağımlılıklara dayanmaktadır

tivleniya iki basit sistem- paralel ve seri zincir-

Zistorlar.

Şema paralel zincir R1, R2, R3, .., Rn dirençli dirençler Şekil 1.2.1a'da gösterilmektedir: önce her direncin iki terminalinden biri bağlanır ve ilk A düğümünü oluşturur ve ardından ikinci sonuçlar ikinci düğüm B'ye bağlanır. Düğümde

yalnızca A ve B voltajı U uygulanır, tüm dirençler için aynı:

U 1 \u003d U 2 \u003d U 3 \u003d ... \u003d U n \u003d U.

Kaynağın pozitif kutbundan A düğümüne bir kuvvet akımı akar.Burada, B düğümüne aynı değerde bir akıma bağlanacak olan I 1, I 2, I 3,.., I n akımlarına bölünür. başlangıç ​​gücü I. Yani, mevcut güç I, tüm dirençlerdeki mevcut güçlerin toplamına eşittir:

Öte yandan Ohm yasasına göre I \u003d U / R PAR, burada R PAR paralel bir direnç zincirinin eşdeğer direncidir. Son İfadelerin Doğru Kısımlarını Eşitleme

zhenii, hesaplamak için bir formül elde ederiz RPAR : paralel bir direnç dizisinin eşdeğer direnciyle ters orantılı değer, dirençleriyle ters orantılı değerlerin toplamına eşittir:

5. Şema seri zincir R 1, R 2, R 3, .., R n dirençli dirençler Şekil 1.2.1b'de gösterilmektedir: dirençler tren vagonları gibi terminallerine bağlanır.

Aşırı dirençler R1 ve Rn'nin serbest terminallerine voltaj uygulanırsa, o zaman

la akımı tüm dirençlerde aynı olacaktır:

I 1 \u003d I 2 \u003d I 3 \u003d ... \u003d I n \u003d I,

ve Ohm yasasına göre her bir direncin üzerindeki voltaj kendi direncine bağlıdır:

Ui = Ii Ri = IRi .

Açıkçası, zincirin uçlarındaki U gerilimi, her dirençteki gerilimlerin toplamına eşittir:

Öte yandan, U = IR LAST , burada R LAST, dikkate alınan devrenin eşdeğer direncidir. Son ifadelerin doğru kısımlarını eşitleyerek eşdeğerini elde ederiz.

Bir seri direnç zincirinin bant direnci, dirençlerinin toplamına eşittir:

R SON= R ben . ben 0

Elde edilen R PAR ve R LATCH oranlarını kullanarak, herhangi bir direnç sisteminin direncini, içindeki seri ve / veya paralel zincirleri kademeli olarak vurgulayarak hesaplamak mümkündür.

1.3 Bir iletkendeki akım için Joule-Lenz yasası

1. İletkendeki elektrik akımı, elektrostatik alanın iletken boyunca pozitif bir yükü aktarmak için yaptığı iş nedeniyle oluşur:

AR \u003d q (1 - 2) \u003d q U.

Doğru akımda q \u003d I t. Daha sonra göz önünde bulundurularak Bir iletkendeki akım için Ohm kanunu elektrostatik alanın çalışmasını mevcut parametreler cinsinden ifade edebiliriz:

AR \u003d I2 R t \u003d (U2 / R) t \u003d IU t

2.J.P. Joule ve ondan bağımsız olarak Rus fizikçi E.Kh. Lenz (1804-1865)

1841-42 deneysel olarak kurulmuştur: eğer akım sabit bir cisimden geçiyorsa

metal iletken ise gözlemlenen tek etki iletkenin ısınmasıdır, yani ısı Q'nun çevredeki boşluğa salınmasıdır.

Bu durumda enerjinin korunumu ve dönüşümü kanunu gereği

QR = AR = I2 R t.

Bu eşitlik, bir iletken için Joule-Lenz yasasının niceliksel bir ifadesidir: açığa çıkan ısı miktarı herhangi bir şekilde iletken olduğunda pro-

içinden doğru akım geçtiğinde, iletkenin akım kuvveti ile elektrik direncinin karesi ile akımın geçtiği sürenin çarpımına eşittir.

Ohm yasasını kullanmak Joule-Lenz yasasının ifadesini değiştirmenize olanak tanır:

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

Akım taşıyan bir iletkenin etkisi altında hareket etmesi durumunda açıktır. manyetik alan(elektrik motoru) veya kimyasal işlemler (elektroliz) meydana gelirse, akımın çalışması açığa çıkan ısı miktarını aşacaktır.

Isı salınımının yoğunluğu akımın gücü ile karakterize edilir - fiziksel

birim zaman başına akımın çalışmasına eşit bir değerle:

N A / t \u003d I 2 R \u003d U2 / R \u003d IU.

3. Isının salınması, yük taşıyıcılarının iletkenin kristal kafesi ile etkileşime girmesi ve ona düzenli hareketlerinin enerjisini aktarmasıyla açıklanmaktadır.

Akımın termal etkisi, 1873'teki buluşla başlayan teknolojide geniş uygulama alanı buldu. Rus mühendis A.N. Lodygin (1847-1923) ampul akkor. Elektrikli mufla fırınlarının, elektrik arkı ve metallerin direnç kaynağı için ekipmanın, ev tipi elektrikli ısıtıcıların ve çok daha fazlasının etkisi bu olguya dayanmaktadır.

2. Basit elektrik devresi

2.1 Doğru akım kaynağı. Akım kaynağının elektromotor kuvveti

1. İletkendeki (direnç) yük taşıyıcılarına yalnızca elektrostatik alanın kuvveti etki ediyorsa (Şekil 1.1.1'de gösterilen deneyde olduğu gibi), o zaman taşıyıcılar iletkenin daha yüksek potansiyele sahip noktalarından noktalara hareket eder. daha düşük bir potansiyele sahip. Bu, iletkenin tüm noktalarındaki potansiyellerin eşitlenmesine ve buna bağlı olarak akımın kaybolmasına yol açar.

Ana pratik kullanım doğru akımlar da dahil olmak üzere sürekli akımlara sahiptir. Varoluş için doğru akım iletkenin uçlarında oluşturabilen ve koruyabilen cihazlara ihtiyaç vardır sabit potansiyel farkı. Ta...

hangi cihazlara denir doğru akım kaynakları.Mevcut kaynaklarda pro-

Kaynağın kutuplarında pozitif ve negatif yüklerin sürekli bir uzaysal ayrımı gelir Bu da aralarında potansiyel bir fark sağlar.

akım kaynağının kutuplarına (Şek.2.1.1).

İletkendeki akımın aksine, önemlidir. iç kaynak akım (olarak

pozitif yükler) yönlendirilir olumsuzdan kutup pozitif

isim . Bu yöne denir kaynaktaki akımın doğal yönü.

Akım kaynağındaki işlemlerin özünü fiziksel olarak doğru bir şekilde yansıtır ve kaynağın kutuplarına bağlı dirençteki akımın yönünü belirleyen kurala karşılık gelir.

Akım kaynağının rolü, borulardan sıvı pompalamak için gerekli olan pompanın rolüne benzer. hidrolik sistem. Resmi olarak konuşursak, mevcut kaynak pozitif yükleri negatif kutbundan pozitif kutbuna "pompalar".

2. Dış kuvvetler, kaynağın içindeki elektrik yüklerinin ayrılması ve hareketi ile kutupları arasında bir elektrik alanının oluşturulması üzerinde bir DUR işi yapar.

Tanım . Bir akım kaynağının elektromotor kuvveti (EMF), bir birim pozitif yükün üretiminde kaynakta gerçekleştirilen dış kuvvetlerin çalışmasına eşit fiziksel bir miktardır:

E A STOR / q + .

Akım kaynağının EMF tanımlarının ve elektrik alanının potansiyelinin benzerliği, EMF'nin ana ölçüm biriminin de "volt" olduğunu açıklamaktadır:

[ E ] \u003d 1 J / C \u003d 1 V.

3. Tüm akım kaynaklarının temeli elektriksel olarak iletken maddelerdir. Bu nedenle kaynakların bir elektrik direnci vardır ki buna denir. iç direnç ve r harfi ile gösterilir. İç direnç, kaynağın çalışma modunda ısıtılmasında, yani bir direnç bir akım kaynağına bağlandığında kendini gösterir. Mevcut kaynaklarda açığa çıkan ısı miktarı Joule-Lenz yasasına uygundur:

Qr = I2 r t.

Sıcaklık arttıkça iç direnç artar.

2.2 Elektrik devresinin bölümü. Basit kapalı devre

1. Oluşturmak için elektrik akımları dirençler ve akım kaynakları birlikte kullanılmalıdır.

Tanım . Basit elektrik devreleri Sistemler denir, durum-

seri bağlı dirençlerden, akım kaynaklarından ve anahtarlardan (anahtarlar).

Tanım . Basit bir zincirin bölümü Basit bir elektrik devresinin bir veya daha fazla sayıda direnç ve / veya akım kaynağı içeren bir kısmına denir.

Tanım . Basit bir zincirin homojen bölümü içeren alana denir

sadece dirençleri çekiyoruz.

Bir devrenin homojen bir bölümüne bir örnek, bir seri direnç zinciridir (Şekil 1.2.1b). Dirençlerden oluşan devrenin homojen bir bölümünde doğru akım olgusu, iletkendeki akım için Ohm ve Joule-Lenz yasalarıyla tanımlanır.

2. Tanım. Zincirin homojen olmayan kısmı seri bağlı dirençleri ve akım kaynaklarını içeren bölüme denir.

Tanım . Basit bir devrenin homojen olmayan bir bölümünde dirençlerin R dirençlerinin ve akım kaynaklarının iç dirençlerinin r i toplamına denir. toplam direnç

zincirin homojen olmayan bir bölümünün oluşmasıyla.

Bölgedeki kov akıntısı.

Tanım . A devresinin homojen olmayan kısmındaki elektrik voltajı

B, bölümde yer alan akım kaynaklarının harici elektrik voltajının ve EMF'sinin (işaretleri dikkate alarak toplamı) cebirsel toplamına eşit olan değerdir:

U AB (A -B) + E AB \u003d U + E AB;

burada E AB \u003d E 1 + E 2 + ..., bölümdeki mevcut kaynakların EMF'sinin cebirsel toplamıdır (işaretler dikkate alınarak toplama).

Yorum. Devrenin homojen bir bölümü için voltajın aynı olduğu görülebilir. elektrostatik voltaj mevcut giriş ve çıkış noktaları arasında:

(U AB) BİR (A - B) BİR = U.

E AB ifadesindeki EMF E i cebirsel büyüklükler: E i'nin değeri

ise "+" işaretiyle alınır devre bölümündeki IAB akımının yönü, i-th kaynağındaki pozitif yüklerin doğal hareket yönü ile çakışmaktadır (Şekil 2.2.1 E 1 0'da); mevcut IAB'nin yönü kaynaktaki pozitif yüklerin doğal hareket yönünün tersi ise, o zaman E i'nin değeri alınır.

"-" işareti (Şekil 2.2.1E 2 0'da). Böylece,

E AB \u003d E 1E 2 ... .

3. Homojen olmayan bir bölümün iletkenleri ise A-B zincirleri hareketsizse, enerjinin korunumu ve dönüşümü yasasına göre, bölgeye etki eden elektrostatik ve dış kuvvetlerin çalışması, direnç ve akım kaynaklarında salınan ısıya eşittir:

A AB \u003d Q AB.

İç direnci r olan yalnızca bir akım kaynağı içeren bir devre bölümünü düşünün (bu durumda, E AB \u003d E 1 ). Açıkça görülüyor ki

A AB \u003d A R + A r + A STOR,

burada (A R + A r) \u003d q + (A -B) - iş elektrostatik kuvvetler pozitif bir yükü hareket ettirirken q + .

EMF'nin tanımından A STOR \u003d q + E AB olduğu anlaşılmaktadır. Daha sonra

A AB \u003d q + (A - B) + q + E AB \u003d q + (A - B) + E AB \u003d q + U AB.

Öte yandan ısı miktarı Q AB \u003d Q R + Q r ve Joule-Lenz yasasına göre

ve elektrik akımının tanımı (I t \u003d q +)

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

A AB ve Q AB için son ifadelerin doğru kısımlarının eşitlenmesi şu ifadeyi verir:

Homojen olmayan bir zincir bölümü için genelleştirilmiş Ohm yasası:

Bir elektrik devresinin homojen olmayan bir bölümündeki akım gücü ile doğru orantılıdır. elektrik voltajı bölümün uçlarında ve bölümün toplam direnciyle ters orantılıdır -

I \u003d (A -B) + E AB / (R + r) \u003d U AB / (R + r).

Dolayısıyla şu sonuç çıkıyor

U AB \u003d I (R + r) \u003d IR + Ir U R + U r,

burada U R IR ve U r Ir, direnç ve dahili devre üzerindeki elektrostatik voltajlardır.

zincir bölümü direnci. Yani devrenin homojen olmayan bölümünün uçlarındaki elektrik voltajı, direnç üzerindeki elektrostatik voltajların ve akım kaynağının iç direncinin toplamına eşittir:

U R + U r \u003d ( A - B) + E AB.

Yorum. Eşdeğer direnç R'ye sahip devrenin homojen bir bölümü (E AB \u003d 0, r \u003d 0, U r \u003d 0) için, genelleştirilmiş Ohm yasası, iletkendeki akım için Ohm yasasına dönüşür:

U=UR=IR.

Yorum. Genelleştirilmiş Ohm yasası yalnızca doğru akım (U = sabit) için değil, aynı zamanda zaman içinde akımda meydana gelen herhangi bir değişiklik için de geçerlidir. Bu durumda zincir segmenti başkalarını da içerebilir. elektrik elemanları: (1) plakalarında U C \u003d q / C voltajı olan kapasitörler ve (2) elektromanyetik indüksiyon EMF E i \u003d -LdI / dt oluşturan solenoidler. Daha sonra genelleştirilmiş Ohm yasası denkleminin sol ve sağ kısımlarında U C ve E i miktarları sırasıyla dikkate alınmalıdır:

U R + U r + U C \u003d ( A - B) + E AB + E i].

A harfinin, akımın (q 0) bölüme aktığı devre bölümünün sonunu gösterdiğini unutmamak önemlidir.

4. Genelleştirilmiş Ohm yasası, mevcut bir kaynağın EMF'sini ölçmek için bir yöntem gösterir. Homojen olmayan bölümde akım yoksa (I = 0), bundan şu sonuç çıkar:

E AB \u003d - (A -B) \u003d (B -A),

yani homojen olmayan bir devrede etki eden EMF, diğer bölümler aracılığıyla kapatılmadıklarında moddaki devrenin uçlarındaki elektrostatik potansiyel farkına eşittir.

Bu ölçüm kaynağın kutuplarının voltmetrenin terminallerine bağlanmasıyla gerçekleştirilir.

2.3 Basit kapalı devre

1. Tanım. Basit kapalı devre K anahtarının basit bir zincirin bir bölümünün uçlarına bağlanmasıyla (kapatılmasıyla) elde edilen bir zincir denir (Şekil 2.3.1).

Basit bir kapalı devrede R direncine denir dış direnç

yemek yemek.

İletkendeki akım için Ohm yasasını kullanarak, EMF E'nin hangi kısmının harici direnç R üzerindeki U R voltajı olduğunu belirleyebilirsiniz:

I \u003d U R / R U R \u003d I R \u003d E R / (R + r) \u003d E / (1 + (r / R )) \u003d E (1 - (r / R )), r R ile.

Devrenin dış direnci ne kadar büyük olursa U R değerinin E değerine o kadar yakın olduğu görülebilir.

Devrenin dış direnci iç direncinden çok daha azsa

(R r), o zaman zincir gidecek akım kısa devre :

ben KOR \u003d E / r.

Kısa devre modu akım kaynakları için son derece tehlikelidir. Onların iç direnç 1Ω'a (r 1Ω) yakın değerlere sahiptir. Bu nedenle kısa devre akımları düşük EMF'de bile onlarca ampere ulaşabilir. Bu durumda salınan Joule ısısı, akım gücünün karesiyle (Q I 2 ) orantılı olarak kaynağı devre dışı bırakabilir.

2. Metallerde elektrik akımı. Metallerdeki elektrik yükü taşıyıcılarının doğasının deneysel kanıtı. Metallerde klasik elektronik iletim teorisinin temelleri.

Drude ve Lorentz teorisinde ortaya atılan metallerdeki yük taşıyıcılarının elektronik doğası fikri, bir dizi klasik deneysel kanıta dayanmaktadır.

Bu deneylerden ilki, yıl boyunca Rikke'nin (1901) deneyimidir. akım, uçları dikkatlice parlatılmış şekilde seri olarak bağlanan aynı yarıçaptaki üç metal silindirden (Cu, Al, Cu) geçirildi. Silindirlerden geçen toplam yükün çok büyük bir değere (yaklaşık 3,5 * C) ulaşmasına rağmen, en dıştaki metallerin kütlesinde herhangi bir değişiklik bulunamadı. Bu, yük transferinde son derece küçük kütleli parçacıkların yer aldığı varsayımının kanıtıydı.

Yük taşıyıcıların küçük kütlelerine rağmen, Mandelstam ve Papaleksi'nin deneylerinde ve daha sonra bobini çok büyük sayıda dönüşle çok büyük bir değere döndüren Stewart ve Tolman'ın deneylerinde kullanılan atalet özelliğine sahiptirler. hız (yaklaşık 300 m/s) ve ardından aniden frenledi. Ataletten dolayı yüklerin yer değiştirmesi sonucunda bir akım darbesi oluşturmuş ve iletkenin boyutları, direnci ve deneyde kaydedilen akımın büyüklüğü bilinerek yükün darbeye oranı hesaplanabilmiştir. parçacığın kütlesinin bir elektron için elde edilen değere (1,7 * C /kg) çok yakın olduğu ortaya çıktı.

Metallerde klasik elektronik iletim teorisinin temelleri

Metallerde serbest elektronların varlığı, bir metalin kristal kafesinin oluşumu sırasında (izole edilmiş atomların yaklaşımının bir sonucu olarak), atom çekirdeğine nispeten zayıf bağlanan değerlik elektronlarının metal atomlarından kopmasıyla açıklanır. , "serbest" hale gelir ve hacim boyunca hareket edebilir. Pozitif metal iyonları kristal kafesin düğümlerinde bulunur ve serbest elektronlar aralarında rastgele hareket ederek bir tür elektron gazı oluşturur, elektronların ortalama serbest yolu yaklaşık m'dir ( kafes düğümleri arasındaki mesafe).İletim elektronları kafes iyonlarıyla çarpışarak onlara enerji aktarır, bunun sonucunda elektron gazı ile kafes arasında termodinamik bir denge kurulur.Drude-Lorentz teorisine göre elektronlar aynı ideal bir tek atomlu gazın molekülleri olarak termal hareketin enerjisi ve oda sıcaklıkları elektronların termal hızı büyüklük/s mertebesinde olacaktır, tüm elektronlar bağımsız olarak kabul edilir ve makroskobik olayları (örneğin, akımı) açıklamak için, tüm elektronların davranışını belirlemek amacıyla bir elektronun davranışını bilmek yeterlidir. Bu nedenle böyle bir teoriye "tek elektron yaklaşımı" adı verilir ve basitleştirilmesine rağmen bazı tatmin edici sonuçlar verir.

Elektronların termal kaotik hareketi bir akımın ortaya çıkmasına yol açamaz. Bir metal iletkene bir elektrik alanı uygulandığında, tüm elektronlar, hızı akım yoğunluğundan tahmin edilebilen yönlendirilmiş bir hareket kazanır; çok yüksek yoğunluklarda bile (10-10 A / m düzeyinde), hız sıralı hareketin hızı yaklaşık m/s'dir. Bu nedenle hesaplamalarda elektronun ortaya çıkan hızı (termal + sıralı), termal hareketin hızı ile değiştirilebilir.

Şu soru ortaya çıkıyor: Elektrik sinyallerinin uzun mesafelerde anında iletilmesi gerçeği nasıl açıklanır? Gerçek şu ki, elektrik sinyali başlangıçtaki elektronlar tarafından taşınmıyor iletim hatları ve yaklaşık 3 * m / s hıza sahip olan elektrik alanı, zincir boyunca neredeyse tüm elektronları anında harekete geçirir. Bu nedenle devrenin kapanmasıyla neredeyse anında bir elektrik akımı meydana gelir.