Постоянен електрически ток условия за възникването му. Условия за съществуване на постоянен електрически ток

Федерална агенция за образование

Саратовски държавен социално-икономически университет

Отбелязва клон

Катедра по общохуманитарни дисциплини

ЕСЕ

Според "Физика"

на тема: „Електрически ток. Законът на Ом"

Студент 2-ра година

Специалност: "Eup pp"

Проверен от: Старикова Н.Н.

Маркс - 2010г

Електричество. Закон на Ом

Ако е поставен изолиран проводник електрическо поле

тогава върху свободните заряди q в проводника ще действа сила.В резултат на това в проводника възниква краткотрайно движение на свободните заряди. Този процес ще приключи, когато собственото електрическо поле на зарядите, възникнали на повърхността на проводника, напълно компенсира външното поле. Полученото електростатично поле вътре в проводника ще бъде нула (вижте § 1.5).

Въпреки това, в проводниците, при определени условия, може да възникне непрекъснато подредено движение на свободни носители на електрически заряд. Това движение се нарича електрически ток. Посоката на движение на положителните свободни заряди се приема за посока на електрическия ток. За съществуването на електрически ток в проводник е необходимо да се създаде електрическо поле в него.

Количествена мярка за електрическия ток е силата на тока I - скаларен физическо количество, равен на съотношението на заряда Δq, прехвърлен през напречното сечение на проводника (фиг. 1.8.1) през интервала от време Δt, към този интервал от време:

Ако силата на тока и неговата посока не се променят с времето, тогава такъв ток се нарича постоянен.

Фигура 1.8.1.

Подреденото движение на електрони в метален проводник и токът I. S е площта на напречното сечение на проводника,

- електрическо поле

В Международната система единици SI токът се измерва в ампери (A). Текущата единица 1 A се настройва според магнитно взаимодействиедва паралелни проводника с ток (виж § 1.16).

Константа електричествоможе да се създаде само в затворена верига, в която свободните носители на заряд циркулират по затворени пътища. Електрическото поле в различни точки на такава верига е постоянно във времето. Следователно електрическото поле във веригата постоянен токима характер на замръзнало електростатично поле. Но когато електрически заряд се движи в електростатично поле по затворен път, работата на електрическите сили е нула (виж § 1.4). Следователно, за съществуването на постоянен ток е необходимо да има в електрическа веригаустройство, способно да създава и поддържа потенциални разлики в секциите на веригата поради работата на сили от неелектростатичен произход. Такива устройства се наричат източници на постоянен ток. Силите с неелектростатичен произход, действащи върху свободни носители на заряд от източници на ток, се наричат външни сили.

Естеството на външните сили може да бъде различно. В галванични клетки или батерии те възникват в резултат на електрохимични процеси, в DC генератори възникват външни сили, когато проводниците се движат в магнитно поле. Източникът на ток в електрическата верига играе същата роля като помпата, която е необходима за изпомпване на течност в затворена хидравлична система. Под действието на външни сили електрическите заряди се движат вътре в източника на ток срещу силите на електростатичното поле, поради което в затворена верига може да се поддържа постоянен електрически ток.

Когато електрическите заряди се движат по верига с постоянен ток, външните сили, действащи вътре в източниците на ток, действат.

Физическо количество, равно на съотношението на работата A st на външните сили при преместване на заряд q от отрицателния полюс на източника на ток към положителния към стойността на този заряд, се нарича електродвижеща сила на източника (ЕМП):

По този начин ЕМП се определя от работата, извършена от външни сили при преместване на един положителен заряд. Електродвижещата сила, подобно на потенциалната разлика, се измерва във волтове (V).

Когато единичен положителен заряд се движи по затворена постоянна верига, работата на външните сили е равна на сумата от ЕМП, действаща в тази верига, а работата на електростатичното поле е нула.

DC веригата може да бъде разделена на отделни секции. Тези секции, върху които не действат външни сили (т.е. секции, които не съдържат източници на ток), се наричат хомогенни. Секциите, които включват източници на ток, се наричат разнородни.

Когато единичен положителен заряд се движи по определен участък от веригата, както електростатичните (кулонови), така и външните сили действат. Работата на електростатичните сили е равна на потенциалната разлика Δφ 12 \u003d φ 1 - φ 2 между началната (1) и крайната (2) точки на нехомогенния участък. Работата на външните сили е по дефиниция електродвижеща сила

12 действащи в тази област. Така че общата работа е

U 12 \u003d φ 1 - φ 2 +

12 .

Стойността на U 12 обикновено се нарича напрежение в секция 1–2 на веригата. В случай на хомогенна секция напрежението е равно на потенциалната разлика:

U 12 \u003d φ 1 - φ 2.

Немският физик Г. Ом през 1826 г. експериментално установи, че силата на тока I, протичащ през хомогенен метален проводник (т.е. проводник, в който не действат външни сили), е пропорционална на напрежението U в краищата на проводника:

където R = const.

Стойността на R обикновено се нарича електрическо съпротивление. Проводник с електрическо съпротивление се нарича резистор. Това съотношение изразява закона на Ом за хомогенен участък от веригата: силата на тока в проводника е право пропорционална на приложеното напрежение и обратно пропорционална на съпротивлението на проводника.

В SI единицата за електрическо съпротивление на проводниците е ом (Ohm). Съпротивление от 1 ом има участък от веригата, в който при напрежение 1 V възниква ток от 1 A.

Проводниците, които се подчиняват на закона на Ом, се наричат линейни. Графичната зависимост на силата на тока I от напрежението U (такива графики се наричат характеристики на тока и напрежението, съкратено CVC) се изобразява с права линия, минаваща през началото. Трябва да се отбележи, че има много материали и устройства, които не се подчиняват на закона на Ом, напр. полупроводников диодили газова лампа. Дори метални проводниципри токове с достатъчно голяма сила се наблюдава отклонение от линейния закон на Ом, тъй като електрическо съпротивлениеметални проводници се увеличава с повишаване на температурата.

За участък от верига, съдържащ ЕМП, законът на Ом е написан в следната форма:

IR \u003d U 12 \u003d φ 1 - φ 2 +

= Δφ 12 + .

Тази връзка обикновено се нарича обобщен закон на Ом или закон на Ом за нехомогенен участък от веригата.

На фиг. 1.8.2 показва затворена постоянна верига. Сечението на веригата (cd) е хомогенно.

Фигура 1.8.2.

DC верига

Закон на Ом

Раздел (ab) съдържа източник на ток с ЕМП, равен на

Според закона на Ом за разнородна област,

Събирайки двете равенства, получаваме:

I (R + r) = Δφ cd + Δφ ab +

Но Δφ cd = Δφ ba = – Δφ ab. Ето защо

Тази формула ще изрази закона на Ом за пълна верига: силата на тока в пълна верига е равна на електродвижещата сила на източника, разделена на сумата от съпротивленията на хомогенните и нехомогенните секции на веригата.

Съпротивлението r на нееднородното сечение на фиг. 1.8.2 може да се разглежда като вътрешно съпротивлениеизточник на ток. В този случай секция (ab) на фиг. 1.8.2 е вътрешният раздел на източника. Ако точки a и b са затворени с проводник, чието съпротивление е малко в сравнение с вътрешното съпротивление на източника (R<< r), тогда в цепи потечет ток короткого замыкания

Ток на късо съединение - максималният ток, който може да се получи от даден източник с електродвижеща сила

и вътрешно съпротивление r. За източници с ниско вътрешно съпротивление токът на късо съединение може да бъде много голям и да причини разрушаване на електрическата верига или източника. Например, оловно-киселинните батерии, използвани в автомобилите, могат да имат ток на късо съединение от няколкостотин ампера. Особено опасни са късите съединения в осветителните мрежи, захранвани от подстанции (хиляди ампера). За да се избегне разрушителният ефект на такива големи токове, във веригата се включват предпазители или специални прекъсвачи.

В някои случаи, за да се предотвратят опасни стойности на тока на късо съединение, някакво външно съпротивление се свързва последователно към източника. Тогава съпротивлението r е равно на сумата от вътрешното съпротивление на източника и външното съпротивление и в случай на късо съединение силата на тока няма да бъде прекалено голяма.

Ако външната верига е отворена, тогава Δφ ba = – Δφ ab =

, т.е. потенциалната разлика при полюсите на отворена батерия е равна на нейната ЕМП.

Ако външното съпротивление на натоварване R е включено и ток I протича през батерията, потенциалната разлика на нейните полюси става равна на

– Ir.

На фиг. 1.8.3 е схематично представяне на източник на постоянен ток с ЕМП, равен на

и вътрешно съпротивление r в три режима: „празен ход“, работа при натоварване и режим на късо съединение (късо съединение). Посочени са силата на електрическото поле вътре в батерията и силите, действащи върху положителните заряди: – електрическа сила и – сила на трета страна. В режим на късо съединение електрическото поле вътре в батерията изчезва.

Фигура 1.8.3.

Схематично представяне на източник на постоянен ток: 1 - батерията е отворена; 2 - батерията е затворена за външно съпротивление R; 3 - режим на късо съединение

За измерване на напрежения и токове в постоянни електрически вериги се използват специални устройства - волтметри и амперметри.

Волтметърът е проектиран да измерва потенциалната разлика, приложена към неговите клеми. Той е свързан паралелно с участъка от веригата, на който се измерва потенциалната разлика. Всеки волтметър има някакво вътрешно съпротивление R B . За да не може волтметърът да въведе забележимо преразпределение на токовете, когато е свързан към измерваната верига, неговото вътрешно съпротивление трябва да бъде голямо в сравнение със съпротивлението на участъка от веригата, към който е свързан. За веригата, показана на фиг. 1.8.4, това условие е написано като:

R B >> R 1.

Това условие означава, че токът I B \u003d Δφ cd / R B, протичащ през волтметъра, е много по-малък от тока I \u003d Δφ cd / R 1, който протича през тестваната секция на веригата.

Тъй като вътре във волтметъра не действат външни сили, потенциалната разлика на неговите клеми съвпада по дефиниция с напрежението. Следователно можем да кажем, че волтметърът измерва напрежението.

Амперметърът е предназначен за измерване на силата на тока във веригата. Амперметърът е свързан последователно към прекъсването на електрическата верига, така че целият измерен ток преминава през него. Амперметърът има и известно вътрешно съпротивление R A . За разлика от волтметъра, вътрешното съпротивление на амперметъра трябва да бъде достатъчно малко в сравнение с общото съпротивление на цялата верига. За веригата на фиг. 1.8.4 съпротивлението на амперметъра трябва да отговаря на условието

Р А<< (r + R 1 + R 2),

така че когато амперметърът е включен, токът във веригата не се променя.

Измервателните уреди - волтметри и амперметри - са два вида: стрелкови (аналогови) и цифрови. Цифровите електромери са сложни електронни устройства. Обикновено цифровите инструменти осигуряват по-висока точност на измерване.

Фигура 1.8.4.

Включване на амперметър (А) и волтметър (В) в електрическа верига

Последователно и паралелно свързване на проводници

Проводниците в електрическите вериги могат да бъдат свързани последователно и паралелно.

При последователно свързване на проводници (фиг. 1.9.1) силата на тока във всички проводници е една и съща:

I 1 \u003d I 2 \u003d I.

Фигура 1.9.1.

Серийно свързване на проводници

Според закона на Ом напреженията U 1 и U 2 върху проводниците са равни

U 1 = IR 1, U 2 = IR 2.

Общото напрежение U на двата проводника е равно на сумата от напреженията U 1 и U 2:

U \u003d U 1 + U 2 \u003d I (R 1 + R 2) \u003d IR,

където R е електрическото съпротивление на цялата верига. Това предполага:

R \u003d R 1 + R 2.

При последователно свързване общото съпротивление на веригата е равно на сумата от съпротивленията на отделните проводници.

Този резултат е валиден за произволен брой последователно свързани проводници.

При паралелно свързване (фиг. 1.9.2) напреженията U 1 и U 2 на двата проводника са еднакви:

U 1 \u003d U 2 \u003d U.

Сумата от токовете I 1 + I 2, протичащи през двата проводника, е равна на тока в неразклонена верига:

I \u003d I 1 + I 2.

Този резултат следва от факта, че не могат да се натрупват заряди в точките на разклоняване на токовете (възли A и B) в DC верига. Например, зарядът IΔt протича към възел A за време Δt, а зарядът I 1 Δt + I 2 Δt изтича от възел A за същото време. Следователно I = I 1 + I 2 .

Фигура 1.9.2.

Паралелно свързване на проводници

Писане по закона на Ом

където R е електрическото съпротивление на цялата верига, получаваме

При паралелно свързване на проводници реципрочната стойност на общото съпротивление на веригата е равна на сумата от реципрочните стойности на съпротивленията на паралелно свързаните проводници.

Този резултат е валиден за произволен брой паралелно свързани проводници.

Формулите за последователно и паралелно свързване на проводници позволяват в много случаи да се изчисли съпротивлението на сложна верига, състояща се от много резистори. На фиг. 1.9.3 дава пример за такава сложна схема и посочва последователността на изчисленията.

Фигура 1.9.3.

Изчисляване на съпротивлението на сложна верига. Всички съпротивления на проводниците са в ома (Ohm)

Трябва да се отбележи, че не всички сложни вериги, състоящи се от проводници с различни съпротивления, могат да бъдат изчислени с помощта на формули за серийно и паралелно свързване. На фиг. 1.9.4 показва пример за електрическа верига, която не може да бъде изчислена чрез горния метод.

Фигура 1.9.4.

Пример за електрическа верига, която не може да се сведе до комбинация от последователни и паралелни проводници

DC електрически ток

Условия за възникване на ток.

Електрическият ток е насочено движение на заредени частици. Количествените характеристики на тока са неговата сила на тока (съотношението на заряда: пренесен през напречното сечение на проводника за единица време):

и неговата плътност, определена от съотношението:

Единицата за сила на тока е ампер (1A е характерната стойност на тока, консумиран от битовите електрически нагреватели).

Необходимите условия за съществуването на ток са наличието на свободни носители на заряд, затворена верига и източник на ЕМП (батерия), който поддържа насочено движение.

Електрическият ток може да съществува в различни среди: в метали, вакуум, газове, разтвори и стопилки на електролити, плазма, полупроводници, тъкани на живи организми.

Когато тече ток, почти винаги се случва взаимодействието на носителите на заряд с околната среда, придружено от предаване на енергия към последната под формата на топлина. Ролята на източника на ЕМП е именно да компенсира топлинните загуби във веригите.

Електрическият ток в металите се дължи на движението на относително свободни електрони през кристалната решетка. Причините за съществуването на свободни електрони в проводящите кристали могат да бъдат обяснени само на езика на квантовата механика.

Опитът показва, че силата на електрическия ток, протичащ през проводника, е пропорционална на потенциалната разлика, приложена към неговите краища (закон на Ом). Коефициентът на пропорционалност между тока и напрежението, който е постоянен за избрания проводник, се нарича електрическо съпротивление:

Съпротивлението се измерва в ома (съпротивлението на човешкото тяло е около 1000 ома). Големината на електрическото съпротивление на проводниците леко се увеличава с повишаване на температурата. Това се дължи на факта, че при нагряване възлите на кристалната решетка увеличават хаотичните топлинни вибрации, което предотвратява насоченото движение на електроните. В много проблеми директното отчитане на вибрациите на решетката се оказва много трудоемко. За да се опрости взаимодействието на електрони с осцилиращи възли, се оказва удобно да се заменят със сблъсъци с газови частици на хипотетични частици - фонони, чиито свойства са избрани така, че да се получи описание, възможно най-близко до реалността и може да се окаже да е много екзотично. Обекти от този тип са много популярни във физиката и се наричат квазичастици. В допълнение към взаимодействията с вибрациите на кристалната решетка, движението на електроните в кристала може да бъде възпрепятствано от дислокации - нарушения на редовността на решетката. Взаимодействията с дислокации играят решаваща роля при ниски температури, когато топлинните вибрации практически липсват.

Някои материали при ниски температури напълно губят електрическото си съпротивление, преминавайки в свръхпроводящо състояние. Токът в такива среди може да съществува без ЕМП, тъй като няма загуби на енергия при сблъсъци на електрони с фонони и дислокации. Създаването на материали, които запазват свръхпроводящото състояние при относително високи (стайни) температури и ниски токове, е много важна задача, чието решение би направило истинска революция в съвременната енергетика, т.к. ще позволи пренос на електроенергия на дълги разстояния без загуба на топлина.

Понастоящем електрическият ток в металите се използва главно за преобразуване на електрическата енергия в топлинна енергия (нагреватели, източници на светлина) или механична енергия (електродвигатели). В последния случай електрическият ток се използва като източник на магнитни полета, взаимодействието с които други токове предизвикват появата на сили.

Електрическият ток във вакуум е строго погледнато невъзможен поради липсата на свободни електрически заряди в него. Въпреки това, някои проводими вещества, когато се нагряват или облъчват със светлина, са способни да излъчват електрони от повърхността си (топлинна емисия и фотоемисия), които са в състояние да поддържат електрически ток, движещ се от катода към друг (положителен) електрод - анода . Когато към анода се приложи отрицателно напрежение, токът във веригата прекъсва. Описаното свойство причинява широкото използване на електровакуумни устройства в електронни устройства за коригиране на променлив ток. До сравнително наскоро електровакуумните устройства бяха широко използвани като усилватели на електрически сигнали. В момента те са почти напълно заменени от полупроводникови устройства.

На пръв поглед електрическият ток в газовете не може да съществува поради липсата на свободни заредени частици (електроните в атомите и молекулите на газовете са здраво „свързани“ с ядрата чрез електростатични сили). Въпреки това, когато енергия от порядъка на 10 eV се прехвърли на атом (енергията, придобита от свободния електрон при преминаване през потенциална разлика от 10 V), последният преминава в йонизирано състояние (електронът напуска ядрото за произволно голямо разстояние). В газовете при стайна температура винаги има много малко количество йонизирани атоми, възникнали под действието на космическо лъчение (фотойонизация). Когато такъв газ се постави в електрическо поле, заредените частици започват да се ускоряват, прехвърляйки натрупаната кинетична енергия към неутралните атоми и ги йонизирайки. В резултат на това се развива лавинообразен процес на увеличаване на броя на свободните електрони и йони - възниква електрически разряд. Характерното сияние на разряда е свързано с освобождаването на енергия по време на рекомбинацията на електрони и положителни йони. Видовете електрически разряди са много разнообразни и силно зависят от състава на газа и външните условия.

плазма.

Вещество, съдържащо смес от неутрални атоми, свободни електрони и положителни йони, се нарича плазма. Плазмата, получена от електрически разряди с относително нисък ток (например в тръби с „дневна светлина“), се характеризира с много ниски концентрации на заредени частици в сравнение с неутралните (). Обикновено се нарича нискотемпературен, тъй като температурата на атомите и йоните е близка до стайната. Средната енергия на много по-леките електрони се оказва много по-висока. Че. нискотемпературната плазма е по същество неравновесна, отворена среда. Както беше отбелязано, в такива медии са възможни процеси на самоорганизация. Добре известен пример е генерирането на високо подредено кохерентно лъчение в плазмата на газовите лазери.

Плазмата може да бъде и в термодинамично равновесие. За неговото съществуване е необходима много висока температура (при която енергията на топлинното движение е сравнима с йонизационната енергия). Такива температури съществуват на повърхността на Слънцето, могат да възникнат по време на много мощни електрически разряди (мълнии), по време на ядрени експлозии. Такава плазма се нарича гореща.

атмосферно електричество.

Земята е доста добър проводник на електричество (в сравнение със сухия въздух). На височина около 50 км йонизиращото космическо лъчение предизвиква наличието на йоносфера – слой от силно йонизиран газ. Измерванията показват, че има огромна потенциална разлика между йоносферата и земната повърхност (около 5 000 000 V), а йоносферата има положителен заряд по отношение на Земята. Наличието на потенциална разлика между Земята и „небето“ води до появата на ток с много ниска плътност (A /) дори в такъв лош проводник като въздуха. Общият ток, идващ на повърхността на планетата, е много голям (прибл. A), а мощността, която отделя, е сравнима с мощността на всички построени електроцентрали (W). Възникват естествени въпроси за механизма за поддържане на тази потенциална разлика и за причините, поради които нейното присъствие все още не е използвано от хората.

Вече е установено, че основният механизъм, който зарежда „небето“ спрямо Земята, са гръмотевичните бури. Капки вода и ледени кристали, движещи се надолу към основата на гръмотевичния облак, събират отрицателни заряди в атмосферата и по този начин зареждат долната част на гръмотевичния облак с отрицателно електричество до потенциали, които са многократно по-големи от потенциала на Земята. В резултат на това между Земята и облака възниква много голямо електрическо поле, насочено в обратна посока в сравнение с полето, което съществува при безоблачно време. В близост до проводящи обекти, излизащи от повърхността на Земята, това поле е още по-силно и е достатъчно за йонизация на газа, която расте по лавинен закон. Резултатът е много мощен електрически разряд, наречен мълния. Противно на общоприетото схващане, мълнията започва от Земята и удря облаците, а не обратното.

Електрическо поле от 100 V/m, което е характерно за ясното време, не може да се използва или дори да се почувства, въпреки че на височина, равна на ръста на човек, при липсата му създава потенциална разлика от около 200 V. Причината за това е ниската проводимост на въздуха и в резултат на това ниските плътности на теченията, протичащи към земната повърхност. Въвеждането на добър проводник (човек) в електрическата верига, шунтиращ двуметров въздушен стълб, практически не променя общото съпротивление на веригата „небе-Земя“, токът в който остава непроменен. Причиненият от него спад на напрежението върху човешкото тяло е около U = IR = 0,2 μV, което е значително под прага на чувствителност на нашето тяло.

Електрически ток в живи тъкани.

Важната роля на електрическите импулси за живота на организмите се приема преди повече от 200 години. Сега е известно, че тези импулси се използват за осигуряване на контрол върху работата на органите и преноса на информация между тях в процеса на живот. Ролята на кабели за предаване на сигнала в най-сложния "биологичен компютър" играят нервите, чиято основа са високоспециализирани клетки - неврони. Основните функции на тези клетки са приемане, обработка и усилване на електрически сигнали. Невроните комуникират помежду си в „мрежа“ с помощта на специални удължени израстъци - аксони, които действат като проводници. Изследванията на разпространението на електрически сигнали в аксоните бяха проведени съвместно от биолози, химици и физици през 30-60-те години на нашия век и бяха един от първите успешни примери за ползотворно сътрудничество между представители на сродни природни науки.

Както се оказа, свойствата на електрическите импулси, разпространяващи се в аксоните, се различават значително от тези, познати на електротехниката: 1) скоростта на разпространение на импулси по аксона се оказва с няколко порядъка по-ниска от тази, характерна за металните; 2) след преминаването на електрически импулс има "мъртво" време, през което разпространението на следващия импулс е невъзможно; 3) има прагова стойност на напрежението (импулси с амплитуда под прага не се разпространяват); 4) с бавно увеличаване на напрежението, дори до стойност, надвишаваща прага, импулсът не се предава по аксона („настаняване“).

Изброените особености на проводимостта на аксона, които не са характерни за традиционната електротехника, бяха обяснени в рамките на много специфичен електрохимичен механизъм, централната роля в който принадлежи на полупропускливата за йони клетъчна мембрана, която разделя вътрешния обем на клетка (и нейния аксон), съдържаща необичайно висока концентрация на K + йони и ниска - Na + от среда, пълна с физиологичен разтвор. В резултат на хаотичното топлинно движение на частиците през границата между региони с различна концентрация на положителни йони възникват дифузионни потоци (K + - от клетката, Na + - вътре в нея), чиито скорости се регулират от пропускливостта на клетъчната мембрана и разликата в електрическия потенциал от двете й страни. Промените в пропускливостта на мембраната за всеки от йоните водят до промяна в броя на заредените частици, пресичащи границата, и следователно до промяна в електрическия потенциал на аксона спрямо външната среда. Експериментите показват, че проводимостта на част от мембраната варира в зависимост от потенциалната разлика, приложена към нея. Че. електрическият импулс, приложен към секцията на аксона, променя проводимостта на мембраната за кратко време (в зависимост от свойствата на аксона), което води до преразпределение на зарядите, усилване на импулса и образуване на неговия заден ръб. В този случай аксонът едновременно играе ролята на проводник и „усилващи подстанции - повторители“, което позволява да се избегне затихването на сигналите, предавани в тялото на достатъчно дълги разстояния.

Интересно е, че проблем, много подобен на този, решен от природата, малко преди откриването на механизма на аксонната проводимост, трябваше да бъде решен в радиотехниката, когато се опитваше да организира трансатлантическа кабелна връзка. За да се избегне затихване и изкривяване на сигнала в дълга линия, кабелът трябваше да бъде разделен на сравнително къси връзки, между които бяха поставени усилватели. Опитът, натрупан от физиците при създаването на дълги кабелни комуникационни линии, значително улесни решаването на проблема с механизма на електрическата проводимост на аксона.

Библиография

За подготовката на тази работа са използвани материали от сайта.

За съществуването на постоянен електрически ток е необходимо наличието на свободни заредени частици и наличието на източник на ток. в който се извършва преобразуването на всякакъв вид енергия в енергията на електрическо поле.

Източник на ток - устройство, в което всеки вид енергия се преобразува в енергията на електрическо поле. В източник на ток външни сили действат върху заредени частици в затворена верига. Причините за появата на външни сили в различните източници на ток са различни. Например в батериите и галваничните клетки външните сили възникват поради протичането на химични реакции, в генераторите на електроцентрали те възникват, когато проводник се движи в магнитно поле, във фотоклетките - когато светлината действа върху електрони в метали и полупроводници.

Електродвижещата сила на източника на ток нарича съотношението на работата на външните сили към стойността на положителния заряд, прехвърлен от отрицателния полюс на източника на ток към положителния.

Основни понятия.

Текуща сила - скаларна физична величина, равна на отношението на заряда, преминал през проводника, към времето, за което е преминал този заряд.

където аз - сила на тока, р - количество заряд (количество електроенергия), T - време за транзитно зареждане.

плътност на тока - векторно физическо количество, равно на съотношението на силата на тока към площта на напречното сечение на проводника.

където й -плътност на тока, С - площ на напречното сечение на проводника.

Посоката на вектора на плътността на тока съвпада с посоката на движение на положително заредените частици.

Волтаж - скаларна физическа величина, равна на съотношението на общата работа на Кулон и външни сили при преместване на положителен заряд в областта към стойността на този заряд.

където А - пълна работа на трети страни и сили на Кулон, р - електрически заряд.

Електрическо съпротивление - физическа величина, характеризираща електрическите свойства на участък от верига.

където ρ - специфично съпротивление на проводника, л - дължината на секцията на проводника, С - площ на напречното сечение на проводника.

Проводимост е реципрочната стойност на съпротивлението

където Ж - проводимост.

Законите на Ом.

Закон на Ом за хомогенен участък от верига.

Силата на тока в хомогенна секция на веригата е право пропорционална на напрежението при постоянно съпротивление на сечението и обратно пропорционална на съпротивлението на сечението при постоянно напрежение.

където U - напрежение в района Р - съпротивление на сечението.

Закон на Ом за произволен участък от веригата, съдържащ източник на постоянен ток.

където φ 1 - φ 2 + ε = U напрежение в даден участък от веригата,Р - електрическо съпротивление на даден участък от веригата.

Закон на Ом за пълна верига.

Силата на тока в пълна верига е равна на съотношението на електродвижещата сила на източника към сумата от съпротивленията на външната и вътрешната част на веригата.

където Р - електрическо съпротивление на външната част на веригата, r - електрическо съпротивление на вътрешната част на веригата.

Късо съединение.

От закона на Ом за пълна верига следва, че силата на тока във верига с даден източник на ток зависи само от съпротивлението на външната верига Р.

Ако към полюсите на източника на ток е свързан проводник със съпротивление Р<< r, тогава само EMF на източника на ток и неговото съпротивление ще определят стойността на тока във веригата. Тази стойност на силата на тока ще бъде границата за този източник на ток и се нарича ток на късо съединение.

Електродвижеща сила.Всеки източник на ток се характеризира с електродвижеща сила или накратко ЕМП. И така, на кръгла батерия за фенерче е написано: 1,5 V. Какво означава това? Свържете с проводник две метални топчета, носещи заряди с противоположни знаци. Под въздействието на електрическото поле на тези заряди в проводника възниква електрически ток ( фиг.15.7). Но това течение ще бъде много краткотрайно. Зарядите бързо се неутрализират един друг, потенциалите на топките стават еднакви и електрическото поле изчезва.

Сили на трети страни.За да бъде токът постоянен, е необходимо да се поддържа постоянно напрежение между топките. Това изисква устройство източник на ток), което би преместило зарядите от една топка в друга в посока, обратна на посоката на силите, действащи върху тези заряди от електрическото поле на топките. В такова устройство, в допълнение към електрическите сили, зарядите трябва да бъдат повлияни от сили с неелектростатичен произход ( фиг.15.8). Само едно електрическо поле от заредени частици ( Кулон поле) не е в състояние да поддържа постоянен ток във веригата.

Всички сили, действащи върху електрически заредени частици, с изключение на силите от електростатичен произход (т.е. кулонови), се наричат външни сили.Изводът за необходимостта от външни сили за поддържане на постоянен ток във веригата ще стане още по-очевиден, ако се обърнем към закона за запазване на енергията. Електростатичното поле е потенциално. Работата на това поле при движение на заредени частици в него по затворена електрическа верига е нула. Преминаването на ток през проводниците е придружено от освобождаване на енергия - проводникът се нагрява. Следователно във веригата трябва да има някакъв източник на енергия, който я доставя на веригата. В него, в допълнение към силите на Кулон, задължително трябва да действат трети, непотенциални сили. Работата на тези сили по затворен контур трябва да е различна от нула. Именно в процеса на извършване на работа от тези сили заредените частици придобиват енергия вътре в източника на ток и след това я предават на проводниците на електрическата верига. Сили на трети страни задвижват заредени частици във всички източници на ток: в генератори в електроцентрали, в галванични клетки, батерии и т.н. Когато веригата е затворена, във всички проводници на веригата се създава електрическо поле. Вътре в източника на ток зарядите се движат под въздействието на външни сили срещу сили на Кулон(електрони от положително зареден електрод към отрицателен), а във външната верига те се задвижват от електрическо поле (виж фиг. фиг.15.8). Естеството на външните сили.Естеството на външните сили може да бъде различно. В генераторите на електроцентрали външните сили са сили, действащи от магнитното поле върху електрони в движещ се проводник. В галваничния елемент, например клетката Волта, действат химични сили. Елементът Volta се състои от цинкови и медни електроди, поставени в разтвор на сярна киселина. Химическите сили карат цинка да се разтвори в киселината. Положително заредените цинкови йони преминават в разтвора, а самият цинков електрод става отрицателно зареден. (Медта се разтваря много малко в сярна киселина.) Появява се потенциална разлика между цинковия и медния електрод, която определя тока в затворена електрическа верига. Електродвижеща сила.Действието на външните сили се характеризира с важна физична величина, т.нар електродвижеща сила(съкратено ЕМП). Електродвижещата сила на източника на ток е равна на съотношението на работата на външните сили при преместване на заряда по затворена верига към стойността на това зареждане:

Електродвижещата сила, подобно на напрежението, се изразява във волтове. Можем също да говорим за електродвижеща сила във всяка част от веригата. Това е специфичната работа на външните сили (работата по преместване на единичен заряд) не в цялата верига, а само в тази област. Електродвижеща сила на галваничен елементе стойност, числено равна на работата на външни сили при преместване на единица положителен заряд вътре в елемента от един полюс към друг. Работата на външните сили не може да се изрази чрез потенциалната разлика, тъй като външните сили са непотенциални и тяхната работа зависи от формата на траекторията на заряда. Така например работата на външните сили при преместване на заряд между клемите на източник на ток извън самия източник е равна на нула. Сега знаете какво е ЕМП. Ако на батерията е написано 1,5 V, това означава, че сили на трети страни (в този случай химически) извършват 1,5 J работа при преместване на заряд от 1 C от един полюс на батерията към друг. Постоянният ток не може да съществува в затворена верига, ако в нея не действат външни сили, тоест няма ЕМП.

ПАРАЛЕЛНО И ПОСЛЕДОВАТЕЛНО СВЪРЗВАНЕ НА ПРОВОДНИЦИ

Нека включим в електрическата верига като товар (консуматори на ток) две лампи с нажежаема жичка, всяка от които има определено съпротивление и всяка от които може да бъде заменена с проводник със същото съпротивление.

СЕРИЙНА ВРЪЗКА

Изчисляване на параметрите на електрическата верига с последователно свързване на съпротивления:

1. силата на тока във всички последователно свързани секции на веригата е еднаква 2. напрежението във верига, състояща се от няколко секции, свързани последователно, е равно на сумата от напреженията във всяка секция 3. съпротивлението на верига, състояща се от няколко последователно свързани секции, е равно на сумата от съпротивленията на всяка секция

4. работата на електрически ток във верига, състояща се от последователно свързани секции, е равна на сумата от работата в отделните секции

A \u003d A1 + A2 5. мощността на електрическия ток във верига, състояща се от последователно свързани секции, е равна на сумата от мощностите в отделните секции

ПАРАЛЕЛНО ВРЪЗВАНЕ

Изчисляване на параметрите на електрическата верига с паралелно свързване на съпротивления:

1. силата на тока в неразклонена секция на веригата е равна на сумата от силите на тока във всички паралелно свързани секции

3. когато съпротивленията са свързани паралелно, се добавят стойностите, които са обратни на съпротивлението:

(R - съпротивление на проводника, 1/R - електрическа проводимост на проводника)

Ако само два резистора са свързани паралелно във верига, тогава относно:

(когато е свързан паралелно, общото съпротивление на веригата е по-малко от по-малкото от включените съпротивления)

4. Работата на електрически ток във верига, състояща се от паралелно свързани секции, е равна на сумата от работата в отделните секции: A=A1+A2 5. Силата на електрическия ток във верига, състояща се от паралелно свързани секции, е равна на сумата от мощностите в отделните секции: P=P1+P2

За две съпротивления: т.е. колкото по-голямо е съпротивлението, толкова по-малък е токът.

Законът на Джаул-Ленц е физичен закон, който ви позволява да определите топлинния ефект на тока във веригата, съгласно този закон: , където I е токът във веригата, R е съпротивлението, t е времето. Тази формула е изчислена чрез създаване на верига: галванична клетка (батерия), резистор и амперметър. Резисторът се потапя в течност, в която се поставя термометър и се измерва температурата. Ето как те извеждат своя закон и се запечатват завинаги в историята, но дори и без техните експерименти е възможно да се изведе същия закон:

U=A/q A=U*q=U*I*t=I^2*R*t но въпреки тази чест и похвала към тези хора.

Законът на Джаул Ленц определя количеството топлина, отделено в участък от електрическа верига с ограничено съпротивление, когато през него преминава ток. Предпоставка е фактът, че в този участък от веригата не трябва да има химически трансформации.

РАБОТА НА ЕЛЕКТРИЧЕСКИЯ ТОК

Работата на електрически ток показва колко работа е извършена от електрическо поле при преместване на заряди през проводник.

Познавайки две формули: I \u003d q / t ..... и ..... U \u003d A / q, можете да извлечете формула за изчисляване на работата на електрически ток: Работата на електрическия ток е равна на произведението от силата на тока и напрежението и времето, през което токът протича във веригата.

Единицата за измерване на работата на електрически ток в системата SI: [ A ] = 1 J = 1 A. b. ° С

НАУЧИ, ТЪРВИ!При изчисляване на работата на електрически ток често се използва извънсистемна кратна единица за работа на електрически ток: 1 kWh (киловатчас).

1 kWh = ...........W.s = 3 600 000 J

Във всеки апартамент за отчитане на консумираната електроенергия са инсталирани специални електромери, които показват работата на електрическия ток, завършена за определен период от време, когато са включени различни домакински електрически уреди. Тези измервателни уреди показват работата на електрическия ток (консумацията на електроенергия) в "kWh".

Трябва да се научите да изчислявате цената на консумираната електроенергия! Внимателно разбираме решението на задачата на страница 122 от учебника (параграф 52)!

МОЩНОСТ НА ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ТОК

Силата на електрическия ток показва работата на тока, извършена за единица време и е равна на отношението на извършената работа към времето, през което е извършена тази работа.

(мощността в механиката обикновено се обозначава с буквата н, по електротехника - с букв Р), защото A = IUt, тогава мощността на електрическия ток е равна на:

или

Единицата за мощност на електрически ток в системата SI:

[P] = 1 W (ват) = 1 A. B

Законите на Кирхоф – правила, които показват как токовете и напреженията са свързани в електрическите вериги.Тези правила са формулирани от Густав Кирхоф през 1845 г. В литературата те често се наричат закони на Кирхоф, но това не е вярно, тъй като те не са закони на природата, а са получени от третото уравнение на Максуел с постоянно магнитно поле. Но все пак първото име им е по-познато, затова ще ги наричаме, както е обичайно в литературата - законите на Кирхоф.

Първият закон на Кирхоф – сумата от токовете, събиращи се във възела, е равна на нула.

Нека да го разберем. Възелът е точка, която свързва клоните. Разклонението е част от верига между възли. Фигурата показва, че токът i влиза във възела, а токовете i 1 и i 2 напускат възела. Съставяме израз съгласно първия закон на Кирхоф, като се има предвид, че токовете, влизащи във възела, имат знак плюс, а токовете, излъчвани от възела, имат знак минус i-i 1 -i 2 =0. Токът i, така да се каже, се разпространява в два по-малки тока и е равен на сумата от токове i 1 и i 2 i=i 1 +i 2. Но ако, например, токът i 2 влезе във възела, тогава токът I ще бъде дефиниран като i=i 1 -i 2 . Важно е да се вземат предвид знаците при съставяне на уравнение.

Първият закон на Кирхоф е следствие от закона за запазване на електричеството: зарядът, идващ към възела за определен период от време, е равен на заряда, напускащ възела за същия интервал от време, т.е. електрическият заряд във възела не се натрупва и не изчезва.

Вторият закон на Кирхоф – алгебричната сума на ЕМП, действаща в затворена верига, е равна на алгебричната сума на паданията на напрежението в тази верига.

Напрежението се изразява като произведение на тока и съпротивлението (според закона на Ом).

Този закон има и свои правила за прилагане. Първо трябва да зададете посоката на байпаса на контура със стрелка. След това сумирайте ЕМП и съответно напрежението, като вземете със знак плюс, ако стойността съвпада с посоката на байпаса и минус, ако не съвпада. Нека съставим уравнение според втория закон на Кирхоф за нашата схема. Гледаме нашата стрелка, E 2 и E 3 съвпадат с нея по посока, което означава знак плюс, а E 1 е насочена в обратна посока, което означава знак минус. Сега гледаме напреженията, токът I 1 съвпада в посоката на стрелката, а токовете I 2 и I 3 са насочени противоположно. Следователно:

-Е 1 +Е 2 +Е 3 =Аз 1 Р 1 -Аз 2 Р 2 -Аз 3 Р 3

Въз основа на законите на Кирхоф са съставени методи за анализ на синусоидални вериги с променлив ток. Методът на контурния ток е метод, базиран на прилагането на втория закон на Кирхоф и методът на възловите потенциали, базиран на прилагането на първия закон на Кирхоф.

Условия за възникване на ток.

и неговата плътност, определена от съотношението:

плазма.

). Обикновено се нарича нискотемпературен, тъй като температурата на атомите и йоните е близка до стайната. Средната енергия на много по-леките електрони се оказва много по-висока. Че. нискотемпературната плазма е по същество неравновесна, отворена среда. Както беше отбелязано, в такива медии са възможни процеси на самоорганизация. Добре известен пример е генерирането на високо подредено кохерентно лъчение в плазмата на газовите лазери.

атмосферно електричество.

А/) дори в такъв лош проводник като въздуха. Общият ток, идващ на повърхността на планетата, е много голям (прибл. A), а мощността, която отделя, е сравнима с мощността на всички построени електроцентрали (W). Възникват естествени въпроси за механизма за поддържане на тази потенциална разлика и за причините, поради които нейното присъствие все още не е използвано от хората.

Електрически ток в живи тъкани.