Постоянният електрически ток във веригата се причинява от стационарно електростатично поле (поле на Кулон), което трябва да се поддържа от източник на ток, който създава постоянна потенциална разлика в краищата на външната верига. Тъй като токът в проводника носи определена енергия, която се освобождава, например, под формата на определено количество топлина, е необходимо непрекъснато да се преобразува част от енергията в електрическа енергия. С други думи, освен силите на Кулон на стационарно електростатично поле, върху зарядите трябва да действат и други сили от неелектростатичен характер - външни сили.
Всички сили, действащи върху електрически заредени частици, с изключение на силите от електростатичен произход (т.е. кулонови), се наричат външни сили.
Природата (или произходът) на външните сили може да бъде различна: например в галванични клетки и батерии това са химически сили, в генератори това е силата на Лоренц или сили от вихъра електрическо поле.
Вътре в източника на ток поради външни сили електрическите заряди се движат в посока, обратна на действието на силите на електростатичното поле, т.е. Кулонови сили. Поради това в краищата на външната верига се поддържа постоянна потенциална разлика. Във външната верига не действат външни сили.
работа електрически токв затворена електрическа верига се извършва поради енергията на източника, т.е. поради действието на трети страни, т.к. електростатичното поле е потенциално. Работата на това поле при движение на заредени частици по затворена електрическа верига е нула.
Количествената характеристика на външните сили (източник на ток) е електродвижеща сила(ЕМП).
Електродвижещата сила e се нарича физическо количество, числено равно на съотношението на работата λd^ на външните сили за преместване на заряда ^ по веригата към стойността на този заряд:
Електродвижещата сила се изразява във волтове (1 V = 1 J/C). ЕМП е специфичната работа на външните сили в дадена област, т.е. работата по преместване на единичен заряд. Например ЕМП на галванична клетка е 4,5 V. Това означава, че външни сили (химически) извършват работа от 4,5 J при преместване на заряд от 1 C вътре в елемента от един полюс към друг.
Електродвижещата сила е скаларна величина, която може да бъде положителна или отрицателна. Знакът на ЕМП зависи от посоката на тока във веригата и избора на посоката на заобикаляне на веригата.
Външните сили не са потенциални (работата им зависи от формата на траекторията) и следователно работата на външните сили не може да бъде изразена чрез потенциалната разлика между две точки. Работата на електрически ток при преместване на заряд по протежение на проводник се извършва от сили на Кулон и трети страни, така че общата работа A е равна на:
Физическа величина, числено равна на съотношението на работата, извършена от електрическо поле при преместване на положителен елемент
заряд от една точка до друга, до стойността на заряда q, се нарича напрежение V между тези точки:
U=Acool/q+Ast/q
Като се има предвид това
Акула/q=f1-f2=-Df
тези. потенциална разлика между две точки на стационарно електростатично поле, където φ1 и φ2 са потенциалите на началната и крайната точка на траекторията на заряда, и
ast/q=e имаме:
В случай на електростатично поле, когато към секцията не се прилага ЕМП (e \u003d 0), напрежението между две точки е равно на потенциалната разлика:
Единицата SI за напрежение е волт (V), V = J/C. Напрежението се измерва с волтметър, който се свързва паралелно с онези части от веригата, където се измерва напрежението.
Сега ЕМП и напрежението се възприемат от мнозина като идентични понятия, в които, ако има някои отличителни черти, те са толкова незначителни, че едва ли заслужават вашето внимание.
От една страна, това състояние на нещата се случва, защото онези аспекти, които отличават тези две понятия една от друга, са толкова незначителни, че дори повече или по-малко опитни потребители едва ли ще ги забележат. Въпреки това, те все още се предоставят и също така е невъзможно да се каже, че ЕМП и напрежението са абсолютно еднакви.
Какво е ЕМП и защо често се бърка с напрежение?
ЕМП или електродвижещата сила, както обикновено се нарича в много учебници, е физическа величина, която характеризира работата на всякакви външни сили, присъстващи в източници на постоянен или променлив ток.
Ако говорим за затворена проводяща верига, тогава трябва да се отбележи, че в този случай ЕМП ще бъде равна на работата на силите за преместване на един положителен заряд по горната верига. Те бъркат електродвижещата сила и напрежението - с причина. Както знаете, тези две концепции днес, измерено във волтове. В същото време можем да говорим за ЕМП във всяка част на целта, тъй като всъщност това е специфичната работа на външни сили, които не действат в цялата верига, а само в някаква конкретна област.
Специално внимание от ваша страна заслужава фактът, че при ЕМП на галванична клетка, се осигурява работата на външни сили, работещи по време на движението на един положителен заряд от един полюс към съвсем друг. Работата на тези външни сили пряко зависи от формата на траекторията, но не може да бъде изразена чрез потенциалната разлика. Последното се дължи на факта, че външните сили не са потенциални. Въпреки факта, че напрежението е едно от най-простите понятия, много потребители не разбират напълно какво е то. Ако не разбирате това, считаме за необходимо да ви дадем няколко примера.
Нека вземем за яснота обикновен резервоар с вода. От такъв резервоар ще трябва да излезе обикновена тръба. И така, височината на водния стълб или налягането, с прости думии ще представлява напрежение, докато скоростта на потока на водата ще бъде електрически ток. С оглед на гореизложеното, колкото повече вода има в резервоара, толкова по-голямо е съответно неговото налягане и напрежение.
Основните разлики между EMF и напрежението
Електродвижещата сила се нарича напрежение, което според неговата дефиниция е съотношението на работата на външните сили по отношение на прехвърлянето на положителен заряд директно към самата величина на този заряд. Напрежението от своя страна се счита за отношението на работата на електрическото поле, по отношение на прехвърлянето на така наречения електрически заряд. Така например, ако колата ви има батерия, нейната EMF винаги ще бъде 13 волта. Е, ако свържете и волтметър към гореспоменатото устройство с включени фарове - устройство, предназначено за измерване на напрежение, тогава последният индикатор ще се окаже много по-малък от 13 вата. Тази, може би донякъде странна тенденция, се дължи на факта, че в акумулатора, като външни сили, действието е химическа реакция. В същото време колата има и генератор, който при работещ двигател произвежда обикновен електрически ток. 
С оглед на гореизложеното можем да говорим за основните отличителни черти EMF и напрежение:
- ЕДС ще зависи от самия източник. Е, ако говорим за напрежение, тогава неговият индикатор директно зависи от това каква е връзката и какъв ток в момента тече през веригата.
- ЕМП е физическа величина, която е необходима, за да се характеризира работата на некулоновите сили, а напрежението характеризира работата на тока, по отношение на движението на последния заряд.
- Тези понятия също са различни, защото електродвижещата сила е предназначена за магнитна индукция, докато напрежението най-често се използва по отношение на постоянен ток.
5.3. Електродвижеща сила (емс), напрежение и потенциална разлика. тяхното физическо значение. Връзка между ЕДС, напрежение и потенциална разлика
Физическо количество, равно на работата на външните сили за преместване на положителен единичен заряд по цялата верига, включително източника на ток, се нарича електродвижеща сила на източника на ток (EMF):
. (5.15)
Работата на външни сили по затворена верига
,
(5.16)
където E * е силата на полето на външните сили.
.
(5.17)
Когато зарядите се движат в проводник, в допълнение към външните сили, те се влияят от силите на електростатичното поле ( 
). Следователно във всяка точка на веригата зарядът q се влияе от произтичащата сила:
Работата, извършена от тази сила в раздел 1 - 2,
(5.19)
Физическа величина, числено равна на работата на външни и електрически сили за преместване на положителен единичен заряд в даден участък от веригата, се нарича спад на напрежението или напрежение в даден участък от веригата:
.
(5.20)
Ако няма ЕМП в секцията на веригата ( 
), тогава
.
(5.21)
Когато 1 - 2 = 0,
. (5.22)
, U, ( 1 - 2) се измерват в системата SI във волтове (1 V).
Лекция 6. Класическа електронна теория на проводимостта на металите. DC закони
Класическа електронна теория за електропроводимостта на металите и нейните експериментални обосновки. Законът на Ом в диференциална и интегрална форма.Електрическо съпротивление на проводниците. Промяна на съпротивлението на проводниците от температура и налягане. Свръхпроводимост. Съпротивителни връзки: последователни, паралелни, смесени. Маневриране на електроизмервателни уреди. Допълнителна устойчивост на електрически измервателни уреди. Правила (закони) на Кирхоф и тяхното приложение при изчисляването на най-простите електрически вериги. Законът на Джаул-Ленц в диференциална и интегрална форма. Енергия, освободена във веригата постоянен ток. Коефициент на полезно действие (COP) на източник на постоянен ток.
6.1. Класическа електронна теория за електропроводимостта на металите и нейните експериментални обосновки. Законът на Ом в диференциална и интегрална форма
Класическата електронна теория за проводимостта на металите обяснява различните електрически свойства на веществата чрез съществуването и движението в тях на така наречените квазисвободни електрони на проводимостта. Електроните на проводимостта се разглеждат като електронен газ, подобен на идеалния газ на молекулярната физика.
Преди откриването на електроните беше експериментално показано, че преминаването на ток в металите, за разлика от тока в течните електролити, не е свързано с преноса на метална материя. Опитът показва, че чрез контакт на два различни метала, като злато и сребро, за време, изчислено на много месеци, преминава електрически ток. След това е изследван материалът в близост до контактите. Беше показано, че не се наблюдава пренос на материя през интерфейса между различни метали и веществото от различните страни на интерфейса има същия състав, както преди преминаването на тока. Експериментите доказаха, че атомите и молекулите на металите не участват в преноса на електрически ток, но не отговориха на въпроса за природата на носителите на заряд в металите.
Пряко доказателство, че електрическият ток в металите се дължи на движението на електрони, са експериментите на Толман и Стюард, проведени през 1916 г. Идеята за тези експерименти е представена от Манделщам и Папалекси през 1913 г.
Представете си проводяща намотка, която може да се върти около оста си. Краищата на бобината са свързани към галванометъра посредством плъзгащи се контакти. Ако намотката, която се върти бързо, се спре рязко, тогава свободните електрони в проводника продължават да се движат по инерция, в резултат на което галванометърът трябва да регистрира токов импулс.
Нека обозначим линейното ускорение на намотката по време на спиране - а. Той е насочен тангенциално към повърхността на бобината. При достатъчно плътна намотка и тънки проводници можем да приемем, че ускорението е насочено по протежение на проводниците. Когато намотката се забавя, към всеки свободен електрон се прилага инерционна сила Е in = m e а, което е противоположно на ускорението. Под действието си електронът се държи в метала така, сякаш върху него действа ефективно електрическо поле със сила
.
6.1)
Следователно, ефективната електродвижеща сила в намотката, дължаща се на инерцията на свободните електрони,
,
(6.2)
където L е дължината на жицата на намотката.
Всички точки на проводника се забавят с еднакво ускорение и следователно ускорението се изважда от интегралния знак.
Като вземем предвид формула (6.2), записваме закона на Ом за затворена верига във формата
,
(6.3)
където I е силата на тока в затворена верига;
R е съпротивлението на цялата верига, включително съпротивлението на проводниците на бобината, проводниците на външната верига и галванометъра.
Количеството електричество, преминаващо през напречното сечение на проводника за времето dt при сила на тока I,
.
(6.4)
Следователно, по време на спирачното време на бобината от началната линейна скорост v o до пълно спиране, количеството електричество ще премине през галванометъра
.
(6.5)
Стойността на q се определя от галванометър, а стойностите на L, R, v o са известни. Следователно могат да бъдат намерени както знакът, така и абсолютната стойност на e/m e. Експериментите показват, че e/m e съответства на съотношението на заряда на електрона към неговата маса. По този начин беше доказано, че токът, наблюдаван с галванометър, се дължи на движението на електрони.
При липса на електрическо поле в проводниците електроните на проводимостта се движат произволно, в произволни посоки, със скорости, определени от температурата, т.е. с така наречената топлинна скорост u.
След определен период от време t = , движейки се по права линия, електронът на проводимостта може да взаимодейства с йона кристална решеткаили с друг проводящ електрон. В резултат на такова взаимодействие, което се счита за абсолютно еластично в класическата теория на проводимостта, общият импулс и енергия се запазват, а големината и посоката на скоростта на движение могат да се променят. Граничният случай е, когато след време, равно на (време на свободен път), посоката на скоростта на топлинното движение на електрона на проводимостта се промени в противоположна. Времето на свободния път зависи от естеството на веществото и колкото по-малко, толкова по-често възникват взаимодействия. Между сблъсъци (взаимодействия) със скорост uНищо не се случва.
П 
при прилагане на електрическо поле със сила дпод въздействието на сила Е= e делектроните на проводимостта придобиват известно ускорение аи насочено движение с промяна на скоростта от v o = 0 до v = v max за време t = .
Промяната в скоростта на насоченото движение на електрона на проводимостта става преди неговото взаимодействие (фиг. 6.1). В резултат на взаимодействието тази скорост също може да се промени както по величина, така и по посока.
Ако на единица обем от проводника има n електрона на проводимост, които в даден момент t имат скорост v, тогава е възможно да се определи зарядът, преминал през някаква област S, разположена перпендикулярно на посоката на скоростта на електроните на проводимостта:
,
(6.6)
където
Силата (стойността) на тока в проводника в този случай
. (6.7)
Плътност на проводимия ток
.
(6.8)
Във векторна форма
.
(6.9)
Съгласно (6.8), за да се определи плътността на електрическия ток в проводник, е необходимо да се определи средната скорост на подреденото движение на проводящите електрони.
Средната скорост на подредено движение в този случай може да се определи по формулата
,
(6.10)
защото в началния момент t=0, когато няма електрическо поле, v o =0.
Максималната скорост на подредено движение, която електрон придобива под действието на електрическо поле по време на своя свободен път,
,
където a е ускорението, придобито от електрон на проводимост под действието на електрическо поле;
е времето за пътуване на електрона на проводимостта от взаимодействие до взаимодействие.
Въз основа на втория закон на Нютон F = ma, където F е силата на Кулон,
;
;
.
(6.11)
За средната скорост на подреденото движение на електроните на проводимостта получаваме
.
(6.12)
Познавайки средната скорост на топлинно движение на електроните на проводимост и средното разстояние, изминато от тях от взаимодействие до взаимодействие, е възможно да се определи времето между две последователни взаимодействия:
. (6.13)
След като направим замяната и необходимите трансформации, за плътността на тока на проводимостта ще имаме
, (6.14)
където 
- специфична електропроводимост на метала на проводника.
Във векторна форма
.
(6.15)
Изразите (6.14) и (6.15) са математическата форма на запис на закона на Ом в диференциална форма.
Законът на Ом в диференциална форма е валиден за всякакви проводници, всякакви токове, характеризира плътността на проводимия ток във всяка точка на проводника.
От закона на Ом в диференциална форма може да се получи законът на Ом в интегрална форма за затворена (или пълна) верига. За което умножаваме израза (6.15) по стойността на елементарния участък на веригата dl:
,
където 
;
;
.
По този начин имаме
;
.
(6.16)
Интегрирайки израз (6.16) върху затворения контур L, получаваме
,
(6.17)
където 
- съпротивление на външните и вътрешните участъци на веригата;
-ЕМП, действаща в затворена верига, числено равна на циркулацията на вектора на силата на полето на външните сили;
е потенциалната разлика между двете разглеждани точки на затворената верига.
За затворена верига
( 1
- 2)
= 0;
.
По този начин имаме
или 
,
(6.18)
където R 1 е съпротивлението на външната част на веригата;
r е вътрешното съпротивление на източника на ток.
От формула (6.18)
.
(6.19)
Следователно ЕМП балансира спада на напрежението във външната и вътрешната верига и по този начин осигурява непрекъснатото движение на електроните на проводимостта.
Ако веригата не е затворена и в нея няма ЕМП, тогава
, а 
.
(6.20)
Изразите (6.18) и (6.20) са математическата форма на закона на Ом, съответно за пълна (затворена) верига и част от веригата, която е открита от него експериментално. Силата на тока във веригата е право пропорционална на ЕМП (напрежението в участъка на веригата) и обратно пропорционална на съпротивлението на веригата.
Каква е разликата ЕМП(електродвижеща сила) от волтаж? Нека да разгледаме конкретен пример. Взимаме батерия, на която пише 1,5 волта. Свързваме волтметър към него, както е показано на фигура 1, за да проверим дали батерията е наистина добра.
Снимка 1
Волтметърът показва 1,5 V. Това означава, че батерията работи. Свързваме го с малка крушка. Електрическата крушка свети. Сега свързваме волтметър паралелно с електрическата крушка, за да проверим дали крушката наистина има 1,5 V. Получава се схемата, показана на фигура 2.
Фигура 2
И тогава се оказва, че волтметърът показва например 1 V. Къде се харчат 0,5 V (което е разликата между 1,5 V и 1 V)?
Факт е, че всяко истинско захранване има вътрешно съпротивление (обозначено с буквата r). В много случаи това намалява характеристиките на захранващите устройства, но е невъзможно да се произведе захранване без вътрешно съпротивление. Следователно нашата батерия може да се разглежда като идеален източник на енергия и резистор, чието съпротивление съответства на вътрешното съпротивление на батерията (Фигура 3).
Фигура 3
И така, EMF в този пример е 1,5 V, захранващото напрежение е 1 V, а разликата от 0,5 V се разсейва от вътрешно съпротивлениеизточник на захранване.
ЕМПе максималният брой волтове, които захранването може да подаде към веригата. Това е постоянна стойност за добро захранване. НО захранващо напрежениезависи какво е свързано с него. ( Тук говорим само за онези видове хранителни източници, които се изучават като част от училищната програма.).
В нашия пример електрическа крушка със съпротивление Ри резисторът са свързани последователно, така че токът във веригата може да се намери по формулата
И тогава напрежението на електрическата крушка е
Оказва се, че повече съпротиваелектрически крушки, колкото повече волта има и толкова по-малко волта се губи в батерията. Това се отнася не само за електрически крушки и батерии, но и за всяка верига, състояща се от източник на захранване и товар. Колкото по-голяма е устойчивостта на натоварване, толкова по-малка е разликата между напрежениеи ЕМП. Ако съпротивлението на натоварване е много голямо, тогава волтажпочти равни ЕМП. Съпротивлението на волтметъра винаги е много голямо, така че във веригата на фигура 1 той показва стойност от 1,5 V.
Разбирането на значението на ЕМП е възпрепятствано от факта, че в ежедневието ние практически не използваме този термин. Казваме в магазина „Дайте ми батерия 1,5 волта“, когато е правилно да кажете „Дайте ми батерия 1,5 волта“. Но просто така се случи...
Съветваме ви да прочетете
Психологически характеристики на децата в юношеска възраст
Преместване на дете в друго училище - процедурата и необходимите документи Дали да се премести дете в друго училище
Урогенитална хламидия - описание, причини, симптоми (признаци), диагноза, лечение. Лечение на урогенитална хламидия
Ползите и значението на хидроаминокиселината треонин за човешкото тяло L треонин какво
