Podmínky konstantního elektrického proudu pro jeho vznik. Podmínky existence stejnosměrného elektrického proudu

Federální agentura pro vzdělávání

Saratovská státní sociálně-ekonomická univerzita

Pobočka značek

Katedra obecných humanitních disciplín

ESEJ

Podle "fyziky"

na téma: „Elektrický proud. Ohmův zákon"

student 2. ročníku

Specialita: "Eup pp"

Kontroloval: Starikova N.N.

Marx - 2010

Elektřina. Ohmův zákon

Pokud je umístěn izolovaný vodič elektrické pole

pak bude na volné náboje q ve vodiči působit síla.V důsledku toho dojde ke krátkodobému pohybu volných nábojů ve vodiči. Tento proces skončí, když vlastní elektrické pole nábojů, které vznikly na povrchu vodiče, zcela kompenzuje vnější pole. Výsledné elektrostatické pole uvnitř vodiče bude nulové (viz § 1.5).

Ve vodičích však za určitých podmínek může docházet k nepřetržitému uspořádanému pohybu volných nosičů elektrického náboje. Tento pohyb se nazývá elektrický proud. Směr pohybu kladných volných nábojů se bere jako směr elektrického proudu. Pro existenci elektrického proudu ve vodiči je nutné vytvořit v něm elektrické pole.

Kvantitativní mírou elektrického proudu je síla proudu I - skalární Fyzické množství, rovnající se poměru náboje Δq přeneseného průřezem vodiče (obr. 1.8.1) za časový interval Δt k tomuto časovému intervalu:

Pokud se síla proudu a jeho směr s časem nemění, pak se takový proud nazývá konstantní.

Obrázek 1.8.1.

Uspořádaný pohyb elektronů v kovovém vodiči a proud I.S je plocha průřezu vodiče,

- elektrické pole

V mezinárodní soustavě jednotek SI se proud měří v ampérech (A). Jednotka proudu 1 A se nastaví podle magnetické interakce dva paralelní vodiče s proudem (viz § 1.16).

Konstantní elektřina mohou být vytvořeny pouze v uzavřeném okruhu, ve kterém volné nosiče náboje cirkulují podél uzavřených drah. Elektrické pole v různých bodech takového obvodu je v průběhu času konstantní. Proto elektrické pole v obvodu stejnosměrný proud má charakter zmrzlého elektrostatického pole. Ale při pohybu elektrického náboje v elektrostatickém poli po uzavřené dráze je práce elektrických sil nulová (viz § 1.4). Pro existenci stejnosměrného proudu je tedy nutné mít v elektrický obvod zařízení schopné vytvářet a udržovat potenciální rozdíly v částech obvodu působením sil neelektrostatického původu. Taková zařízení se nazývají zdroje stejnosměrného proudu. Síly neelektrostatického původu působící na volné nosiče náboje ze zdrojů proudu se nazývají vnější síly.

Povaha vnějších sil může být různá. V galvanických článcích nebo bateriích vznikají v důsledku elektrochemických procesů, u stejnosměrných generátorů vznikají vnější síly při pohybu vodičů v magnetickém poli. Zdroj proudu v elektrickém obvodu hraje stejnou roli jako čerpadlo, které je nezbytné pro čerpání kapaliny v uzavřeném hydraulickém systému. Působením vnějších sil se elektrické náboje pohybují uvnitř zdroje proudu proti silám elektrostatického pole, díky čemuž lze v uzavřeném obvodu udržovat konstantní elektrický proud.

Když se elektrické náboje pohybují podél stejnosměrného obvodu, působí vnější síly působící uvnitř zdrojů proudu.

Fyzikální veličina, která se rovná poměru práce A st vnějších sil, když se náboj q pohybuje od záporného pólu zdroje proudu ke kladnému k hodnotě tohoto náboje, se nazývá elektromotorická síla zdroje (EMF):

EMF je tedy určeno prací vykonanou vnějšími silami při pohybu jediného kladného náboje. Elektromotorická síla, stejně jako rozdíl potenciálů, se měří ve voltech (V).

Když se jediný kladný náboj pohybuje po uzavřeném stejnosměrném obvodu, práce vnějších sil se rovná součtu EMF působících v tomto obvodu a práce elektrostatického pole je nulová.

Stejnosměrný obvod lze rozdělit na samostatné sekce. Úseky, na které nepůsobí vnější síly (tj. úseky, které neobsahují zdroje proudu), se nazývají homogenní. Sekce, které zahrnují proudové zdroje, se nazývají heterogenní.

Když se jednotkový kladný náboj pohybuje podél určité části obvodu, působí jak elektrostatické (Coulombovské) tak vnější síly. Práce elektrostatických sil se rovná rozdílu potenciálu Δφ 12 \u003d φ 1 - φ 2 mezi počátečním (1) a konečným (2) bodem nehomogenního řezu. Práce vnějších sil je z definice elektromotorická síla

12 působící v této oblasti. Takže celková práce je

U 12 \u003d φ 1 - φ 2 +

12 .

Hodnota U 12 se obvykle nazývá napětí v obvodové sekci 1–2. V případě homogenního úseku se napětí rovná rozdílu potenciálů:

U 12 \u003d φ 1 – φ 2.

Německý fyzik G. Ohm v roce 1826 experimentálně zjistil, že síla proudu I protékajícího homogenním kovovým vodičem (tj. vodičem, ve kterém nepůsobí žádné vnější síly) je úměrná napětí U na koncích vodiče:

kde R = konst.

Hodnota R se obvykle nazývá elektrický odpor. Vodič s elektrickým odporem se nazývá rezistor. Tento poměr vyjadřuje Ohmův zákon pro homogenní úsek obvodu: síla proudu ve vodiči je přímo úměrná přiloženému napětí a nepřímo úměrná odporu vodiče.

V SI je jednotkou elektrického odporu vodičů ohm (Ohm). Odpor 1 ohm má část obvodu, ve které při napětí 1 V vzniká proud 1 A.

Vodiče, které se řídí Ohmovým zákonem, se nazývají lineární. Grafická závislost intenzity proudu I na napětí U (takové grafy se nazývají proudově-napěťové charakteristiky, zkráceně CVC) je znázorněna přímkou procházející počátkem. Je třeba poznamenat, že existuje mnoho materiálů a zařízení, které se neřídí Ohmovým zákonem, např. polovodičová dioda nebo plynová lampa. Dokonce kovové vodiče u proudů dostatečně velké síly je pozorována odchylka od Ohmova lineárního zákona, protože elektrický odpor kovových vodičů se zvyšuje s rostoucí teplotou.

Pro část obvodu obsahující EMF je Ohmův zákon zapsán v následující podobě:

IR \u003d U 12 \u003d φ 1 - φ 2 +

= Δφ 12+.

Tento vztah se obvykle nazývá zobecněný Ohmův zákon nebo Ohmův zákon pro nehomogenní úsek řetězce.

Na Obr. 1.8.2 ukazuje uzavřený DC obvod. Řetězová část (cd) je homogenní.

Obrázek 1.8.2.

DC obvod

Ohmův zákon

Sekce (ab) obsahuje zdroj proudu s EMF rovným

Podle Ohmova zákona pro heterogenní oblast,

Sečtením obou rovností dostaneme:

I (R + r) = Δφ cd + Δφ ab +

Ale Δφ cd = Δφ ba = – Δφ ab. Proto

Tento vzorec bude vyjadřovat Ohmův zákon pro kompletní řetěz: proudová síla v úplném obvodu se rovná elektromotorické síle zdroje, dělené součtem odporů homogenních a nehomogenních částí obvodu.

Odpor r nehomogenního úseku na Obr. 1.8.2 lze vidět jako vnitřní odpor aktuální zdroj. V tomto případě sekce (ab) na Obr. 1.8.2 je vnitřní část zdroje. Pokud jsou body a a b uzavřeny vodičem, jehož odpor je malý ve srovnání s vnitřním odporem zdroje (R<< r), тогда в цепи потечет ток короткого замыкания

Zkratový proud - maximální proud, který lze z daného zdroje získat elektromotorickou silou

a vnitřní odpor r. U zdrojů s nízkým vnitřním odporem může být zkratový proud velmi velký a způsobit zničení elektrického obvodu nebo zdroje. Například olověné baterie používané v automobilech mohou mít zkratový proud několik stovek ampér. Zvláště nebezpečné jsou zkraty v osvětlovacích sítích napájených z rozvoden (tisíce ampérů). Aby nedocházelo k destruktivnímu působení tak vysokých proudů, jsou v obvodu zahrnuty pojistky nebo speciální jističe.

V některých případech, aby se zabránilo nebezpečným hodnotám zkratového proudu, je ke zdroji zapojen sériově nějaký vnější odpor. Potom se odpor r rovná součtu vnitřního odporu zdroje a vnějšího odporu a v případě zkratu nebude proudová síla přehnaně velká.

Pokud je vnější obvod otevřený, pak Δφ ba = – Δφ ab =

, tj. potenciální rozdíl na pólech otevřené baterie je roven jejímu EMF.

Pokud je zapnut externí zátěžový odpor R a proud I protéká baterií, rozdíl potenciálů na jejích pólech se rovná

– Ir.

Na Obr. 1.8.3 je schematické znázornění stejnosměrného zdroje s EMF rovným

a vnitřní odpor r ve třech režimech: „volnoběh“, práce na zátěži a režim zkratu (zkrat). Síla elektrického pole uvnitř baterie a síly působící na kladné náboje jsou označeny: – elektrická síla a – síla třetí strany. V režimu zkratu elektrické pole uvnitř baterie zmizí.

Obrázek 1.8.3.

Schematické znázornění stejnosměrného zdroje: 1 - baterie je otevřená; 2 - baterie je uzavřena na vnější odpor R; 3 - režim zkratu

K měření napětí a proudů ve stejnosměrných elektrických obvodech se používají speciální přístroje - voltmetry a ampérmetry.

Voltmetr je určen k měření rozdílu potenciálu aplikovaného na jeho svorky. Je zapojen paralelně s částí obvodu, na které se měří rozdíl potenciálů. Jakýkoli voltmetr má nějaký vnitřní odpor R B . Aby voltmetr při zapojení do měřeného obvodu nezavedl znatelné přerozdělení proudů, musí být jeho vnitřní odpor velký v porovnání s odporem úseku obvodu, ke kterému je připojen. Pro obvod znázorněný na Obr. 1.8.4 je tato podmínka zapsána takto:

R B >> R1.

Tato podmínka znamená, že proud I B \u003d Δφ cd / R B protékající voltmetrem je mnohem menší než proud I \u003d Δφ cd / R 1, který protéká testovanou částí obvodu.

Protože uvnitř voltmetru nepůsobí žádné vnější síly, potenciálový rozdíl na jeho svorkách se podle definice shoduje s napětím. Můžeme tedy říci, že voltmetr měří napětí.

Ampérmetr je určen k měření síly proudu v obvodu. Ampérmetr je zapojen do série s přerušením elektrického obvodu tak, aby jím procházel celý měřený proud. Ampérmetr má také nějaký vnitřní odpor R A . Na rozdíl od voltmetru musí být vnitřní odpor ampérmetru dostatečně malý ve srovnání s celkovým odporem celého obvodu. Pro obvod na Obr. 1.8.4 odpor ampérmetru musí splňovat podmínku

R A<< (r + R 1 + R 2),

aby se při zapnutí ampérmetru neměnil proud v obvodu.

Měřicí přístroje - voltmetry a ampérmetry - jsou dvojího typu: ručkové (analogové) a digitální. Digitální elektroměry jsou komplexní elektronická zařízení. Obvykle digitální přístroje poskytují vyšší přesnost měření.

Obrázek 1.8.4.

Zařazení ampérmetru (A) a voltmetru (B) do elektrického obvodu

Sériové a paralelní zapojení vodičů

Vodiče v elektrických obvodech mohou být zapojeny sériově a paralelně.

Při sériovém zapojení vodičů (obr. 1.9.1) je proudová síla ve všech vodičích stejná:

I 1 \u003d I 2 \u003d I.

Obrázek 1.9.1.

Sériové zapojení vodičů

Podle Ohmova zákona jsou napětí U 1 a U 2 na vodičích stejná

U1 = IR1, U2 = IR2.

Celkové napětí U na obou vodičích se rovná součtu napětí U 1 a U 2:

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

kde R je elektrický odpor celého obvodu. Z toho vyplývá:

R \u003d R1 + R2.

Při sériovém zapojení je celkový odpor obvodu roven součtu odporů jednotlivých vodičů.

Tento výsledek je platný pro libovolný počet sériově zapojených vodičů.

Při paralelním zapojení (obr. 1.9.2) jsou napětí U 1 a U 2 na obou vodičích stejná:

U 1 \u003d U 2 \u003d U.

Součet proudů I 1 + I 2 protékajících oběma vodiči je roven proudu v nerozvětveném obvodu:

I \u003d I 1 + I 2.

Tento výsledek vyplývá ze skutečnosti, že v místech větvení proudů (uzly A a B) ve stejnosměrném obvodu se nemohou akumulovat žádné náboje. Například náboj IΔt proudí do uzlu A za čas Δt a náboj I 1 Δt + I 2 Δt odtéká z uzlu A za stejnou dobu. Proto I = I 1 + I 2 .

Obrázek 1.9.2.

Paralelní připojení vodičů

Psaní na základě Ohmova zákona

kde R je elektrický odpor celého obvodu, dostaneme

Při paralelním zapojení vodičů se převrácená hodnota celkového odporu obvodu rovná součtu převrácených hodnot odporů paralelně zapojených vodičů.

Tento výsledek je platný pro libovolný počet paralelně zapojených vodičů.

Vzorce pro sériové a paralelní zapojení vodičů umožňují v mnoha případech vypočítat odpor složitého obvodu sestávajícího z mnoha rezistorů. Na Obr. 1.9.3 uvádí příklad takového složitého obvodu a uvádí pořadí výpočtů.

Obrázek 1.9.3.

Výpočet odporu složitého obvodu. Všechny odpory vodičů jsou v ohmech (Ohm)

Je třeba poznamenat, že ne všechny složité obvody sestávající z vodičů s různými odpory lze vypočítat pomocí vzorců pro sériové a paralelní připojení. Na Obr. 1.9.4 je příklad elektrického obvodu, který nelze vypočítat výše uvedenou metodou.

Obrázek 1.9.4.

Příklad elektrického obvodu, který není redukovatelný na kombinaci sériových a paralelních vodičů

Stejnosměrný elektrický proud

Podmínky pro vznik proudu.

Elektrický proud je řízený pohyb nabitých částic. Kvantitativní charakteristiky proudu jsou jeho proudová síla (poměr náboje: přenesený průřezem vodiče za jednotku času):

a jeho hustota, určená poměrem:

Jednotkou intenzity proudu je ampér (1A je charakteristická hodnota proudu spotřebovaného elektrickými topidly pro domácnost).

Nezbytnými podmínkami pro existenci proudu jsou přítomnost volných nosičů náboje, uzavřený obvod a zdroj EMF (baterie), který podporuje směrový pohyb.

Elektrický proud může existovat v různých prostředích: v kovech, vakuu, plynech, roztocích a taveninách elektrolytů, plazmatu, polovodičích, tkáních živých organismů.

Když protéká proud, téměř vždy dochází k interakci nosičů náboje s prostředím, doprovázené přenosem energie do prostředí ve formě tepla. Úlohou zdroje EMF je právě kompenzovat tepelné ztráty v okruzích.

Elektrický proud v kovech je způsoben pohybem relativně volných elektronů přes krystalovou mřížku. Důvody existence volných elektronů ve vodivých krystalech lze vysvětlit pouze jazykem kvantové mechaniky.

Zkušenosti ukazují, že síla elektrického proudu protékajícího vodičem je úměrná rozdílu potenciálu aplikovaného na jeho konce (Ohmův zákon). Součinitel úměrnosti mezi proudem a napětím, který je pro zvolený vodič konstantní, se nazývá elektrický odpor:

Odpor se měří v ohmech (odpor lidského těla je asi 1000 ohmů). Velikost elektrického odporu vodičů s rostoucí teplotou mírně roste. To je způsobeno skutečností, že při zahřívání uzly krystalové mřížky zvyšují chaotické tepelné vibrace, které brání usměrněnému pohybu elektronů. V mnoha problémech se přímé zohlednění kmitání mřížky ukazuje jako velmi pracné. Pro zjednodušení interakce elektronů s oscilujícími uzly se ukazuje jako vhodné nahradit je srážkami s plynnými částicemi hypotetických částic - fononů, jejichž vlastnosti jsou voleny tak, aby získaly popis co nejblíže skutečnosti a mohly dopadnout být velmi exotický. Předměty tohoto typu jsou ve fyzice velmi oblíbené a nazývají se kvazičástice. Kromě interakcí s vibracemi krystalové mřížky mohou pohybu elektronů v krystalu bránit dislokace - narušení pravidelnosti mřížky. Interakce s dislokacemi hrají rozhodující roli při nízkých teplotách, kdy tepelné vibrace prakticky chybí.

Některé materiály při nízkých teplotách zcela ztrácejí svůj elektrický odpor a přecházejí do supravodivého stavu. Proud v takových médiích může existovat bez jakéhokoli EMF, protože nedochází ke ztrátám energie při srážkách elektronů s fonony a dislokací. Vytvoření materiálů, které si udrží supravodivý stav při relativně vysokých (pokojových) teplotách a nízkých proudech je velmi důležitý úkol, jehož řešení by znamenalo skutečnou revoluci v moderní energetice, protože. by umožnil přenos elektřiny na velké vzdálenosti bez tepelných ztrát.

V současnosti se elektrický proud v kovech používá především k přeměně elektrické energie na tepelnou (topidla, světelné zdroje) nebo mechanickou (elektromotory). V druhém případě se elektrický proud používá jako zdroj magnetických polí, jejichž interakce s jinými proudy způsobuje vzhled sil.

Elektrický proud ve vakuu je přísně vzato nemožný kvůli absenci volných elektrických nábojů v něm. Některé vodivé látky jsou však při zahřívání nebo ozařování světlem schopny emitovat ze svého povrchu elektrony (tepelná emise a fotoemise), které jsou schopny udržet elektrický proud, pohybující se od katody k další (kladné) elektrodě - anodě. . Když se na anodu přivede záporné napětí, proud v obvodu se přeruší. Popsaná vlastnost způsobuje široké použití elektrovakuových zařízení v elektronických zařízeních pro usměrňování střídavého proudu. Ještě relativně nedávno byla elektrovakuová zařízení široce používána jako zesilovače elektrických signálů. V současnosti jsou téměř zcela nahrazeny polovodičovými součástkami.

Elektrický proud v plynech na první pohled nemůže existovat kvůli absenci volných nabitých částic (elektrony v atomech a molekuly plynů jsou pevně „spojeny“ s jádry elektrostatickými silami). Při přenosu energie řádově 10 eV na atom (energie, kterou volný elektron získá při průchodu potenciálovým rozdílem 10 V), přejde tento do ionizovaného stavu (elektron opustí jádro na libovolně velká vzdálenost). V plynech při pokojové teplotě je vždy velmi malé množství ionizovaných atomů, které vznikly působením kosmického záření (fotoionizace). Když je takový plyn umístěn do elektrického pole, nabité částice se začnou urychlovat, přenášejí nahromaděnou kinetickou energii na neutrální atomy a ionizují je. V důsledku toho se rozvíjí lavinový proces zvyšování počtu volných elektronů a iontů – dochází k elektrickému výboji. Charakteristická záře výboje je spojena s uvolňováním energie při rekombinaci elektronů a kladných iontů. Typy elektrických výbojů jsou velmi rozmanité a silně závisí na složení plynu a vnějších podmínkách.

Plazma.

Látka obsahující směs neutrálních atomů, volných elektronů a kladných iontů se nazývá plazma. Plazma vznikající z relativně nízkoproudých elektrických výbojů (např. v trubicích „denního světla“) se vyznačuje velmi nízkými koncentracemi nabitých částic ve srovnání s neutrálními (). Obvykle se nazývá nízkoteplotní, protože teplota atomů a iontů je blízká pokojové teplotě. Průměrná energie mnohem lehčích elektronů se ukazuje být mnohem vyšší. Že. nízkoteplotní plazma je v podstatě nerovnovážné, otevřené médium. Jak bylo uvedeno, v takových médiích jsou možné procesy samoorganizace. Známým příkladem je generování vysoce uspořádaného koherentního záření v plazmatu plynových laserů.

Plazma může být také v termodynamické rovnováze. K jeho existenci je zapotřebí velmi vysoká teplota (při které je energie tepelného pohybu srovnatelná s energií ionizační). Takové teploty existují na povrchu Slunce, mohou nastat při velmi silných elektrických výbojích (blescích), při jaderných explozích. Takové plazmě se říká horké.

atmosférická elektřina.

Země je docela dobrý vodič elektrického proudu (ve srovnání se suchým vzduchem). Ve výšce asi 50 km způsobuje ionizující kosmické záření přítomnost ionosféry – vrstvy vysoce ionizovaného plynu. Měření ukazují, že mezi ionosférou a zemským povrchem je obrovský potenciálový rozdíl (asi 5 000 000 V) a ionosféra má vůči Zemi kladný náboj. Přítomnost rozdílu potenciálu mezi Zemí a „oblohou“ vede k výskytu proudu o velmi nízké hustotě (A /) i v tak špatném vodiči, jako je vzduch. Celkový proud přicházející na povrch planety je velmi velký (cca A) a výkon, který uvolňuje, je srovnatelný s výkonem všech vybudovaných elektráren (W). Přirozeně vyvstávají otázky o mechanismu udržení tohoto potenciálního rozdílu a o důvodech, proč jeho přítomnost nebyla dosud člověkem nijak využita.

V současnosti bylo zjištěno, že hlavním mechanismem, který nabíjí „nebe“ vzhledem k Zemi, jsou bouřky. Kapky vody a ledových krystalů, pohybující se dolů k základně bouřkového mraku, shromažďují negativní náboje přítomné v atmosféře a tím nabíjejí spodní část bouřkového mraku zápornou elektřinou na potenciály, které jsou mnohonásobně větší než potenciál Země. Výsledkem je, že mezi Zemí a mrakem vzniká velmi velké elektrické pole nasměrované opačným směrem než pole, které existuje v bezoblačném počasí. V blízkosti vodivých objektů vyčnívajících z povrchu Země je toto pole ještě zesíleno a postačuje pro ionizaci plynu, který roste podle lavinového zákona. Výsledkem je velmi silný elektrický výboj zvaný blesk. Na rozdíl od všeobecného přesvědčení začíná blesk na Zemi a zasáhne mraky, nikoli naopak.

Elektrické pole 100 V/m, které je charakteristické pro jasné počasí, nelze použít a dokonce ani cítit, i když ve výšce rovné výšce člověka v jeho nepřítomnosti vytváří potenciálový rozdíl asi 200 V. Důvodem je nízká vodivost vzduchu a v důsledku toho nízké hustoty proudů proudících k zemskému povrchu. Zavedením dobrého vodiče (člověka) do elektrického obvodu, který posune dvoumetrový vzduchový sloupec, se prakticky nemění celkový odpor obvodu „nebe-Země“, jehož proud zůstává nezměněn. Jím způsobený úbytek napětí na lidském těle je asi U = IR = 0,2 μV, což leží výrazně pod prahem citlivosti našeho těla.

Elektrický proud v živých tkáních.

Významná role elektrických impulsů pro život organismů byla předpokládána již před více než 200 lety. Dnes je známo, že tyto impulsy slouží k zajištění řízení práce orgánů a přenosu informací mezi nimi v procesu života. Roli kabelů pro přenos signálu v nejsložitějším „biologickém počítači“ hrají nervy, jejichž základem jsou vysoce specializované buňky – neurony. Hlavní funkcí těchto buněk je příjem, zpracování a zesilování elektrických signálů. Neurony spolu komunikují v „síti“ pomocí speciálních protáhlých výběžků – axonů, které fungují jako vodiče. Studie šíření elektrických signálů v axonech prováděli společně biologové, chemici a fyzikové ve 30. až 60. letech našeho století a byly jedním z prvních úspěšných příkladů plodné spolupráce mezi představiteli příbuzných přírodních věd.

Jak se ukázalo, vlastnosti elektrických impulsů šířících se v axonech se výrazně liší od těch, které jsou známé elektrotechnice: 1) rychlost šíření impulsů podél axonu se ukazuje být o několik řádů menší než ty, které jsou charakteristické pro kovové; 2) po průchodu elektrického impulsu nastává „mrtvá“ doba, během níž není možné šíření dalšího impulsu; 3) existuje prahová hodnota napětí (pulzy s amplitudou pod prahovou hodnotou se nešíří); 4) při pomalém nárůstu napětí, dokonce i na hodnotu překračující prahovou hodnotu, se impuls nepřenáší podél axonu („akomodace“).

Uvedené zvláštnosti vodivosti axonů, které jsou pro tradiční elektrotechniku necharakteristické, byly vysvětleny v rámci velmi specifického elektrochemického mechanismu, v němž ústřední roli hraje polopropustná buněčná membrána pro ionty, která odděluje vnitřní objem buňka (a její axon) obsahující abnormálně vysokou koncentraci iontů K + a nízkou koncentraci - Na + z prostředí naplněného fyziologickým roztokem. V důsledku chaotického tepelného pohybu částic přes hranici mezi oblastmi s různou koncentrací kladných iontů vznikají difúzní toky (K + - z buňky, Na + - uvnitř ní), jejichž rychlosti jsou regulovány permeabilitou buněčná membrána a rozdíl elektrického potenciálu na obou jejích stranách. Změny permeability membrány pro každý z iontů vedou ke změně počtu nabitých částic překračujících hranici a následně ke změně elektrického potenciálu axonu vůči vnějšímu prostředí. Jak ukázaly experimenty, vodivost části membrány se mění v závislosti na potenciálním rozdílu, který je na ni aplikován. Že. elektrický impuls přivedený na úsek axonu krátkodobě změní vodivost membrány (v závislosti na vlastnostech axonu), což vede k redistribuci nábojů, zesílení impulsu a vytvoření jeho odtokové hrany. V tomto případě axon současně hraje roli vodiče a "zesilovacích rozvoden - opakovačů", což umožňuje vyhnout se zeslabení signálů přenášených v těle na dostatečně dlouhé vzdálenosti.

Je zajímavé, že velmi podobný problém s tím, který vyřešila příroda, krátce před objevem mechanismu vedení axonů, museli řešit v radiotechnice při pokusu zorganizovat transatlantické kabelové spojení. Aby nedocházelo k útlumu a zkreslení signálu v dlouhém vedení, musel být kabel rozdělen na relativně krátké spoje, mezi které byly umístěny zesilovače. Zkušenosti získané fyziky při vytváření dlouhých kabelových komunikačních linek značně usnadnily řešení problému mechanismu elektrické vodivosti axonů.

Bibliografie

Pro přípravu této práce byly použity materiály z lokality.

Pro existenci stejnosměrného elektrického proudu je nutná přítomnost volných nabitých částic a přítomnost zdroje proudu. ve kterém se provádí přeměna jakéhokoli druhu energie na energii elektrického pole.

Aktuální zdroj - zařízení, ve kterém se jakýkoli druh energie přeměňuje na energii elektrického pole. Ve zdroji proudu působí vnější síly na nabité částice v uzavřeném okruhu. Důvody pro výskyt vnějších sil v různých zdrojích proudu jsou různé. Například v bateriích a galvanických článcích vznikají vnější síly v důsledku proudění chemických reakcí, v generátorech elektráren vznikají při pohybu vodiče v magnetickém poli, ve fotočláncích - při působení světla na elektrony v kovech a polovodičích.

Elektromotorická síla zdroje proudu nazýváme poměr práce vnějších sil k hodnotě kladného náboje přeneseného ze záporného pólu zdroje proudu na kladný.

Základní pojmy.

Síla proudu - skalární fyzikální veličina rovna poměru náboje, který prošel vodičem, k době, za kterou tento náboj prošel.

kde já - proudová síla, q - výše poplatku (množství elektřiny), t - účtovat dobu přepravy.

proudová hustota - vektorová fyzikální veličina rovna poměru síly proudu k ploše průřezu vodiče.

kde j -proudová hustota, S - průřezová plocha vodiče.

Směr vektoru proudové hustoty se shoduje se směrem pohybu kladně nabitých částic.

Napětí - skalární fyzikální veličina rovna poměru celkové práce Coulomba a vnějších sil při pohybu kladného náboje v oblasti k hodnotě tohoto náboje.

kde A - plná práce třetích stran a Coulombových sil, q - elektrický náboj.

Elektrický odpor - fyzikální veličina charakterizující elektrické vlastnosti části obvodu.

kde ρ - měrný odpor vodiče, l - délka části vodiče, S - průřezová plocha vodiče.

Vodivost je převrácená hodnota odporu

kde G - vodivost.

Ohmovy zákony.

Ohmův zákon pro homogenní úsek řetězce.

Síla proudu v homogenní sekci obvodu je přímo úměrná napětí při konstantním odporu sekce a nepřímo úměrná odporu sekce při konstantním napětí.

kde U - napětí v oblasti R - odpor sekce.

Ohmův zákon pro libovolnou část obvodu obsahující zdroj stejnosměrného proudu.

kde φ 1 - φ 2 + ε = U napětí v dané části obvodu,R - elektrický odpor daného úseku obvodu.

Ohmův zákon pro úplný obvod.

Síla proudu v úplném obvodu je rovna poměru elektromotorické síly zdroje k součtu odporů vnější a vnitřní části obvodu.

kde R - elektrický odpor vnější části obvodu, r - elektrický odpor vnitřní části obvodu.

Zkrat.

Z Ohmova zákona pro úplný obvod vyplývá, že síla proudu v obvodu s daným zdrojem proudu závisí pouze na odporu vnějšího obvodu. R.

Pokud je na póly zdroje proudu připojen vodič s odporem R<< r, pak pouze EMF zdroje proudu a jeho odpor určí hodnotu proudu v obvodu. Tato hodnota intenzity proudu bude limitní pro tento zdroj proudu a nazývá se zkratový proud.

Elektromotorická síla. Jakýkoli zdroj proudu je charakterizován elektromotorickou silou nebo zkráceně EMF. Takže na kulaté baterii do baterky je napsáno: 1,5 V. Co to znamená? Spojte vodičem dvě kovové koule nesoucí náboje opačného znaménka. Vlivem elektrického pole těchto nábojů vzniká ve vodiči elektrický proud ( obr.15.7). Ale tento proud bude velmi krátkodobý. Náboje se rychle vzájemně neutralizují, potenciály kuliček se stanou stejnými a elektrické pole zmizí.

Síly třetích stran. Aby byl proud konstantní, je nutné udržovat konstantní napětí mezi kuličkami. To vyžaduje zařízení aktuální zdroj), který by přesunul náboje z jedné koule do druhé ve směru opačném, než je směr sil působících na tyto náboje z elektrického pole kuliček. V takovém zařízení musí kromě elektrických sil působit na náboje i síly neelektrostatického původu ( obr.15.8). Pouze jedno elektrické pole nabitých částic ( Coulomb pole) není schopen udržet konstantní proud v obvodu.

Jakékoli síly působící na elektricky nabité částice, s výjimkou sil elektrostatického původu (tj. Coulomb), se nazývají vnější síly. Závěr o potřebě vnějších sil k udržení konstantního proudu v obvodu bude ještě zjevnější, pokud se obrátíme na zákon zachování energie. Elektrostatické pole je potenciální. Práce tohoto pole při pohybu nabitých částic v něm po uzavřeném elektrickém obvodu je nulová. Průchod proudu vodiči je doprovázen uvolněním energie - vodič se zahřívá. Proto musí být v obvodu nějaký zdroj energie, který ji do obvodu dodává. V něm musí nutně působit kromě coulombských sil i síly třetích stran, nepotencionální. Práce těchto sil podél uzavřeného obrysu se musí lišit od nuly. Právě v procesu působení těchto sil získávají nabité částice energii uvnitř zdroje proudu a poté ji předávají vodičům elektrického obvodu. Síly třetích stran uvádějí do pohybu nabité částice uvnitř všech zdrojů proudu: v generátorech v elektrárnách, v galvanických článcích, bateriích atd. Při uzavření obvodu vzniká elektrické pole ve všech vodičích obvodu. Uvnitř zdroje proudu se náboje pohybují pod vlivem vnější síly vs. Coulombovy síly(elektrony z kladně nabité elektrody na zápornou) a ve vnějším obvodu jsou uváděny do pohybu elektrickým polem (viz obr. obr.15.8). Povaha cizích sil. Povaha vnějších sil může být různá. V elektrárenských generátorech jsou vnější síly síly působící z magnetického pole na elektrony v pohybujícím se vodiči. V galvanickém článku, například článku Volta, působí chemické síly. Prvek Volta se skládá ze zinkových a měděných elektrod umístěných v roztoku kyseliny sírové. Chemické síly způsobují, že se zinek rozpouští v kyselině. Kladně nabité ionty zinku přecházejí do roztoku a samotná zinková elektroda se nabije záporně. (Měď se v kyselině sírové rozpouští velmi málo.) Mezi zinkovou a měděnou elektrodou se objevuje potenciálový rozdíl, který určuje proud v uzavřeném elektrickém obvodu. Elektromotorická síla. Působení vnějších sil je charakterizováno důležitou fyzikální veličinou tzv elektromotorická síla(zkráceně EMF). Elektromotorická síla zdroje proudu se rovná poměru práce vnějších sil při pohybu náboje po uzavřeném okruhu k hodnotě této nabít:

Elektromotorická síla, stejně jako napětí, se vyjadřuje ve voltech. Můžeme také mluvit o elektromotorické síle v jakékoli části obvodu. Jedná se o specifickou práci vnějších sil (práci při pohybu jednotkového náboje) nikoli v celém obvodu, ale pouze v této oblasti. Elektromotorická síla galvanického článku je hodnota, která se číselně rovná práci vnějších sil při přesunu jednotkového kladného náboje uvnitř prvku z jednoho pólu na druhý. Práci vnějších sil nelze vyjádřit rozdílem potenciálů, protože vnější síly jsou nepotencionální a jejich práce závisí na tvaru trajektorie náboje. Takže například práce vnějších sil při pohybu náboje mezi svorkami zdroje proudu mimo zdroj samotný je rovna nule. Nyní víte, co je EMF. Pokud je na baterii napsáno 1,5 V, pak to znamená, že síly třetích stran (v tomto případě chemické) vykonají 1,5 J práce při přesunu náboje 1 C z jednoho pólu baterie na druhý. Stejnosměrný proud nemůže existovat v uzavřeném obvodu, pokud v něm nepůsobí vnější síly, to znamená, že neexistuje EMF.

PARALELNÍ A SÉRIOVÉ ZAPOJENÍ VODIČŮ

Zařaďme do elektrického obvodu jako zátěž (spotřebiče proudu) dvě žárovky, z nichž každá má nějaký specifický odpor a každá může být nahrazena vodičem se stejným odporem.

SÉRIOVÉ ZAPOJENÍ

Výpočet parametrů elektrického obvodu se sériovým zapojením odporů:

1. proudová síla ve všech sériově zapojených částech obvodu je stejná 2. napětí v obvodu sestávajícím z několika sekcí zapojených do série se rovná součtu napětí v každé sekci 3. odpor obvodu sestávajícího z několika sériově zapojených sekcí se rovná součtu odporů každé sekce

4. práce elektrického proudu v obvodu sestávajícím ze sériově zapojených sekcí se rovná součtu práce v jednotlivých sekcích.

A \u003d A1 + A2 5. výkon elektrického proudu v obvodu sestávajícím ze sériově zapojených sekcí se rovná součtu výkonů v jednotlivých sekcích

PARALELNÍ ZAPOJENÍ

Výpočet parametrů elektrického obvodu s paralelním zapojením odporů:

1. intenzita proudu v nerozvětvené části obvodu se rovná součtu intenzit proudu ve všech paralelně připojených sekcích

3. když jsou odpory zapojeny paralelně, sečtou se hodnoty, které jsou inverzní k odporu:

(R - odpor vodiče, 1/R - elektrická vodivost vodiče)

Pokud jsou v obvodu zapojeny paralelně pouze dva odpory, pak o:

(při paralelním zapojení je celkový odpor obvodu menší než menší ze zahrnutých odporů)

4. Práce elektrického proudu v obvodu sestávajícím z paralelně zapojených úseků se rovná součtu práce v jednotlivých úsecích: A=A1+A2 5. Výkon elektrického proudu v obvodu sestávajícím z paralelně zapojených sekcí se rovná součtu výkonů v jednotlivých sekcích: P=P1+P2

Pro dva odpory: tzn. čím větší odpor, tím menší proud má.

Joule-Lenzův zákon je fyzikální zákon, který umožňuje určit tepelný účinek proudu v obvodu podle tohoto zákona: , kde I je proud v obvodu, R je odpor, t je čas. Tento vzorec byl vypočten vytvořením obvodu: galvanický článek (baterie), rezistor a ampérmetr. Rezistor byl ponořen do kapaliny, do které byl vložen teploměr a byla měřena teplota. Takto odvodili svůj zákon a navždy se otiskli do historie, ale i bez jejich experimentů bylo možné odvodit stejný zákon:

U=A/q A=U*q=U*I*t=I^2*R*t ale i přes tuto čest a chválu těmto lidem.

Joule Lenzův zákon určuje množství tepla uvolněného v části elektrického obvodu s konečným odporem, když jím prochází proud. Předpokladem je skutečnost, že by v této části řetězce neměly docházet k žádným chemickým přeměnám.

PRÁCE ELEKTRICKÉHO PROUDU

Práce elektrického proudu ukazuje, jakou práci vykonalo elektrické pole při pohybu nábojů vodičem.

Když znáte dva vzorce: I \u003d q / t ..... a ..... U \u003d A / q, můžete odvodit vzorec pro výpočet práce elektrického proudu: Práce elektrického proudu se rovná součinu síly proudu a napětí a doby, po kterou proud protéká obvodem.

Jednotka měření pro práci elektrického proudu v systému SI: [ A ] \u003d 1 J \u003d 1A. b. C

UČTE SE, JDĚTE! Při výpočtu práce elektrického proudu se často používá mimosystémová násobná jednotka práce elektrického proudu: 1 kWh (kilowatthodina).

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

V každém bytě jsou pro započítání spotřebované elektřiny instalovány speciální elektroměry, které ukazují práci elektrického proudu, dokončenou po určitou dobu, když jsou zapnuty různé domácí elektrické spotřebiče. Tyto měřiče ukazují práci elektrického proudu (spotřebu elektřiny) v "kWh".

Musíte se naučit, jak vypočítat náklady na spotřebovanou elektřinu! Pečlivě rozumíme řešení úlohy na straně 122 učebnice (odst. 52)!

ELEKTRICKÝ PROUD

Výkon elektrického proudu ukazuje práci proudu vykonanou za jednotku času a je rovna poměru vykonané práce k době, během které byla tato práce vykonána.

(síla v mechanice se obvykle označuje písmenem N, v elektrotechnice - písm R) protože A = IUt, pak se výkon elektrického proudu rovná:

nebo

Jednotka výkonu elektrického proudu v soustavě SI:

[P] = 1 W (watt) = 1 A. B

Kirchhoffovy zákony – pravidla, která ukazují, jak spolu souvisí proudy a napětí v elektrických obvodech. Tato pravidla formuloval Gustav Kirchhoff v roce 1845. V literatuře se jim často říká Kirchhoffovy zákony, ale to není pravda, protože to nejsou přírodní zákony, ale byly odvozeny z třetí Maxwellovy rovnice s konstantním magnetickým polem. Ale přesto je jim křestní jméno známější, proto je budeme nazývat, jak je v literatuře zvykem - Kirchhoffovy zákony.

První Kirchhoffův zákon – součet proudů konvergujících v uzlu je roven nule.

Pojďme na to přijít. Uzel je bod, který spojuje větve. Větev je úsek řetězce mezi uzly. Obrázek ukazuje, že proud i vstupuje do uzlu a proudy i 1 a i 2 z uzlu odcházejí. Sestavíme výraz podle prvního Kirchhoffova zákona za předpokladu, že proudy vstupující do uzlu mají znaménko plus a proudy vycházející z uzlu mají znaménko mínus i-i 1 -i 2 =0. Proud i se šíří do dvou menších proudů a rovná se součtu proudů i 1 a i 2 i=i 1 +i 2. Ale pokud by například proud i 2 vstoupil do uzlu, pak by proud I byl definován jako i=i 1 -i 2 . Při sestavování rovnice je důležité vzít v úvahu znaménka.

První Kirchhoffův zákon je důsledkem zákona zachování elektřiny: náboj přicházející do uzlu v určitém časovém úseku se rovná náboji opouštějícímu uzel ve stejném časovém intervalu, tzn. elektrický náboj v uzlu se nehromadí a nemizí.

Druhý Kirchhoffův zákon – algebraický součet EMF působícího v uzavřeném obvodu se rovná algebraickému součtu úbytků napětí v tomto obvodu.

Napětí je vyjádřeno jako součin proudu a odporu (podle Ohmova zákona).

Tento zákon má také svá vlastní pravidla pro aplikaci. Nejprve je potřeba šipkou nastavit směr obcházení obrysu. Poté sečtěte EMF a napětí, přičemž se znaménkem plus, pokud se hodnota shoduje se směrem bypassu, a mínus, pokud tomu tak není. Udělejme rovnici podle druhého Kirchhoffova zákona pro naše schéma. Podíváme se na naši šipku, E 2 a E 3 se s ní shodují ve směru, což znamená znaménko plus, a E 1 směřuje opačným směrem, což znamená znaménko mínus. Nyní se podíváme na napětí, proud I 1 se shoduje ve směru šipky a proudy I 2 a I 3 směřují opačně. Tudíž:

-E 1 +E 2 +E 3 = já 1 R 1 -Já 2 R 2 -Já 3 R 3

Na základě Kirchhoffových zákonů byly sestaveny metody pro analýzu sinusových obvodů střídavého proudu. Metoda smyčkového proudu je metoda založená na aplikaci druhého Kirchhoffova zákona a metoda uzlových potenciálů založená na aplikaci prvního Kirchhoffova zákona.

Podmínky pro vznik proudu.

Elektrický proud je řízený pohyb nabitých částic. Kvantitativní charakteristiky proudu jsou jeho proudová síla (poměr náboje: přenesený průřezem vodiče za jednotku času):

a jeho hustota, určená poměrem:

Jednotkou intenzity proudu je ampér (1A je charakteristická hodnota proudu spotřebovaného elektrickými topidly pro domácnost).

Nezbytnými podmínkami pro existenci proudu jsou přítomnost volných nosičů náboje, uzavřený obvod a zdroj EMF (baterie), který podporuje směrový pohyb.

Elektrický proud může existovat v různých prostředích: v kovech, vakuu, plynech, roztocích a taveninách elektrolytů, plazmatu, polovodičích, tkáních živých organismů.

Plazma.

). Obvykle se nazývá nízkoteplotní, protože teplota atomů a iontů je blízká pokojové teplotě. Průměrná energie mnohem lehčích elektronů se ukazuje být mnohem vyšší. Že. nízkoteplotní plazma je v podstatě nerovnovážné, otevřené médium. Jak bylo uvedeno, v takových médiích jsou možné procesy samoorganizace. Známým příkladem je generování vysoce uspořádaného koherentního záření v plazmatu plynových laserů.

atmosférická elektřina.

A/) i v tak špatném vodiči, jako je vzduch. Celkový proud přicházející na povrch planety je velmi velký (cca A) a výkon, který uvolňuje, je srovnatelný s výkonem všech vybudovaných elektráren (W). Přirozeně vyvstávají otázky o mechanismu udržení tohoto potenciálního rozdílu a o důvodech, proč jeho přítomnost nebyla dosud člověkem nijak využita.

Elektrický proud v živých tkáních.