Condizioni di corrente elettrica costante per il suo verificarsi. Condizioni per l'esistenza di corrente elettrica continua

Agenzia federale per l'istruzione

Università socioeconomica statale di Saratov

Ramo di marchi

Dipartimento di Discipline Umanitarie Generali

TEMA

Secondo "Fisica"

sul tema: “Corrente elettrica. Legge di Ohm"

Studente del 2° anno

Specialità: "Eup pp"

Controllato da: Starikova N.N.

Marx - 2010

Elettricità. Legge di Ohm

Se viene inserito un conduttore isolato campo elettrico

allora una forza agirà sulle cariche libere q nel conduttore, di conseguenza si verifica un movimento a breve termine delle cariche libere nel conduttore. Questo processo terminerà quando il proprio campo elettrico delle cariche che si sono formate sulla superficie del conduttore compenserà completamente il campo esterno. Il campo elettrostatico risultante all'interno del conduttore sarà zero (vedi § 1.5).

Tuttavia, nei conduttori, in determinate condizioni, può verificarsi un movimento ordinato continuo di portatori di carica elettrica liberi. Questo movimento è chiamato corrente elettrica. La direzione del movimento delle cariche libere positive è assunta come direzione della corrente elettrica. Per l'esistenza di una corrente elettrica in un conduttore, è necessario creare un campo elettrico al suo interno.

Una misura quantitativa della corrente elettrica è la forza della corrente I - scalare quantità fisica, pari al rapporto tra la carica Δq trasferita attraverso la sezione del conduttore (Fig. 1.8.1) nell'intervallo di tempo Δt, a questo intervallo di tempo:

Se la forza della corrente e la sua direzione non cambiano nel tempo, tale corrente viene chiamata costante.

Figura 1.8.1.

Il movimento ordinato degli elettroni in un conduttore metallico e la corrente I. S è l'area della sezione trasversale del conduttore,

- campo elettrico

Nel sistema internazionale di unità SI, la corrente è misurata in ampere (A). L'unità di corrente 1 A è impostata in base a interazione magnetica due conduttori paralleli con corrente (vedi § 1.16).

Costante elettricità può essere creato solo in un circuito chiuso in cui i vettori di carica gratuiti circolano lungo percorsi chiusi. Il campo elettrico in diversi punti di un tale circuito è costante nel tempo. Pertanto, il campo elettrico nel circuito corrente continua ha il carattere di un campo elettrostatico congelato. Ma quando si sposta una carica elettrica in un campo elettrostatico lungo un percorso chiuso, il lavoro delle forze elettriche è zero (vedi § 1.4). Pertanto, per l'esistenza della corrente continua, è necessario avere in circuito elettrico un dispositivo in grado di creare e mantenere differenze di potenziale nelle sezioni circuitali dovute al lavoro di forze di origine non elettrostatica. Tali dispositivi sono chiamati sorgenti di corrente continua. Le forze di origine non elettrostatica che agiscono su portatori di carica liberi da fonti di corrente sono chiamate forze esterne.

La natura delle forze esterne può essere diversa. Nelle celle galvaniche o nelle batterie, sorgono a seguito di processi elettrochimici, nei generatori CC, le forze esterne sorgono quando i conduttori si muovono in un campo magnetico. La sorgente di corrente nel circuito elettrico svolge lo stesso ruolo della pompa, necessaria per pompare il fluido in un sistema idraulico chiuso. Sotto l'azione di forze esterne, le cariche elettriche si muovono all'interno della sorgente di corrente contro le forze del campo elettrostatico, grazie alle quali è possibile mantenere una corrente elettrica costante in un circuito chiuso.

Quando le cariche elettriche si muovono lungo un circuito CC, le forze esterne che agiscono all'interno delle sorgenti di corrente funzionano.

Una quantità fisica uguale al rapporto di lavoro A st delle forze esterne quando si sposta la carica q dal polo negativo della sorgente di corrente al positivo al valore di questa carica è chiamata forza elettromotrice della sorgente (EMF):

Pertanto, l'EMF è determinato dal lavoro svolto dalle forze esterne quando si sposta una singola carica positiva. La forza elettromotrice, come la differenza di potenziale, è misurata in volt (V).

Quando una singola carica positiva si muove lungo un circuito CC chiuso, il lavoro delle forze esterne è uguale alla somma dell'EMF che agisce in questo circuito e il lavoro del campo elettrostatico è zero.

Il circuito CC può essere suddiviso in sezioni separate. Sono detti omogenei quei tratti sui quali non agiscono forze esterne (cioè tratti che non contengono sorgenti di corrente). Le sezioni che includono le fonti correnti sono dette eterogenee.

Quando una carica positiva unitaria si muove lungo una certa sezione del circuito, funzionano sia le forze elettrostatiche (Coulomb) che quelle esterne. Il lavoro delle forze elettrostatiche è uguale alla differenza di potenziale Δφ 12 \u003d φ 1 - φ 2 tra i punti iniziale (1) e finale (2) della sezione disomogenea. Il lavoro delle forze esterne è per definizione forza elettromotiva

12 operanti in questo settore. Quindi il lavoro totale è

U 12 \u003d φ 1 - φ 2 +

12 .

Il valore di U 12 è solitamente chiamato tensione nella sezione del circuito 1–2. Nel caso di una sezione omogenea, la tensione è uguale alla differenza di potenziale:

U 12 \u003d φ 1 - φ 2.

Il fisico tedesco G. Ohm nel 1826 stabilì sperimentalmente che la forza della corrente I che scorre attraverso un conduttore metallico omogeneo (cioè un conduttore in cui non agiscono forze esterne) è proporzionale alla tensione U alle estremità del conduttore:

dove R = cost.

Il valore di R è solitamente chiamato resistenza elettrica. Un conduttore con resistenza elettrica è chiamato resistore. Questo rapporto esprime la legge di Ohm per una sezione omogenea del circuito: la forza di corrente nel conduttore è direttamente proporzionale alla tensione applicata e inversamente proporzionale alla resistenza del conduttore.

In SI, l'unità della resistenza elettrica dei conduttori è l'ohm (Ohm). Una resistenza di 1 ohm ha una sezione del circuito in cui, ad una tensione di 1 V, si verifica una corrente di 1 A.

I conduttori che obbediscono alla legge di Ohm sono detti lineari. La dipendenza grafica dell'intensità di corrente I dalla tensione U (tali grafici sono chiamati caratteristiche di corrente-tensione, abbreviati in CVC) è rappresentata da una retta passante per l'origine. Va notato che ci sono molti materiali e dispositivi che non obbediscono alla legge di Ohm, ad esempio, diodo a semiconduttore o lampada a gas. Persino conduttori metallici a correnti di forza sufficientemente grande, si osserva una deviazione dalla legge lineare di Ohm, poiché resistenza elettrica i conduttori metallici aumentano con l'aumentare della temperatura.

Per una sezione di circuito contenente EMF, la legge di Ohm è scritta nella forma seguente:

IR \u003d U 12 \u003d φ 1 - φ 2 +

= Δφ 12 + .

Questa relazione è solitamente chiamata legge di Ohm generalizzata o legge di Ohm per una sezione di catena disomogenea.

Sulla fig. 1.8.2 mostra un circuito CC chiuso. La sezione della catena (cd) è omogenea.

Figura 1.8.2.

circuito CC

Legge di Ohm

La sezione (ab) contiene una sorgente di corrente con un EMF uguale a

Secondo la legge di Ohm per un'area eterogenea,

Sommando entrambe le uguaglianze, otteniamo:

io (R + r) = Δφ cd + Δφ ab +

Ma Δφ cd = Δφ ba = – Δφ ab. Ecco perchè

Questa formula esprimerà la legge di Ohm per catena completa: la forza di corrente in un circuito completo è uguale alla forza elettromotrice della sorgente, divisa per la somma delle resistenze delle sezioni omogenee e disomogenee del circuito.

La resistenza r della sezione disomogenea di fig. 1.8.2 può essere visto come resistenza interna fonte corrente. In questo caso, la sezione (ab) in Fig. 1.8.2 è la sezione interna della sorgente. Se i punti a e b sono chiusi con un conduttore la cui resistenza è piccola rispetto alla resistenza interna della sorgente (R<< r), тогда в цепи потечет ток короткого замыкания

Corrente di cortocircuito: la corrente massima che può essere ottenuta da una determinata sorgente con una forza elettromotrice

e resistenza interna r. Per sorgenti con bassa resistenza interna, la corrente di cortocircuito può essere molto elevata e causare la distruzione del circuito elettrico o della sorgente. Ad esempio, le batterie al piombo utilizzate nelle automobili possono avere una corrente di cortocircuito di diverse centinaia di ampere. Particolarmente pericolosi sono i cortocircuiti nelle reti di illuminazione alimentate da sottostazioni (migliaia di ampere). Per evitare l'effetto distruttivo di correnti così elevate, nel circuito sono inclusi fusibili o interruttori automatici speciali.

In alcuni casi, per evitare valori pericolosi della corrente di cortocircuito, alcune resistenze esterne sono collegate in serie alla sorgente. Quindi la resistenza r è uguale alla somma della resistenza interna della sorgente e della resistenza esterna e, in caso di cortocircuito, la forza della corrente non sarà eccessivamente grande.

Se il circuito esterno è aperto, allora Δφ ba = – Δφ ab =

, cioè la differenza di potenziale ai poli di una batteria aperta è uguale alla sua EMF.

Se la resistenza di carico esterna R è attivata e la corrente I scorre attraverso la batteria, la differenza di potenziale ai suoi poli diventa uguale a

– Ir.

Sulla fig. 1.8.3 è una rappresentazione schematica di una sorgente CC con un EMF uguale a

e resistenza interna r in tre modalità: “idling”, lavoro su carico e modalità di cortocircuito (cortocircuito). L'intensità del campo elettrico all'interno della batteria e le forze agenti sulle cariche positive sono indicate: – forza elettrica e – forza di terzi. In modalità corto circuito, il campo elettrico all'interno della batteria scompare.

Figura 1.8.3.

Rappresentazione schematica di una sorgente DC: 1 - la batteria è aperta; 2 - la batteria è chiusa alla resistenza esterna R; 3 - modalità di cortocircuito

Per misurare tensioni e correnti nei circuiti elettrici CC, vengono utilizzati dispositivi speciali: voltmetri e amperometri.

Il voltmetro è progettato per misurare la differenza di potenziale applicata ai suoi terminali. È collegato in parallelo con la sezione del circuito su cui viene misurata la differenza di potenziale. Qualsiasi voltmetro ha una resistenza interna R B . Affinché il voltmetro non introduca una notevole ridistribuzione delle correnti quando è collegato al circuito misurato, la sua resistenza interna deve essere grande rispetto alla resistenza della sezione del circuito a cui è collegato. Per il circuito mostrato in Fig. 1.8.4, questa condizione è scritta come:

R B >> R 1 .

Questa condizione significa che la corrente I B \u003d Δφ cd / R B che scorre attraverso il voltmetro è molto inferiore alla corrente I \u003d Δφ cd / R 1 che scorre attraverso la sezione testata del circuito.

Non essendoci forze esterne che agiscono all'interno del voltmetro, la differenza di potenziale ai suoi capi coincide, per definizione, con la tensione. Pertanto, possiamo dire che il voltmetro misura la tensione.

L'amperometro è progettato per misurare la forza di corrente nel circuito. L'amperometro è collegato in serie all'interruzione del circuito elettrico in modo che l'intera corrente misurata lo attraversi. L'amperometro ha anche una resistenza interna RA. A differenza di un voltmetro, la resistenza interna di un amperometro deve essere sufficientemente piccola rispetto alla resistenza totale dell'intero circuito. Per il circuito di fig. 1.8.4 la resistenza dell'amperometro deve soddisfare la condizione

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

in modo che quando l'amperometro è acceso, la corrente nel circuito non cambia.

Gli strumenti di misura - voltmetri e amperometri - sono di due tipi: a puntatore (analogici) e digitali. I contatori elettrici digitali sono dispositivi elettronici complessi. Solitamente gli strumenti digitali forniscono una maggiore precisione di misura.

Figura 1.8.4.

Inserimento di un amperometro (A) e di un voltmetro (B) in un circuito elettrico

Collegamento in serie e in parallelo di conduttori

I conduttori nei circuiti elettrici possono essere collegati in serie e in parallelo.

Con una connessione in serie di conduttori (Fig. 1.9.1), la forza della corrente in tutti i conduttori è la stessa:

io 1 \u003d io 2 \u003d io.

Figura 1.9.1.

Collegamento seriale dei conduttori

Secondo la legge di Ohm, le tensioni U 1 e U 2 sui conduttori sono uguali

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

La tensione totale U su entrambi i conduttori è uguale alla somma delle tensioni U 1 e U 2:

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

dove R è la resistenza elettrica dell'intero circuito. Ciò implica:

R \u003d R 1 + R 2.

Collegato in serie, la resistenza totale del circuito è uguale alla somma delle resistenze dei singoli conduttori.

Questo risultato è valido per un numero qualsiasi di conduttori collegati in serie.

Con un collegamento in parallelo (Fig. 1.9.2), le tensioni U 1 e U 2 su entrambi i conduttori sono le stesse:

U 1 \u003d U 2 \u003d U.

La somma delle correnti I 1 + I 2 che scorrono attraverso entrambi i conduttori è uguale alla corrente in un circuito non ramificato:

io \u003d io 1 + io 2.

Questo risultato deriva dal fatto che nessuna carica può accumularsi nei punti di diramazione delle correnti (nodi A e B) in un circuito DC. Ad esempio, la carica IΔt scorre al nodo A nel tempo Δt e la carica I 1 Δt + I 2 Δt scorre via dal nodo A nello stesso tempo. Pertanto, I = I 1 + I 2 .

Figura 1.9.2.

Collegamento in parallelo di conduttori

Scrittura basata sulla legge di Ohm

dove R è la resistenza elettrica dell'intero circuito, otteniamo

Con un collegamento in parallelo di conduttori, il reciproco della resistenza totale del circuito è uguale alla somma dei reciproci delle resistenze dei conduttori collegati in parallelo.

Questo risultato è valido per un numero qualsiasi di conduttori collegati in parallelo.

Le formule per il collegamento in serie e in parallelo dei conduttori consentono in molti casi di calcolare la resistenza di un circuito complesso costituito da molte resistenze. Sulla fig. 1.9.3 fornisce un esempio di un circuito così complesso e indica la sequenza dei calcoli.

Figura 1.9.3.

Calcolo della resistenza di un circuito complesso. Tutte le resistenze dei conduttori sono in ohm (Ohm)

Va notato che non tutti i circuiti complessi costituiti da conduttori con resistenze diverse possono essere calcolati utilizzando formule per il collegamento in serie e in parallelo. Sulla fig. 1.9.4 mostra un esempio di un circuito elettrico che non può essere calcolato utilizzando il metodo sopra.

Figura 1.9.4.

Un esempio di circuito elettrico non riducibile a una combinazione di conduttori in serie e in parallelo

Corrente elettrica continua

Condizioni per il verificarsi della corrente.

Una corrente elettrica è un movimento diretto di particelle cariche. Le caratteristiche quantitative della corrente sono la sua forza attuale (il rapporto tra la carica: trasferita attraverso la sezione trasversale del conduttore per unità di tempo):

e la sua densità, determinata dal rapporto:

L'unità di intensità della corrente è l'ampere (1A è il valore caratteristico della corrente consumata dai riscaldatori elettrici domestici).

Le condizioni necessarie per l'esistenza della corrente sono la presenza di portatori di carica liberi, un circuito chiuso e una sorgente EMF (batteria) che supporta il movimento direzionale.

La corrente elettrica può esistere in vari mezzi: nei metalli, nel vuoto, nei gas, nelle soluzioni e nei fusi di elettroliti, nel plasma, nei semiconduttori, nei tessuti degli organismi viventi.

Quando scorre una corrente, si verifica quasi sempre l'interazione dei portatori di carica con l'ambiente, accompagnata dal trasferimento di energia a quest'ultimo sotto forma di calore. Il ruolo della sorgente EMF è proprio quello di compensare le perdite di calore nei circuiti.

La corrente elettrica nei metalli è dovuta al movimento di elettroni relativamente liberi attraverso il reticolo cristallino. Le ragioni dell'esistenza di elettroni liberi nei cristalli conduttori possono essere spiegate solo nel linguaggio della meccanica quantistica.

L'esperienza mostra che l'intensità della corrente elettrica che scorre attraverso il conduttore è proporzionale alla differenza di potenziale applicata ai suoi capi (legge di Ohm). Il coefficiente di proporzionalità tra corrente e tensione, costante per il conduttore selezionato, è chiamato resistenza elettrica:

La resistenza è misurata in ohm (la resistenza del corpo umano è di circa 1000 ohm). L'entità della resistenza elettrica dei conduttori aumenta leggermente all'aumentare della temperatura. Ciò è dovuto al fatto che quando riscaldati, i nodi del reticolo cristallino aumentano le vibrazioni termiche caotiche, che impediscono il movimento diretto degli elettroni. In molti problemi, l'indennità diretta per le vibrazioni del reticolo risulta essere molto laboriosa. Per semplificare l'interazione degli elettroni con i nodi oscillanti, risulta conveniente sostituirli con collisioni con particelle di gas di ipotetiche particelle - fononi, le cui proprietà sono scelte in modo da ottenere una descrizione il più vicino possibile alla realtà e possono risultare essere molto esotico. Oggetti di questo tipo sono molto popolari in fisica e sono chiamati quasiparticelle. Oltre alle interazioni con le vibrazioni del reticolo cristallino, il movimento degli elettroni in un cristallo può essere ostacolato da dislocazioni, violazioni della regolarità del reticolo. Le interazioni con le dislocazioni giocano un ruolo determinante alle basse temperature, quando le vibrazioni termiche sono praticamente assenti.

Alcuni materiali a basse temperature perdono completamente la loro resistenza elettrica, passando in uno stato superconduttore. La corrente in tali mezzi può esistere senza alcun EMF, poiché non ci sono perdite di energia nelle collisioni di elettroni con fononi e dislocazioni. La creazione di materiali che mantengano lo stato superconduttore a temperature (ambiente) relativamente elevate e basse correnti è un compito molto importante, la cui soluzione farebbe una vera rivoluzione nell'energia moderna, perché. consentirebbe la trasmissione di energia elettrica su lunghe distanze senza dispersioni di calore.

Attualmente, la corrente elettrica nei metalli viene utilizzata principalmente per convertire l'energia elettrica in energia termica (riscaldatori, sorgenti luminose) o meccanica (motori elettrici). In quest'ultimo caso, la corrente elettrica viene utilizzata come fonte di campi magnetici, l'interazione con cui altre correnti provocano la comparsa di forze.

La corrente elettrica nel vuoto è in senso stretto impossibile a causa dell'assenza di cariche elettriche libere al suo interno. Tuttavia, alcune sostanze conduttive, se riscaldate o irradiate con luce, sono in grado di emettere elettroni dalla loro superficie (emissione termica e fotoemissione), che sono in grado di mantenere una corrente elettrica, spostandosi dal catodo a un altro elettrodo (positivo): l'anodo . Quando viene applicata una tensione negativa all'anodo, la corrente nel circuito si interrompe. La proprietà descritta determina l'uso diffuso dei dispositivi di elettrovuoto nei dispositivi elettronici per il raddrizzamento della corrente alternata. Fino a tempi relativamente recenti, i dispositivi elettrovuoto erano ampiamente utilizzati come amplificatori di segnali elettrici. Attualmente, sono quasi completamente sostituiti da dispositivi a semiconduttore.

A prima vista, la corrente elettrica nei gas non può esistere a causa dell'assenza di particelle cariche libere (gli elettroni negli atomi e le molecole di gas sono saldamente "legati" ai nuclei da forze elettrostatiche). Tuttavia, quando l'energia dell'ordine di 10 eV viene trasferita a un atomo (l'energia acquisita da un elettrone libero quando passa attraverso una differenza di potenziale di 10 V), quest'ultimo passa in uno stato ionizzato (un elettrone lascia il nucleo per un grande distanza). Nei gas a temperatura ambiente c'è sempre una piccolissima quantità di atomi ionizzati che si sono formati sotto l'azione della radiazione cosmica (fotoionizzazione). Quando un tale gas viene posto in un campo elettrico, le particelle cariche iniziano ad accelerare, trasferendo l'energia cinetica accumulata ad atomi neutri e ionizzandoli. Di conseguenza, si sviluppa un processo simile a una valanga di aumento del numero di elettroni e ioni liberi: si verifica una scarica elettrica. Il caratteristico bagliore della scarica è associato al rilascio di energia durante la ricombinazione di elettroni e ioni positivi. I tipi di scariche elettriche sono molto diversi e dipendono fortemente dalla composizione del gas e dalle condizioni esterne.

Plasma.

Una sostanza contenente una miscela di atomi neutri, elettroni liberi e ioni positivi è chiamata plasma. Il plasma risultante da scariche elettriche a corrente relativamente bassa (ad esempio in tubi “diurni”) è caratterizzato da concentrazioni molto basse di particelle cariche rispetto a quelle neutre (). Di solito si chiama bassa temperatura, poiché la temperatura degli atomi e degli ioni è vicina alla temperatura ambiente. L'energia media di elettroni molto più leggeri risulta essere molto più alta. Quella. il plasma a bassa temperatura è essenzialmente un mezzo aperto di non equilibrio. Come notato, in tali media sono possibili processi di auto-organizzazione. Un esempio ben noto è la generazione di radiazioni coerenti altamente ordinate nel plasma dei laser a gas.

Il plasma può anche essere in equilibrio termodinamico. Per la sua esistenza è richiesta una temperatura molto elevata (alla quale l'energia del moto termico è paragonabile all'energia di ionizzazione). Tali temperature esistono sulla superficie del Sole, possono verificarsi durante scariche elettriche molto potenti (fulmini), durante esplosioni nucleari. Un tale plasma è chiamato caldo.

elettricità atmosferica.

La terra è un buon conduttore di elettricità (rispetto all'aria secca). Ad un'altitudine di circa 50 km, la radiazione cosmica ionizzante provoca la presenza della ionosfera, uno strato di gas altamente ionizzato. Le misurazioni mostrano che esiste un'enorme differenza di potenziale tra la ionosfera e la superficie terrestre (circa 5.000.000 di V), e la ionosfera ha una carica positiva rispetto alla Terra. La presenza di una differenza di potenziale tra la Terra e il “cielo” porta alla comparsa di una corrente di bassissima densità (A/) anche in un conduttore così scarso come l'aria. La corrente totale che arriva alla superficie del pianeta è molto grande (circa A) e la potenza che rilascia è paragonabile alla potenza di tutte le centrali elettriche costruite (W). Sorgono naturali interrogativi sul meccanismo per mantenere questa potenziale differenza e sui motivi per cui la sua presenza non è stata ancora utilizzata dall'uomo.

È stato ora stabilito che il principale meccanismo che carica il "cielo" rispetto alla Terra sono i temporali. Gocce d'acqua e cristalli di ghiaccio, scendendo alla base della nuvola temporalesca, raccolgono cariche negative nell'atmosfera e quindi caricano la parte inferiore della nuvola temporalesca con elettricità negativa a potenziali molte volte maggiori del potenziale della Terra. Di conseguenza, tra la Terra e la nuvola si crea un campo elettrico molto ampio, diretto nella direzione opposta rispetto al campo che esiste con tempo senza nuvole. Vicino a oggetti conduttori che sporgono dalla superficie terrestre, questo campo è ancora più forte ed è sufficiente per la ionizzazione del gas, che cresce secondo una legge di valanga. Il risultato è una scarica elettrica molto potente chiamata fulmine. Contrariamente alla credenza popolare, un fulmine inizia sulla Terra e colpisce le nuvole, non il contrario.

Un campo elettrico di 100 V/m, che è caratteristico del bel tempo, non può essere utilizzato e nemmeno percepito, sebbene ad un'altezza pari all'altezza di una persona, in sua assenza, crea una differenza di potenziale di circa 200 V. La ragione di ciò è la bassa conduttività dell'aria e, di conseguenza, la bassa densità delle correnti che fluiscono sulla superficie terrestre. L'introduzione di un buon conduttore (una persona) nel circuito elettrico, deviando una colonna d'aria di due metri, praticamente non cambia la resistenza totale del circuito "cielo-Terra", la cui corrente rimane invariata. La caduta di tensione da esso provocata sul corpo umano è di circa U = IR = 0,2 μV, che si trova significativamente al di sotto della soglia di sensibilità del nostro corpo.

Corrente elettrica nei tessuti viventi.

L'importante ruolo degli impulsi elettrici per la vita degli organismi è stato assunto più di 200 anni fa. Ora è noto che questi impulsi vengono utilizzati per garantire il controllo del lavoro degli organi e il trasferimento di informazioni tra di loro nel processo della vita. Il ruolo dei cavi per la trasmissione del segnale nel più complesso "computer biologico" è svolto dai nervi, che si basano su cellule altamente specializzate: i neuroni. Le funzioni principali di queste cellule sono la ricezione, l'elaborazione e l'amplificazione dei segnali elettrici. I neuroni comunicano tra loro in una "rete" con l'aiuto di speciali escrescenze allungate - assoni che fungono da conduttori. Gli studi sulla propagazione dei segnali elettrici negli assoni sono stati condotti congiuntamente da biologi, chimici e fisici negli anni 30-60 del nostro secolo e sono stati uno dei primi esempi riusciti di fruttuosa cooperazione tra rappresentanti delle scienze naturali correlate.

Come si è scoperto, le proprietà degli impulsi elettrici che si propagano negli assoni differiscono significativamente da quelle familiari all'ingegneria elettrica: 1) la velocità di propagazione degli impulsi lungo l'assone risulta essere di diversi ordini di grandezza inferiore a quella caratteristica di quelli metallici; 2) dopo il passaggio di un impulso elettrico, c'è un tempo “morto” durante il quale la propagazione dell'impulso successivo è impossibile; 3) è presente un valore di tensione di soglia (gli impulsi con un'ampiezza inferiore alla soglia non si propagano); 4) con un lento aumento della tensione, anche ad un valore superiore alla soglia, l'impulso non viene trasmesso lungo l'assone (“accomodazione”).

Le caratteristiche elencate della conduttanza assonale, insolite per l'ingegneria elettrica tradizionale, sono state spiegate nell'ambito di un meccanismo elettrochimico molto specifico, il cui ruolo centrale appartiene a una membrana cellulare semipermeabile agli ioni, che separa il volume interno del cellula (e il suo assone) contenente una concentrazione anormalmente alta di ioni K + e bassa - Na + da un ambiente pieno di soluzione salina. Come risultato del caotico movimento termico delle particelle attraverso il confine tra regioni con diverse concentrazioni di ioni positivi, sorgono flussi di diffusione (K + - dalla cellula, Na + - al suo interno), le cui velocità sono regolate dalla permeabilità di la membrana cellulare e la differenza di potenziale elettrico su entrambi i lati di essa. Le variazioni della permeabilità della membrana per ciascuno degli ioni portano ad una variazione del numero di particelle cariche che attraversano il confine e, di conseguenza, ad una variazione del potenziale elettrico dell'assone rispetto all'ambiente esterno. Gli esperimenti hanno dimostrato che la conduttività di una sezione della membrana varia a seconda della differenza di potenziale applicata ad essa. Quella. l'impulso elettrico applicato alla sezione dell'assone modifica la conducibilità della membrana per un breve periodo (a seconda delle proprietà dell'assone), che porta ad una ridistribuzione delle cariche, all'amplificazione dell'impulso e alla formazione del suo bordo di uscita. In questo caso, l'assone svolge contemporaneamente il ruolo di conduttore e "sottostazioni di amplificazione - ripetitori", il che consente di evitare l'attenuazione dei segnali trasmessi nel corpo su distanze sufficientemente lunghe.

È interessante notare che un problema molto simile a quello che è stato risolto per natura, poco prima della scoperta del meccanismo di conduzione assonale, doveva essere risolto in ingegneria radiofonica quando si cercava di organizzare un collegamento via cavo transatlantico. Per evitare l'attenuazione e la distorsione del segnale in una lunga linea, il cavo doveva essere suddiviso in collegamenti relativamente corti, tra i quali erano collocati amplificatori. L'esperienza maturata dai fisici nella realizzazione di lunghe linee di comunicazione in cavo ha notevolmente facilitato la soluzione del problema del meccanismo della conducibilità elettrica assonale.

Bibliografia

Per la preparazione di questo lavoro sono stati utilizzati i materiali del sito.

Per l'esistenza di una corrente elettrica continua sono necessarie la presenza di particelle cariche libere e la presenza di una sorgente di corrente. in cui viene effettuata la conversione di qualsiasi tipo di energia in energia di un campo elettrico.

Fonte corrente - un dispositivo in cui qualsiasi tipo di energia viene convertita nell'energia di un campo elettrico. In una sorgente di corrente, le forze esterne agiscono sulle particelle cariche in un circuito chiuso. Le ragioni per la comparsa di forze esterne in varie fonti di corrente sono diverse. Ad esempio, nelle batterie e nelle celle galvaniche, le forze esterne sorgono a causa del flusso di reazioni chimiche, nei generatori di centrali elettriche sorgono quando un conduttore si muove in un campo magnetico, nelle fotocellule - quando la luce agisce sugli elettroni nei metalli e nei semiconduttori.

La forza elettromotrice della sorgente di corrente chiamato il rapporto tra il lavoro delle forze esterne e il valore della carica positiva trasferita dal polo negativo della sorgente di corrente al positivo.

Concetti basilari.

Forza attuale - una quantità fisica scalare pari al rapporto tra la carica che ha attraversato il conduttore e il tempo per il quale questa carica è trascorsa.

dove io - forza attuale, q - importo della carica (quantità di elettricità), t - addebitare il tempo di transito.

densità corrente - grandezza fisica del vettore uguale al rapporto tra la forza della corrente e l'area della sezione trasversale del conduttore.

dove j -densità corrente, S - area della sezione trasversale del conduttore.

La direzione del vettore di densità di corrente coincide con la direzione del movimento delle particelle cariche positivamente.

Voltaggio - quantità fisica scalare uguale al rapporto tra il lavoro totale del Coulomb e le forze esterne quando si sposta una carica positiva nell'area rispetto al valore di questa carica.

dove UN - lavoro completo di forze terze e coulombiane, q - carica elettrica.

Resistenza elettrica - una grandezza fisica che caratterizza le proprietà elettriche di una sezione circuitale.

dove ρ - resistenza specifica del conduttore, l - la lunghezza della sezione del conduttore, S - area della sezione trasversale del conduttore.

Conducibilità è il reciproco della resistenza

dove G - conducibilità.

Leggi di Ohm.

Legge di Ohm per una sezione omogenea di una catena.

L'intensità della corrente in una sezione omogenea del circuito è direttamente proporzionale alla tensione a resistenza di sezione costante e inversamente proporzionale alla resistenza di sezione a tensione costante.

dove u - tensione nella zona R - resistenza di sezione.

Legge di Ohm per una sezione arbitraria del circuito contenente una sorgente di corrente continua.

dove φ 1 - φ 2 + ε = u tensione in una determinata sezione del circuito,R - resistenza elettrica di una determinata sezione del circuito.

Legge di Ohm per un circuito completo.

La forza di corrente in un circuito completo è uguale al rapporto tra la forza elettromotrice della sorgente e la somma delle resistenze delle sezioni esterna ed interna del circuito.

dove R - resistenza elettrica della sezione esterna del circuito, r - resistenza elettrica della sezione interna del circuito.

Corto circuito.

Dalla legge di Ohm per un circuito completo segue che l'intensità della corrente in un circuito con una data sorgente di corrente dipende solo dalla resistenza del circuito esterno R.

Se un conduttore con resistenza è collegato ai poli della sorgente di corrente R<< r, quindi solo l'EMF della sorgente di corrente e la sua resistenza determineranno il valore della corrente nel circuito. Questo valore dell'intensità di corrente sarà il limite per questa sorgente di corrente ed è chiamato corrente di cortocircuito.

Forza elettromotiva. Qualsiasi sorgente di corrente è caratterizzata da forza elettromotrice, o, in breve, EMF. Quindi, su una batteria rotonda per una torcia c'è scritto: 1,5 V. Cosa significa? Collega due sfere di metallo che trasportano cariche di segno opposto con un conduttore. Sotto l'influenza del campo elettrico di queste cariche, nel conduttore si forma una corrente elettrica ( fig.15.7). Ma questa corrente avrà vita molto breve. Le cariche si neutralizzano rapidamente a vicenda, i potenziali delle sfere diventano gli stessi e il campo elettrico scompare.

Forze di terzi. Affinché la corrente sia costante, è necessario mantenere una tensione costante tra le sfere. Ciò richiede un dispositivo fonte corrente), che sposterebbe le cariche da una palla all'altra nella direzione opposta alla direzione delle forze che agiscono su queste cariche dal campo elettrico delle palle. In un tale dispositivo, oltre alle forze elettriche, le cariche devono essere interessate da forze di origine non elettrostatica ( fig.15.8). Un solo campo elettrico di particelle cariche ( Coulomb campo) non è in grado di mantenere una corrente costante nel circuito.

Tutte le forze che agiscono su particelle elettricamente cariche, ad eccezione delle forze di origine elettrostatica (es. Coulomb), sono chiamate forze esterne. La conclusione sulla necessità di forze esterne per mantenere una corrente costante nel circuito diventerà ancora più ovvia se passiamo alla legge di conservazione dell'energia. Il campo elettrostatico è potenziale. Il lavoro di questo campo quando si spostano le particelle cariche al suo interno lungo un circuito elettrico chiuso è zero. Il passaggio di corrente attraverso i conduttori è accompagnato dal rilascio di energia: il conduttore si riscalda. Pertanto, ci deve essere una fonte di energia nel circuito che la fornisce al circuito. In esso, oltre alle forze coulombiane, devono necessariamente agire forze terze, non potenziali. Il lavoro di queste forze lungo un contorno chiuso deve essere diverso da zero. È durante il lavoro di queste forze che le particelle cariche acquisiscono energia all'interno della sorgente di corrente e poi la danno ai conduttori del circuito elettrico. Forze di terze parti mettono in moto particelle cariche all'interno di tutte le sorgenti di corrente: nei generatori delle centrali elettriche, nelle celle galvaniche, nelle batterie, ecc. Quando un circuito è chiuso, si crea un campo elettrico in tutti i conduttori del circuito. All'interno della fonte attuale, le cariche si muovono sotto l'influenza di forze esterne vs forze di Coulomb(elettroni da un elettrodo caricato positivamente a uno negativo), e nel circuito esterno sono messi in moto da un campo elettrico (vedi Fig. fig.15.8). La natura delle forze estranee. La natura delle forze esterne può essere variata. Nei generatori di centrali elettriche, le forze esterne sono forze che agiscono dal campo magnetico sugli elettroni in un conduttore in movimento. In una cella galvanica, ad esempio, la cella Volta, agiscono forze chimiche. L'elemento Volta è costituito da elettrodi di zinco e rame posti in una soluzione di acido solforico. Le forze chimiche fanno sì che lo zinco si dissolva nell'acido. Gli ioni di zinco caricati positivamente passano nella soluzione e l'elettrodo di zinco stesso si carica negativamente. (Il rame si dissolve molto poco nell'acido solforico.) Appare una differenza di potenziale tra gli elettrodi di zinco e di rame, che determina la corrente in un circuito elettrico chiuso. Forza elettromotiva. L'azione delle forze esterne è caratterizzata da un'importante grandezza fisica chiamata forza elettromotiva(abbreviato EMF). La forza elettromotrice della sorgente di corrente è uguale al rapporto tra il lavoro delle forze esterne quando si sposta la carica lungo un circuito chiuso al valore di questo carica:

La forza elettromotrice, come la tensione, è espressa in volt. Possiamo anche parlare della forza elettromotrice in qualsiasi parte del circuito. Questo è il lavoro specifico delle forze esterne (il lavoro di spostare una carica unitaria) non nell'intero circuito, ma solo in quest'area. Forza elettromotrice di una cella galvanicaè un valore numericamente uguale al lavoro delle forze esterne quando si sposta una carica positiva unitaria all'interno dell'elemento da un polo all'altro. Il lavoro delle forze esterne non può essere espresso in termini di differenza di potenziale, poiché le forze esterne non sono potenziali e il loro lavoro dipende dalla forma della traiettoria di carica. Quindi, ad esempio, il lavoro delle forze esterne quando si sposta una carica tra i terminali di una sorgente di corrente al di fuori della sorgente stessa è uguale a zero. Ora sai cos'è l'EMF. Se sulla batteria è scritto 1,5 V, significa che le forze di terze parti (chimiche in questo caso) svolgono 1,5 J di lavoro quando si sposta una carica di 1 C da un polo all'altro della batteria. La corrente continua non può esistere in un circuito chiuso se le forze esterne non agiscono in esso, cioè non c'è EMF.

COLLEGAMENTO PARALLELO E IN SERIE DI CONDUTTORI

Includiamo nel circuito elettrico come carico (consumatori di corrente) due lampade a incandescenza, ognuna delle quali ha una certa resistenza e ognuna delle quali può essere sostituita da un conduttore con la stessa resistenza.

COLLEGAMENTO SERIALE

Calcolo dei parametri del circuito elettrico con collegamento in serie di resistenze:

1. la forza di corrente in tutte le sezioni collegate in serie del circuito è la stessa 2. la tensione in un circuito costituito da più sezioni collegate in serie è uguale alla somma delle tensioni in ciascuna sezione 3. la resistenza di un circuito costituito da più sezioni collegate in serie è uguale alla somma delle resistenze di ciascuna sezione

4. il lavoro di una corrente elettrica in un circuito costituito da sezioni collegate in serie è uguale alla somma del lavoro nelle singole sezioni

A \u003d A1 + A2 5. la potenza della corrente elettrica in un circuito costituito da sezioni collegate in serie è uguale alla somma delle potenze nelle singole sezioni

CONNESSIONE PARALLELA

Calcolo dei parametri del circuito elettrico con collegamento in parallelo di resistenze:

1. la forza di corrente in una sezione non ramificata del circuito è uguale alla somma delle forze di corrente in tutte le sezioni collegate in parallelo

3. quando le resistenze sono collegate in parallelo, si sommano i valori inversi alla resistenza:

(R - resistenza del conduttore, 1/R - conducibilità elettrica del conduttore)

Se solo due resistori sono collegati in parallelo in un circuito, allora di:

(quando collegato in parallelo, la resistenza totale del circuito è inferiore alla minore delle resistenze incluse)

4. Il lavoro di una corrente elettrica in un circuito costituito da sezioni collegate in parallelo è uguale alla somma del lavoro nelle singole sezioni: LA=LA1+LA2 5. La potenza della corrente elettrica in un circuito costituito da tratti collegati in parallelo è uguale alla somma delle potenze nei singoli tratti: P=P1+P2

Per due resistenze: es. maggiore è la resistenza, minore è la corrente.

La legge di Joule-Lenz è una legge fisica che permette di determinare l'effetto termico della corrente nel circuito, secondo questa legge: , dove I è la corrente nel circuito, R è la resistenza, t è il tempo. Questa formula è stata calcolata creando un circuito: una cella galvanica (batteria), un resistore e un amperometro. La resistenza è stata immersa in un liquido, in cui è stato inserito un termometro e la temperatura è stata misurata. Così hanno dedotto la loro legge e si sono impressi per sempre nella storia, ma anche senza i loro esperimenti è stato possibile dedurre la stessa legge:

U=A/q A=U*q=U*I*t=I^2*R*t ma nonostante questo onore e lode a queste persone.

La legge di Joule Lenz determina la quantità di calore rilasciata in una sezione di un circuito elettrico con resistenza finita quando la corrente lo attraversa. Un prerequisito è il fatto che non ci dovrebbero essere trasformazioni chimiche in questa sezione della catena.

LAVORO DI CORRENTE ELETTRICA

Il lavoro di una corrente elettrica mostra quanto lavoro è stato svolto da un campo elettrico spostando le cariche attraverso un conduttore.

Conoscendo due formule: I \u003d q / t ..... e ..... U \u003d A / q, puoi ricavare una formula per calcolare il lavoro di una corrente elettrica: Il lavoro di una corrente elettrica è uguale al prodotto dell'intensità della corrente e della tensione e del tempo in cui la corrente scorre nel circuito.

L'unità di misura per il lavoro della corrente elettrica nel sistema SI: [ A ] \u003d 1 J \u003d 1A. b. c

IMPARA, VAI! Quando si calcola il lavoro di una corrente elettrica, viene spesso utilizzata un'unità multipla di lavoro di corrente elettrica fuori sistema: 1 kWh (kilowattora).

1 kWh = ...........W.s = 3.600.000 J

In ogni appartamento, per contabilizzare l'energia elettrica consumata, vengono installati appositi contatori elettrici, che mostrano il lavoro della corrente elettrica, compiuto in un certo periodo di tempo all'accensione di vari elettrodomestici. Questi contatori mostrano il lavoro della corrente elettrica (consumo di elettricità) in "kWh".

Devi imparare a calcolare il costo dell'elettricità consumata! Comprendiamo attentamente la soluzione del problema a pagina 122 del libro di testo (paragrafo 52)!

POTENZA ELETTRICA

La potenza della corrente elettrica mostra il lavoro della corrente svolto nell'unità di tempo ed è uguale al rapporto tra il lavoro svolto e il tempo durante il quale è stato svolto questo lavoro.

(la potenza in meccanica è solitamente indicata dalla lettera N, in ingegneria elettrica - per lettera R) perché A = IUt, allora la potenza della corrente elettrica è uguale a:

L'unità di potenza della corrente elettrica nel sistema SI:

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

Le leggi di Kirchhoff – regole che mostrano come le correnti e le tensioni sono correlate nei circuiti elettrici. Queste regole furono formulate da Gustav Kirchhoff nel 1845. In letteratura sono spesso chiamate leggi di Kirchhoff, ma questo non è vero, poiché non sono leggi di natura, ma derivano dalla terza equazione di Maxwell con un campo magnetico costante. Tuttavia, il primo nome è loro più familiare, quindi li chiameremo, come è consuetudine in letteratura, le leggi di Kirchhoff.

La prima legge di Kirchhoff – la somma delle correnti convergenti nel nodo è uguale a zero.

Scopriamolo. Un nodo è un punto che collega i rami. Un ramo è una sezione di una catena tra nodi. La figura mostra che la corrente i entra nel nodo e le correnti i 1 e i 2 lasciano il nodo. Componiamo un'espressione secondo la prima legge di Kirchhoff, dato che le correnti che entrano nel nodo hanno un segno più, e le correnti che emanano dal nodo hanno un segno meno i-i 1 -i 2 =0. La corrente i, per così dire, si distribuisce in due correnti minori ed è uguale alla somma delle correnti i 1 e i 2 i=i 1 +i 2. Ma se, ad esempio, la corrente i 2 entrasse nel nodo, allora la corrente I sarebbe definita come i=i 1 -i 2 . È importante tenere conto dei segni quando si compila un'equazione.

La prima legge di Kirchhoff è una conseguenza della legge di conservazione dell'elettricità: la carica che arriva al nodo in un certo periodo di tempo è uguale alla carica che esce dal nodo nello stesso intervallo di tempo, cioè la carica elettrica nel nodo non si accumula e non scompare.

La seconda legge di Kirchhoff – la somma algebrica dell'EMF agente in un circuito chiuso è uguale alla somma algebrica delle cadute di tensione in questo circuito.

La tensione è espressa come prodotto di corrente e resistenza (secondo la legge di Ohm).

Questa legge ha anche le sue regole di applicazione. Per prima cosa è necessario impostare la direzione del bypass del contorno con una freccia. Quindi sommare rispettivamente l'EMF e la tensione, prendendo con un segno più se il valore coincide con la direzione di bypass e meno se non lo fa. Facciamo un'equazione secondo la seconda legge di Kirchhoff, per il nostro schema. Osserviamo la nostra freccia, E 2 ed E 3 coincidono con essa nella direzione, il che significa un segno più, ed E 1 è diretta nella direzione opposta, il che significa un segno meno. Ora osserviamo le tensioni, la corrente I 1 coincide nella direzione della freccia e le correnti I 2 e I 3 sono dirette in modo opposto. Di conseguenza:

-E 1 +E 2 +E 3 = io 1 R 1 -IO 2 R 2 -IO 3 R 3

Sulla base delle leggi di Kirchhoff sono stati elaborati metodi per l'analisi dei circuiti sinusoidali in corrente alternata. Il metodo della corrente di loop è un metodo basato sull'applicazione della seconda legge di Kirchhoff e il metodo dei potenziali nodali basato sull'applicazione della prima legge di Kirchhoff.

Condizioni per il verificarsi della corrente.

e la sua densità, determinata dal rapporto:

L'unità di intensità della corrente è l'ampere (1A è il valore caratteristico della corrente consumata dai riscaldatori elettrici domestici).

Le condizioni necessarie per l'esistenza della corrente sono la presenza di portatori di carica liberi, un circuito chiuso e una sorgente EMF (batteria) che supporta il movimento direzionale.

La corrente elettrica può esistere in vari mezzi: nei metalli, nel vuoto, nei gas, nelle soluzioni e nei fusi di elettroliti, nel plasma, nei semiconduttori, nei tessuti degli organismi viventi.

Plasma.

). Di solito si chiama bassa temperatura, poiché la temperatura degli atomi e degli ioni è vicina alla temperatura ambiente. L'energia media di elettroni molto più leggeri risulta essere molto più alta. Quella. il plasma a bassa temperatura è essenzialmente un mezzo aperto di non equilibrio. Come notato, in tali media sono possibili processi di auto-organizzazione. Un esempio ben noto è la generazione di radiazioni coerenti altamente ordinate nel plasma dei laser a gas.

elettricità atmosferica.

A/) anche in un cattivo conduttore come l'aria. La corrente totale che arriva alla superficie del pianeta è molto grande (circa A) e la potenza che rilascia è paragonabile alla potenza di tutte le centrali elettriche costruite (W). Sorgono naturali interrogativi sul meccanismo per mantenere questa potenziale differenza e sui motivi per cui la sua presenza non è stata ancora utilizzata dall'uomo.

Corrente elettrica nei tessuti viventi.