Una corrente elettrica costante nel circuito è causata da un campo elettrostatico stazionario (campo di Coulomb), che deve essere supportato da una sorgente di corrente che crea una differenza di potenziale costante alle estremità del circuito esterno. Poiché la corrente nel conduttore trasporta una certa energia, che viene rilasciata, ad esempio, sotto forma di una certa quantità di calore, è necessario convertire continuamente una certa energia in energia elettrica. In altre parole, oltre alle forze di Coulomb di un campo elettrostatico stazionario, sulle cariche devono agire altre forze di natura non elettrostatica: forze esterne.
Tutte le forze che agiscono sulle particelle elettricamente cariche, ad eccezione delle forze di origine elettrostatica (cioè Coulomb), sono chiamate forze esterne.
La natura (o l'origine) delle forze esterne può essere diversa: ad esempio, nelle celle galvaniche e nelle batterie si tratta di forze chimiche, nei generatori si tratta della forza di Lorentz o delle forze del vortice campo elettrico.
All'interno della sorgente di corrente, a causa delle forze esterne, le cariche elettriche si muovono nella direzione opposta all'azione delle forze del campo elettrostatico, cioè Forze di Coulomb. Per questo motivo, alle estremità del circuito esterno viene mantenuta una differenza di potenziale costante. Le forze esterne non agiscono nel circuito esterno.
Lavoro corrente elettrica in un circuito elettrico chiuso viene eseguito a causa dell'energia della sorgente, vale a dire a causa dell'azione di forze di terze parti, tk. il campo elettrostatico è potenziale. Il lavoro di questo campo nel muovere particelle cariche lungo un circuito elettrico chiuso è zero.
La caratteristica quantitativa delle forze esterne (fonte corrente) è forza elettromotiva(EMF).
La forza elettromotrice e si chiama quantità fisica, numericamente uguale al rapporto tra il lavoro λd^ delle forze esterne per spostare la carica ^ lungo la catena e il valore di tale carica:
La forza elettromotrice è espressa in volt (1 V = 1 J/C). L'EMF è il lavoro specifico delle forze esterne in una determinata area, ad es. il lavoro di spostamento di una carica unitaria. Ad esempio, la forza elettromagnetica di una cella galvanica è 4,5 V. Ciò significa che le forze esterne (chimiche) compiono un lavoro di 4,5 J quando si sposta una carica di 1 C all'interno dell'elemento da un polo all'altro.
La forza elettromotrice è una grandezza scalare che può essere positiva o negativa. Il segno dell'EMF dipende dalla direzione della corrente nel circuito e dalla scelta della direzione di bypass del circuito.
Le forze esterne non sono potenziali (il loro lavoro dipende dalla forma della traiettoria), e quindi il lavoro delle forze esterne non può essere espresso in termini di differenza potenziale tra due punti. Il lavoro di una corrente elettrica nello spostamento di una carica lungo un conduttore viene eseguito da forze di Coulomb e di terze parti, quindi il lavoro totale A è uguale a:
Una quantità fisica numericamente uguale al rapporto tra il lavoro compiuto da un campo elettrico quando si sposta un positivo
carica da un punto all'altro, al valore della carica q, è chiamata tensione V tra questi punti:
U=Afreddo/q+Ast/q
Dato che
Squalo/q=f1-f2=-Df
quelli. differenza di potenziale tra due punti di un campo elettrostatico stazionario, dove φ1 e φ2 sono i potenziali dei punti iniziale e finale della traiettoria di carica, e
Ast/q=e abbiamo:
Nel caso di un campo elettrostatico, quando non viene applicata alcuna EMF alla sezione (e \u003d 0), la tensione tra due punti è uguale alla differenza di potenziale:
L'unità SI della tensione è il volt (V), V = J/C. La tensione viene misurata con un voltmetro collegato in parallelo con quelle parti del circuito in cui viene misurata la tensione.
Ora molti campi elettromagnetici e tensione sono percepiti come concetti identici, in cui, se vengono fornite alcune caratteristiche distintive, sono così insignificanti che difficilmente meritano la vostra attenzione.
Da un lato, questo stato di cose avviene, perché quegli aspetti che distinguono questi due concetti l'uno dall'altro sono così insignificanti che difficilmente anche gli utenti più o meno esperti se ne accorgeranno. Tuttavia, questi vengono ancora forniti ed è anche impossibile dire che la FEM e la tensione siano esattamente le stesse.
Cos'è l'EMF e perché viene spesso confuso con la tensione?
La forza elettromotrice, o forza elettromotrice, come viene comunemente chiamata in molti libri di testo, è una quantità fisica che caratterizza il lavoro di qualsiasi forza esterna presente nelle fonti di corrente continua o alternata.
Se parliamo di un circuito conduttivo chiuso, va notato che in questo caso la FEM sarà uguale al lavoro delle forze per spostare una singola carica positiva lungo il circuito sopra. Confondono la forza elettromotrice e la tensione - per un motivo. Come sapete, questi due concetti, oggi, misurato in volt. Allo stesso tempo, possiamo parlare di campi elettromagnetici in qualsiasi parte del bersaglio, perché in realtà è il lavoro specifico di forze esterne che agiscono non nell'intero circuito, ma solo in qualche area specifica.
Un'attenzione speciale da parte tua merita questo fatto alla FEM di una cella galvanica, è previsto il lavoro delle forze esterne, che operano durante il movimento di una singola carica positiva da un polo a uno completamente diverso. Il lavoro di queste forze esterne dipende direttamente dalla forma della traiettoria, ma non può essere espresso in termini di differenza di potenziale. Quest'ultimo è dovuto al fatto che le forze esterne non sono potenziali. Nonostante il fatto che la tensione sia uno dei concetti più semplici, molti consumatori non comprendono appieno di cosa si tratta. Se non lo capisci, riteniamo necessario fornirti alcuni esempi.
Prendiamo per chiarezza un normale serbatoio d'acqua. Da un serbatoio del genere dovrà uscire un normale tubo. Quindi, l'altezza della colonna d'acqua o pressione, in parole semplici e rappresenterà la tensione, mentre la portata dell'acqua sarà la corrente elettrica. In considerazione di quanto sopra, maggiore è la quantità di acqua fornita nel serbatoio, maggiori saranno rispettivamente la sua pressione e la sua tensione.
Le principali differenze tra EMF e tensione
La forza elettromotrice è chiamata tensione, che, secondo la sua definizione, è il rapporto tra il lavoro delle forze esterne relativo al trasferimento di una carica positiva direttamente e l'entità stessa di questa carica. La tensione, a sua volta, è considerata il rapporto tra il lavoro del campo elettrico, relativo al trasferimento della cosiddetta carica elettrica. Quindi, ad esempio, se la tua auto ha una batteria, la sua EMF sarà sempre di 13 Volt. Bene, se colleghi anche un voltmetro al dispositivo sopra menzionato con i fari accesi, un dispositivo progettato per misurare la tensione, quest'ultimo indicatore risulterà molto inferiore a 13 watt. Questo andamento, forse un po' strano, è dovuto al fatto che nell'accumulatore, in quanto forze esterne, avviene l'azione reazione chimica. Allo stesso tempo, l'auto è dotata anche di un generatore che, mentre il motore è in funzione, produce una semplice corrente elettrica. 
Alla luce di quanto sopra, possiamo parlare del principale caratteristiche distintive EMF e tensione:
- La fem dipenderà dalla fonte stessa. Bene, se parliamo di tensione, il suo indicatore dipende direttamente da quale è la connessione e da quale corrente scorre attualmente attraverso il circuito.
- La FEM è una quantità fisica necessaria per caratterizzare il lavoro delle forze non di Coulomb, e la tensione caratterizza il lavoro della corrente, per quanto riguarda il movimento della carica per ultimo.
- Questi concetti sono diversi anche perché la forza elettromotrice è intesa per l'induzione magnetica, mentre la tensione è più spesso utilizzata in relazione alla corrente continua.
5.3. Forza elettromotrice (fem), tensione e differenza di potenziale. il loro significato fisico. Relazione tra fem, tensione e differenza di potenziale
Viene chiamata una quantità fisica uguale al lavoro delle forze esterne per spostare una carica unitaria positiva lungo l'intero circuito, inclusa la sorgente di corrente forza elettromotiva fonte corrente (EMF):
. (5.15)
Il lavoro delle forze esterne lungo un circuito chiuso
,
(5.16)
dove E* è l'intensità del campo delle forze esterne.
.
(5.17)
Quando le cariche si muovono in un conduttore, oltre alle forze esterne, sono influenzate dalle forze del campo elettrostatico ( 
). Pertanto, in qualsiasi punto della catena, la carica q è influenzata dalla forza risultante:
Il lavoro svolto da questa forza nella sezione 1 - 2,
(5.19)
Una quantità fisica numericamente uguale al lavoro delle forze esterne ed elettriche per spostare una carica unitaria positiva in una data sezione del circuito è chiamata caduta di tensione o tensione in una data sezione del circuito:
.
(5.20)
Se non sono presenti campi elettromagnetici nella sezione del circuito ( 
), Quello
.
(5.21)
Quando 1 - 2 = 0,
. (5.22)
, U, ( 1 - 2) sono misurati nel sistema SI in volt (1 V).
Lezione 6. Teoria elettronica classica della conduttività dei metalli. Leggi DC
Teoria elettronica classica della conduttività elettrica dei metalli e sue fondazioni sperimentali. Legge di Ohm in forma differenziale ed integrale.Resistenza elettrica dei conduttori. Variazione della resistenza dei conduttori in base alla temperatura e alla pressione. Superconduttività. Collegamenti di resistenza: serie, parallelo, misti. Manovra di strumenti di misura elettrici. Resistenza aggiuntiva agli strumenti di misura elettrici. Regole (leggi) di Kirchhoff e loro applicazione al calcolo dei circuiti elettrici più semplici. Legge di Joule-Lenz in forma differenziale ed integrale. Energia rilasciata nel circuito corrente continua. Coefficiente di prestazione (COP) di una fonte di corrente continua.
6.1. Teoria elettronica classica della conduttività elettrica dei metalli e sue giustificazioni sperimentali. Legge di Ohm in forma differenziale ed integrale
La teoria elettronica classica della conduttività dei metalli spiega le varie proprietà elettriche delle sostanze con l'esistenza e il movimento in esse dei cosiddetti elettroni di conduzione quasi liberi. Gli elettroni di conduzione sono considerati un gas elettronico simile al gas ideale della fisica molecolare.
Prima della scoperta degli elettroni, era stato dimostrato sperimentalmente che il passaggio di corrente nei metalli, a differenza della corrente negli elettroliti liquidi, non è collegato al trasferimento di materia metallica. L'esperienza fu che attraverso il contatto di due metalli diversi, come l'oro e l'argento, per un tempo calcolato in molti mesi, veniva fatta passare una corrente elettrica. Successivamente è stato studiato il materiale vicino ai contatti. È stato dimostrato che non si osserva alcun trasferimento di materia attraverso l'interfaccia tra metalli diversi e che la sostanza sui diversi lati dell'interfaccia ha la stessa composizione di prima che passasse la corrente. Gli esperimenti hanno dimostrato che gli atomi e le molecole dei metalli non prendono parte al trasferimento di corrente elettrica, ma non hanno risposto alla domanda sulla natura dei portatori di carica nei metalli.
La prova diretta che la corrente elettrica nei metalli è dovuta al movimento degli elettroni furono gli esperimenti di Tolman e Steward, condotti nel 1916. L'idea di questi esperimenti fu avanzata da Mandelstam e Papaleksi nel 1913.
Immagina una bobina conduttrice che può ruotare attorno al proprio asse. Le estremità della bobina sono collegate al galvanometro tramite contatti striscianti. Se la bobina, che è in rapida rotazione, viene frenata bruscamente, gli elettroni liberi nel filo continuano a muoversi per inerzia, a seguito della quale il galvanometro deve registrare un impulso di corrente.
Indichiamo l'accelerazione lineare della bobina durante la frenatura - UN. È diretto tangenzialmente alla superficie della bobina. Con un avvolgimento sufficientemente denso e fili sottili, possiamo supporre che l'accelerazione sia diretta lungo i fili. Quando la bobina decelera, ad ogni elettrone libero viene applicata una forza inerziale F in = m e UN, che è opposto all'accelerazione. Sotto la sua azione, l'elettrone si comporta nel metallo come se fosse colpito da un campo elettrico efficace e intenso
.
6.1)
Pertanto, la forza elettromotrice effettiva nella bobina, dovuta all'inerzia degli elettroni liberi,
,
(6.2)
dove L è la lunghezza del filo sulla bobina.
Tutti i punti del filo vengono decelerati con la stessa accelerazione, e quindi l'accelerazione viene tolta dal segno integrale.
Tenendo conto della formula (6.2), scriviamo la legge di Ohm per un circuito chiuso nella forma
,
(6.3)
dove I è la forza attuale in un circuito chiuso;
R è la resistenza dell'intero circuito, compresa la resistenza dei fili della bobina, dei fili del circuito esterno e del galvanometro.
La quantità di elettricità che scorre attraverso la sezione trasversale del conduttore durante il tempo dt con un'intensità di corrente I,
.
(6.4)
Pertanto, durante il tempo di frenatura della bobina dalla velocità lineare iniziale vo fino all'arresto completo, la quantità di elettricità passerà attraverso il galvanometro
.
(6.5)
Il valore di q è determinato da un galvanometro e i valori di L, R, v o sono noti. Pertanto è possibile trovare sia il segno che il valore assoluto di e/m e. Gli esperimenti hanno dimostrato che e/m e corrisponde al rapporto tra la carica dell'elettrone e la sua massa. È stato così dimostrato che la corrente osservata con un galvanometro è dovuta al movimento degli elettroni.
In assenza di campo elettrico nei conduttori, gli elettroni di conduzione si muovono in modo casuale, in direzioni arbitrarie, con velocità determinate dalla temperatura, cioè con la cosiddetta velocità termica u.
Dopo un certo periodo di tempo t = , muovendosi in linea retta, l'elettrone di conduzione può interagire con lo ione reticolo cristallino o con un altro elettrone di conduzione. Come risultato di tale interazione, che è considerata assolutamente elastica nella teoria classica della conduttività, la quantità di moto e l'energia totali vengono conservate e l'entità e la direzione della velocità del movimento possono cambiare. Il caso limite è quando, dopo un tempo pari a (tempo di cammino libero), la direzione della velocità del moto termico dell'elettrone di conduzione cambia in senso opposto. Il tempo di percorso libero dipende dalla natura della sostanza e tanto minore quanto maggiore è la frequenza delle interazioni. Tra collisioni (interazioni) con velocità tu Non accade nulla.
P 
quando si applica un campo elettrico con una forza E sotto l'influenza della forza F= e E gli elettroni di conduzione acquisiscono una certa accelerazione UN e movimento diretto con velocità variabile da v o = 0 a v = v max nel tempo t = .
Il cambiamento nella velocità del movimento diretto dell'elettrone di conduzione avviene prima della sua interazione (Fig. 6.1). Come risultato dell'interazione, questa velocità può anche cambiare sia in grandezza che in direzione.
Se ci sono n elettroni di conduzione per unità di volume del conduttore, che ad un certo punto t hanno una velocità v, allora è possibile determinare la carica che è passata attraverso un'area S, situata perpendicolare alla direzione della velocità degli elettroni di conduzione:
,
(6.6)
Dove
La forza (valore) della corrente nel conduttore in questo caso
. (6.7)
Densità di corrente di conduzione
.
(6.8)
In forma vettoriale
.
(6.9)
Secondo la (6.8), per determinare la densità di corrente elettrica in un conduttore, è necessario determinare la velocità media del movimento ordinato degli elettroni di conduzione.
La velocità media del movimento ordinato in questo caso può essere determinata dalla formula
,
(6.10)
Perché all'istante iniziale t=0, quando non c'è campo elettrico, v o = 0.
La velocità massima di movimento ordinato che un elettrone acquisisce sotto l'azione di un campo elettrico durante il suo percorso libero,
,
dove a è l'accelerazione acquisita da un elettrone di conduzione sotto l'azione di un campo elettrico;
è il tempo di viaggio dell'elettrone di conduzione da un'interazione all'altra.
Basato sulla seconda legge di Newton F = ma, dove F è la forza di Coulomb,
;
;
.
(6.11)
Per la velocità media del movimento ordinato degli elettroni di conduzione, otteniamo
.
(6.12)
Conoscendo la velocità media del movimento termico degli elettroni di conduzione e la distanza media da essi percorsa da un'interazione all'altra, è possibile determinare il tempo che intercorre tra due interazioni successive:
. (6.13)
Fatte le sostituzioni e le trasformazioni necessarie, per la conduzione avremo la densità di corrente
, (6.14)
Dove 
- conducibilità elettrica specifica del metallo conduttore.
In forma vettoriale
.
(6.15)
Le espressioni (6.14) e (6.15) sono la forma matematica per scrivere la legge di Ohm in forma differenziale.
La legge di Ohm in forma differenziale è valida per qualsiasi conduttore, qualsiasi corrente, caratterizza la densità della corrente di conduzione in qualsiasi punto del conduttore.
Dalla legge di Ohm in forma differenziale si può ricavare la legge di Ohm in forma integrale per un circuito chiuso (o completo). Per cui moltiplichiamo l'espressione (6.15) per il valore della sezione elementare della catena dl:
,
Dove 
;
;
.
Quindi, abbiamo
;
.
(6.16)
Integrando l'espressione (6.16) sul contorno chiuso L, otteniamo
,
(6.17)
Dove 
- resistenza delle sezioni esterna ed interna del circuito;
-FEM agenti in un circuito chiuso, numericamente pari alla circolazione del vettore dell'intensità del campo delle forze esterne;
è la differenza di potenziale tra i due punti considerati del circuito chiuso.
Per circuito chiuso
( 1
- 2)
= 0;
.
Quindi, abbiamo
O 
,
(6.18)
dove R 1 è la resistenza della sezione esterna del circuito;
r è la resistenza interna della sorgente di corrente.
Dalla formula (6.18)
.
(6.19)
Pertanto, l'EMF bilancia la caduta di tensione nei circuiti esterno ed interno e garantisce così il movimento continuo degli elettroni di conduzione.
Se il circuito non è chiuso e non sono presenti campi elettromagnetici, allora
, UN 
.
(6.20)
Le espressioni (6.18) e (6.20) sono la forma matematica della legge di Ohm, rispettivamente, per un circuito completo (chiuso) e una sezione del circuito da lui scoperta sperimentalmente. L'intensità della corrente nel circuito è direttamente proporzionale all'EMF (tensione nella sezione del circuito) e inversamente proporzionale alla resistenza del circuito.
Qual è la differenza Campo elettromagnetico(forza elettromotrice) da voltaggio? Diamo un'occhiata a un esempio specifico. Prendiamo una batteria che dice 1,5 volt. Colleghiamo ad esso un voltmetro, come mostrato in Figura 1, per verificare se la batteria è davvero buona.
Immagine 1
Il voltmetro mostra 1,5 V. Ciò significa che la batteria funziona. Lo colleghiamo a una piccola lampadina. La lampadina si accende. Ora colleghiamo un voltmetro in parallelo alla lampadina per verificare se la lampadina ha davvero 1,5 V. Risulta il circuito mostrato in Figura 2.
figura 2
E poi si scopre che il voltmetro mostra, ad esempio, 1 V. Dove vengono spesi 0,5 V (che è la differenza tra 1,5 V e 1 V)?
Il fatto è che qualsiasi vera fonte di energia ha una resistenza interna (indicata dalla lettera r). In molti casi riduce le caratteristiche degli alimentatori, ma è impossibile produrre un alimentatore senza resistenza interna. Pertanto, la nostra batteria può essere pensata come una fonte di alimentazione ideale e un resistore la cui resistenza corrisponde alla resistenza interna della batteria (Figura 3).
Figura 3
Quindi, la FEM in questo esempio è 1,5 V, la tensione di alimentazione è 1 V e la differenza di 0,5 V è stata dissipata da resistenza interna fonte di potere.
Campo elettromagneticoè il numero massimo di volt che l'alimentatore può fornire al circuito. Questo è un valore costante per un buon alimentatore. UN tensione di alimentazione dipende da cosa è collegato ad esso. ( Qui stiamo parlando solo di quei tipi di fonti alimentari che vengono studiate come parte del curriculum scolastico.).
Nel nostro esempio, una lampadina con resistenza R e il resistore sono collegati in serie, quindi la corrente nel circuito può essere trovata con la formula
E poi la tensione sulla lampadina è
Risulta di più resistenza lampadine, più volt ha e meno volt vengono sprecati nella batteria. Ciò vale non solo per le lampadine e le batterie, ma anche per qualsiasi circuito costituito da una fonte di alimentazione e da un carico. Maggiore è la resistenza al carico, minore è la differenza tra tensione E Campo elettromagnetico. Se la resistenza del carico è molto grande, allora voltaggio quasi uguale Campo elettromagnetico. La resistenza del voltmetro è sempre molto grande, quindi nel circuito di Figura 1 mostrava un valore di 1,5 V.
La comprensione del significato dei campi elettromagnetici è ostacolata dal fatto che nella vita di tutti i giorni praticamente non usiamo questo termine. Nel negozio diciamo: "Dammi una batteria da 1,5 volt", quando è corretto dire "Dammi una batteria da 1,5 volt". Ma è successo proprio così...
