Konstante elektriske strømforhold for dens forekomst. Betingelser for eksistensen av likestrøm

Federal Agency for Education

Saratov statlige sosioøkonomiske universitet

Merker gren

Avdeling for generelle humanitære disipliner

ESSAY

I følge "Fysikk"

om temaet: «Elektrisk strøm. Ohms lov"

2. års student

Spesialitet: "Eup pp"

Sjekket av: Starikova N.N.

Marx - 2010

Elektrisitet. Ohms lov

Hvis en isolert leder er plassert i elektrisk felt

da vil en kraft virke på de frie ladningene q i lederen Som et resultat oppstår det en kortvarig bevegelse av frie ladninger i lederen. Denne prosessen vil avsluttes når det eget elektriske feltet til ladningene som har oppstått på overflaten av lederen fullstendig kompenserer for det ytre feltet. Det resulterende elektrostatiske feltet inne i lederen vil være null (se § 1.5).

I ledere kan det imidlertid under visse forhold forekomme en kontinuerlig ordnet bevegelse av frie elektriske ladningsbærere. Denne bevegelsen kalles elektrisk strøm. Bevegelsesretningen til positive friladninger tas som retningen til den elektriske strømmen. For eksistensen av en elektrisk strøm i en leder, er det nødvendig å lage et elektrisk felt i den.

Et kvantitativt mål på den elektriske strømmen er styrken til strømmen I - skalar fysisk mengde, lik forholdet mellom ladningen Δq overført gjennom tverrsnittet av lederen (fig. 1.8.1) over tidsintervallet Δt, til dette tidsintervallet:

Hvis styrken til strømmen og dens retning ikke endres med tiden, kalles en slik strøm konstant.

Figur 1.8.1.

Den ordnede bevegelsen av elektroner i en metallleder og strømmen I.S er tverrsnittsarealet til lederen,

- elektrisk felt

I International System of Units SI måles strøm i ampere (A). Den aktuelle enheten 1 A settes iht magnetisk interaksjon to parallelle ledere med strøm (se § 1.16).

Konstant elektrisitet kan bare opprettes i en lukket krets der gratis ladningsbærere sirkulerer langs lukkede baner. Det elektriske feltet på forskjellige punkter i en slik krets er konstant over tid. Derfor er det elektriske feltet i kretsen likestrøm har karakter av et frossent elektrostatisk felt. Men når man beveger en elektrisk ladning i et elektrostatisk felt langs en lukket bane, er arbeidet til elektriske krefter null (se § 1.4). Derfor, for eksistensen av likestrøm, er det nødvendig å ha inn elektrisk krets en enhet som er i stand til å skape og opprettholde potensielle forskjeller i kretsseksjoner på grunn av arbeidet med krefter av ikke-elektrostatisk opprinnelse. Slike enheter kalles likestrømkilder. Krefter av ikke-elektrostatisk opprinnelse som virker på gratis ladningsbærere fra strømkilder kalles eksterne krefter.

Naturen til ytre krefter kan være forskjellig. I galvaniske celler eller batterier oppstår de som et resultat av elektrokjemiske prosesser, i DC-generatorer oppstår eksterne krefter når ledere beveger seg i et magnetfelt. Strømkilden i den elektriske kretsen spiller samme rolle som pumpen, som er nødvendig for å pumpe væske i et lukket hydraulisk system. Under påvirkning av ytre krefter beveger elektriske ladninger seg inne i strømkilden mot kreftene til det elektrostatiske feltet, på grunn av hvilket en konstant elektrisk strøm kan opprettholdes i en lukket krets.

Når elektriske ladninger beveger seg langs en DC-krets, fungerer eksterne krefter som virker inne i strømkilder.

En fysisk mengde lik forholdet mellom arbeid A st av ytre krefter når ladning q flyttes fra den negative polen til strømkilden til den positive til verdien av denne ladningen kalles den elektromotoriske kraften til kilden (EMF):

Dermed bestemmes EMF av arbeidet utført av eksterne krefter når en enkelt positiv ladning flyttes. Den elektromotoriske kraften, som potensialforskjellen, måles i volt (V).

Når en enkelt positiv ladning beveger seg langs en lukket DC-krets, er arbeidet til eksterne krefter lik summen av EMF som virker i denne kretsen, og arbeidet til det elektrostatiske feltet er null.

DC-kretsen kan deles inn i separate seksjoner. De seksjonene som ytre krefter ikke virker på (dvs. seksjoner som ikke inneholder strømkilder) kalles homogene. Seksjoner som inkluderer aktuelle kilder kalles heterogene.

Når en enhets positiv ladning beveger seg langs en bestemt del av kretsen, fungerer både elektrostatiske (Coulomb) og eksterne krefter. Arbeidet med elektrostatiske krefter er lik potensialforskjellen Δφ 12 \u003d φ 1 - φ 2 mellom de innledende (1) og siste (2) punktene til den inhomogene seksjonen. Ytre krefters arbeid er per definisjon elektromotorisk kraft

12 som opererer i dette området. Så det totale arbeidet er

U 12 \u003d φ 1 - φ 2 +

12 .

Verdien av U 12 kalles vanligvis spenningen i kretsdelen 1–2. I tilfelle av en homogen seksjon er spenningen lik potensialforskjellen:

U 12 \u003d φ 1 - φ 2.

Den tyske fysikeren G. Ohm i 1826 etablerte eksperimentelt at styrken til strømmen I som strømmer gjennom en homogen metallleder (dvs. en leder der ingen ytre krefter virker) er proporsjonal med spenningen U ved endene av lederen:

hvor R = konst.

Verdien av R kalles vanligvis elektrisk motstand. En leder med elektrisk motstand kalles en motstand. Dette forholdet uttrykker Ohms lov for en homogen del av kretsen: strømstyrken i lederen er direkte proporsjonal med den påførte spenningen og omvendt proporsjonal med motstanden til lederen.

I SI er enheten for elektrisk motstand til ledere ohm (Ohm). En motstand på 1 ohm har en del av kretsen der det oppstår en strøm på 1 A ved en spenning på 1 V.

Ledere som adlyder Ohms lov kalles lineære. Den grafiske avhengigheten av strømstyrken I på spenningen U (slike grafer kalles strømspenningsegenskaper, forkortet CVC) er avbildet av en rett linje som går gjennom origo. Det skal bemerkes at det er mange materialer og enheter som ikke overholder Ohms lov, for eksempel, halvlederdiode eller gasslampe. Til og med metallledere ved strømmer med tilstrekkelig stor styrke observeres et avvik fra Ohms lineære lov, siden elektrisk motstand metallledere øker med økende temperatur.

For en kretsseksjon som inneholder EMF, er Ohms lov skrevet i følgende form:

IR \u003d U 12 \u003d φ 1 - φ 2 +

= Δφ 12 + .

Denne relasjonen kalles vanligvis den generaliserte Ohms lov eller Ohms lov for en inhomogen kjedeseksjon.

På fig. 1.8.2 viser en lukket likestrømskrets. Kjededelen (cd) er homogen.

Figur 1.8.2.

DC krets

Ohms lov

Seksjon (ab) inneholder en strømkilde med en EMF lik

I følge Ohms lov for et heterogent område,

Ved å legge til begge likhetene får vi:

I (R + r) = Δφ cd + Δφ ab +

Men Δφ cd = Δφ ba = – Δφ ab. Derfor

Denne formelen vil uttrykke Ohms lov for komplett kjede: Strømstyrken i en komplett krets er lik den elektromotoriske kraften til kilden, delt på summen av motstandene til de homogene og inhomogene delene av kretsen.

Motstanden r for den inhomogene seksjonen i fig. 1.8.2 kan sees på som indre motstand gjeldende kilde. I dette tilfellet, seksjon (ab) i fig. 1.8.2 er den interne delen av kilden. Hvis punktene a og b er lukket med en leder hvis motstand er liten sammenlignet med den indre motstanden til kilden (R<< r), тогда в цепи потечет ток короткого замыкания

Kortslutningsstrøm - den maksimale strømmen som kan oppnås fra en gitt kilde med en elektromotorisk kraft

og indre motstand r. For kilder med lav indre motstand kan kortslutningsstrømmen være svært stor og forårsake ødeleggelse av den elektriske kretsen eller kilden. For eksempel kan blybatterier som brukes i biler ha en kortslutningsstrøm på flere hundre ampere. Spesielt farlig er kortslutninger i belysningsnettverk drevet av transformatorstasjoner (tusenvis av ampere). For å unngå den ødeleggende effekten av slike høye strømmer, er sikringer eller spesielle effektbrytere inkludert i kretsen.

I noen tilfeller, for å forhindre farlige verdier av kortslutningsstrømmen, er noe ekstern motstand koblet i serie til kilden. Da er motstanden r lik summen av den indre motstanden til kilden og den ytre motstanden, og ved kortslutning vil ikke strømstyrken være for stor.

Hvis den eksterne kretsen er åpen, så er Δφ ba = – Δφ ab =

, dvs. potensialforskjellen ved polene til et åpent batteri er lik dets EMF.

Hvis den eksterne belastningsmotstanden R er slått på og strøm I flyter gjennom batteriet, blir potensialforskjellen ved polene lik med

– Ir.

På fig. 1.8.3 er en skjematisk fremstilling av en DC-kilde med en EMF lik

og intern motstand r i tre moduser: "tomgang", arbeid på last og kortslutningsmodus (kortslutning). Styrken til det elektriske feltet inne i batteriet og kreftene som virker på positive ladninger er angitt: – elektrisk kraft og – tredjepartskraft. I kortslutningsmodus forsvinner det elektriske feltet inne i batteriet.

Figur 1.8.3.

Skjematisk representasjon av en DC-kilde: 1 - batteriet er åpent; 2 - batteriet er lukket for ekstern motstand R; 3 - kortslutningsmodus

For å måle spenninger og strømmer i DC elektriske kretser, brukes spesielle enheter - voltmetre og amperemeter.

Voltmeteret er utformet for å måle potensialforskjellen påført til terminalene. Den er koblet parallelt med delen av kretsen som potensialforskjellen måles på. Ethvert voltmeter har en viss indre motstand RB . For at voltmeteret ikke skal introdusere en merkbar omfordeling av strømmer når den er koblet til den målte kretsen, må dens indre motstand være stor sammenlignet med motstanden til delen av kretsen som den er koblet til. For kretsen vist i fig. 1.8.4, denne betingelsen er skrevet som:

R B >> R 1.

Denne tilstanden betyr at strømmen I B \u003d Δφ cd / R B som strømmer gjennom voltmeteret er mye mindre enn strømmen I \u003d Δφ cd / R 1 som strømmer gjennom den testede delen av kretsen.

Siden det ikke er noen ytre krefter som virker inne i voltmeteret, faller potensialforskjellen ved terminalene per definisjon sammen med spenningen. Derfor kan vi si at voltmeteret måler spenning.

Amperemeteret er designet for å måle strømstyrken i kretsen. Amperemeteret er koblet i serie til bruddet i den elektriske kretsen slik at hele den målte strømmen går gjennom den. Amperemeteret har også en viss indre motstand RA. I motsetning til et voltmeter, må den interne motstanden til et amperemeter være tilstrekkelig liten sammenlignet med den totale motstanden til hele kretsen. For kretsen i fig. 1.8.4 amperemeterets motstand må tilfredsstille betingelsen

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

slik at når amperemeteret slås på, endres ikke strømmen i kretsen.

Måleinstrumenter - voltmetre og amperemeter - er av to typer: peker (analog) og digital. Digitale elektriske målere er komplekse elektroniske enheter. Vanligvis gir digitale instrumenter høyere målenøyaktighet.

Figur 1.8.4.

Inkludering av et amperemeter (A) og et voltmeter (B) i en elektrisk krets

Serie- og parallellkobling av ledere

Ledere i elektriske kretser kan kobles i serie og parallelt.

Med seriekobling av ledere (fig. 1.9.1) er strømstyrken i alle ledere den samme:

I 1 \u003d I 2 \u003d I.

Figur 1.9.1.

Seriekobling av ledere

Ifølge Ohms lov er spenningene U 1 og U 2 på lederne like

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

Den totale spenningen U på begge ledere er lik summen av spenningene U 1 og U 2:

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

hvor R er den elektriske motstanden til hele kretsen. Dette innebærer:

R \u003d R 1 + R 2.

Ved seriekopling er den totale motstanden til kretsen lik summen av motstandene til de enkelte lederne.

Dette resultatet gjelder for et hvilket som helst antall seriekoblede ledere.

Ved parallellkobling (fig. 1.9.2) er spenningene U 1 og U 2 på begge ledere de samme:

U 1 \u003d U 2 \u003d U.

Summen av strømmene I 1 + I 2 som strømmer gjennom begge lederne er lik strømmen i en uforgrenet krets:

I \u003d I 1 + I 2.

Dette resultatet følger av det faktum at ingen ladninger kan samle seg ved forgreningspunktene til strømmene (nodene A og B) i en likestrømskrets. For eksempel flyter ladning IΔt til node A i tid Δt, og ladning I 1 Δt + I 2 Δt flyter bort fra node A på samme tid. Derfor er I = I 1 + I 2 .

Figur 1.9.2.

Parallellkobling av ledere

Å skrive basert på Ohms lov

der R er den elektriske motstanden til hele kretsen, får vi

Med en parallell tilkobling av ledere er den resiproke av den totale motstanden til kretsen lik summen av de resiproke av motstandene til de parallellkoblede lederne.

Dette resultatet er gyldig for et hvilket som helst antall ledere som er koblet parallelt.

Formler for serie- og parallellkobling av ledere tillater i mange tilfeller å beregne motstanden til en kompleks krets som består av mange motstander. På fig. 1.9.3 gir et eksempel på en slik kompleks krets og angir rekkefølgen av beregninger.

Figur 1.9.3.

Beregning av motstanden til en kompleks krets. Alle ledermotstander er i ohm (ohm)

Det skal bemerkes at ikke alle komplekse kretser som består av ledere med forskjellige motstander kan beregnes ved hjelp av formler for serie- og parallellkobling. På fig. 1.9.4 viser et eksempel på en elektrisk krets som ikke kan beregnes ved hjelp av metoden ovenfor.

Figur 1.9.4.

Et eksempel på en elektrisk krets som ikke er reduserbar til en kombinasjon av serie- og parallellledere

DC elektrisk strøm

Betingelser for forekomst av strøm.

En elektrisk strøm er en rettet bevegelse av ladede partikler. De kvantitative egenskapene til strømmen er dens strømstyrke (forholdet mellom ladningen: overført gjennom tverrsnittet av lederen per tidsenhet):

og dens tetthet, bestemt av forholdet:

Enheten for strømstyrke er ampere (1A er den karakteristiske verdien av strømmen som forbrukes av elektriske husholdningsvarmer).

De nødvendige betingelsene for eksistensen av strøm er tilstedeværelsen av gratis ladningsbærere, en lukket krets og en EMF-kilde (batteri) som støtter retningsbestemt bevegelse.

Elektrisk strøm kan eksistere i forskjellige medier: i metaller, vakuum, gasser, løsninger og smelter av elektrolytter, plasma, halvledere, vev av levende organismer.

Når en strøm flyter, skjer nesten alltid samspillet mellom ladningsbærere og miljøet, ledsaget av overføring av energi til sistnevnte i form av varme. Rollen til EMF-kilden er nettopp å kompensere for varmetap i kretsene.

Elektrisk strøm i metaller skyldes bevegelsen av relativt frie elektroner gjennom krystallgitteret. Årsakene til eksistensen av frie elektroner i ledende krystaller kan bare forklares på kvantemekanikkens språk.

Erfaring viser at styrken til den elektriske strømmen som flyter gjennom lederen er proporsjonal med potensialforskjellen som påføres dens ender (Ohms lov). Proporsjonalitetskoeffisienten mellom strøm og spenning, som er konstant for den valgte lederen, kalles elektrisk motstand:

Motstand måles i ohm (motstanden til menneskekroppen er omtrent 1000 ohm). Størrelsen på den elektriske motstanden til ledere øker litt med økende temperatur. Dette skyldes det faktum at når de varmes opp, øker nodene til krystallgitteret kaotiske termiske vibrasjoner, noe som forhindrer den rettede bevegelsen av elektroner. I mange problemer viser det seg å være svært arbeidskrevende direkte med hensyn til gittervibrasjoner. For å forenkle samspillet mellom elektroner og oscillerende noder, viser det seg å være praktisk å erstatte dem med kollisjoner med gasspartikler av hypotetiske partikler - fononer, hvis egenskaper er valgt for å oppnå en beskrivelse så nær virkeligheten som mulig og kan vise seg. å være veldig eksotisk. Objekter av denne typen er veldig populære i fysikk og kalles kvasipartikler. I tillegg til interaksjoner med vibrasjoner av krystallgitteret, kan bevegelsen av elektroner i en krystall hindres av dislokasjoner - brudd på regelmessigheten til gitteret. Interaksjoner med dislokasjoner spiller en avgjørende rolle ved lave temperaturer, når termiske vibrasjoner praktisk talt er fraværende.

Noen materialer ved lave temperaturer mister fullstendig sin elektriske motstand og går over i en superledende tilstand. Strøm i slike medier kan eksistere uten noen EMF, siden det ikke er energitap ved kollisjoner av elektroner med fononer og dislokasjoner. Opprettelsen av materialer som beholder den superledende tilstanden ved relativt høye (rom)temperaturer og lave strømmer er en svært viktig oppgave, hvis løsning ville gjøre en reell revolusjon i moderne energi, fordi. ville tillate overføring av elektrisitet over lange avstander uten varmetap.

For tiden brukes elektrisk strøm i metaller hovedsakelig til å konvertere elektrisk energi til termisk energi (varmere, lyskilder) eller mekanisk energi (elektriske motorer). I sistnevnte tilfelle brukes den elektriske strømmen som en kilde til magnetiske felt, samspillet med andre strømmer forårsaker utseendet av krefter.

Elektrisk strøm i vakuum er strengt tatt umulig på grunn av fraværet av gratis elektriske ladninger i den. Imidlertid er noen ledende stoffer, når de oppvarmes eller bestråles med lys, i stand til å sende ut elektroner fra overflaten deres (termisk emisjon og fotoemisjon), som er i stand til å opprettholde en elektrisk strøm som beveger seg fra katoden til en annen (positiv) elektrode - anoden . Når en negativ spenning påføres anoden, bryter strømmen i kretsen. Den beskrevne egenskapen forårsaker utbredt bruk av elektrovakuumenheter i elektroniske enheter for å likerette vekselstrøm. Inntil relativt nylig ble elektrovakuumenheter mye brukt som forsterkere av elektriske signaler. For tiden er de nesten fullstendig erstattet av halvlederenheter.

Ved første øyekast kan elektrisk strøm i gasser ikke eksistere på grunn av fraværet av gratis ladede partikler (elektroner i atomer og molekyler av gasser er fast "koblet" til kjerner av elektrostatiske krefter). Men når energi i størrelsesorden 10 eV overføres til et atom (energien som tilegnes av et fritt elektron når det passerer gjennom en potensialforskjell på 10 V), går sistnevnte over i en ionisert tilstand (et elektron forlater kjernen for en vilkårlig stor avstand). I gasser ved romtemperatur er det alltid en svært liten mengde ioniserte atomer som har oppstått under påvirkning av kosmisk stråling (fotoionisering). Når en slik gass plasseres i et elektrisk felt, begynner ladede partikler å akselerere, og overfører den akkumulerte kinetiske energien til nøytrale atomer og ioniserer dem. Som et resultat utvikler det seg en skredlignende prosess med å øke antall frie elektroner og ioner - en elektrisk utladning oppstår. Den karakteristiske gløden til utladningen er assosiert med frigjøring av energi under rekombinasjonen av elektroner og positive ioner. Typene elektriske utladninger er svært forskjellige og avhenger sterkt av sammensetningen av gassen og ytre forhold.

Plasma.

Et stoff som inneholder en blanding av nøytrale atomer, frie elektroner og positive ioner kalles plasma. Plasmaet som følge av elektriske utladninger med relativt lav strøm (for eksempel i "dagslys"-rør) er preget av svært lave konsentrasjoner av ladede partikler sammenlignet med nøytrale (). Vanligvis kalles det lavtemperatur, siden temperaturen på atomer og ioner er nær romtemperatur. Den gjennomsnittlige energien til mye lettere elektroner viser seg å være mye høyere. At. lavtemperaturplasma er i hovedsak et åpent medium som ikke er likevekt. Som nevnt er selvorganiseringsprosesser mulige i slike medier. Et velkjent eksempel er genereringen av høyt ordnet koherent stråling i plasmaet til gasslasere.

Plasmaet kan også være i termodynamisk likevekt. For dens eksistens kreves en veldig høy temperatur (hvor energien til termisk bevegelse er sammenlignbar med ioniseringsenergien). Slike temperaturer eksisterer på overflaten av solen, kan oppstå under svært kraftige elektriske utladninger (lyn), under atomeksplosjoner. Et slikt plasma kalles varmt.

atmosfærisk elektrisitet.

Jorden er en ganske god leder av elektrisitet (sammenlignet med tørr luft). I en høyde på omtrent 50 km forårsaker ioniserende kosmisk stråling tilstedeværelsen av ionosfæren - et lag med høyt ionisert gass. Målinger viser at det er en enorm potensialforskjell mellom ionosfæren og jordens overflate (ca. 5.000.000 V), og ionosfæren har en positiv ladning i forhold til jorden. Tilstedeværelsen av en potensiell forskjell mellom jorden og "himmelen" fører til utseendet av en strøm med veldig lav tetthet (A /) selv i en så dårlig leder som luft. Den totale strømmen som kommer til overflaten av planeten er veldig stor (ca. A), og kraften den frigjør er sammenlignbar med kraften til alle bygde kraftverk (W). Naturlige spørsmål oppstår om mekanismen for å opprettholde denne potensielle forskjellen og om årsakene til at dens tilstedeværelse ennå ikke har blitt brukt av mennesker.

Det er nå fastslått at hovedmekanismen som lader "himmelen" i forhold til jorden er tordenvær. Vanndråper og iskrystaller, som beveger seg ned til bunnen av tordenskyen, samler negative ladninger i atmosfæren og lader derved den nedre delen av tordenskyen med negativ elektrisitet til potensialer som er mange ganger større enn potensialet til jorden. Som et resultat oppstår det et veldig stort elektrisk felt mellom jorda og skyen, rettet i motsatt retning sammenlignet med feltet som eksisterer i skyfritt vær. Nær ledende objekter som stikker ut fra jordoverflaten, er dette feltet fortsatt sterkere og er tilstrekkelig for gassionisering, som vokser i henhold til en skredlov. Resultatet er en veldig kraftig elektrisk utladning kalt lyn. I motsetning til hva mange tror, starter lynet på jorden og treffer skyer, ikke omvendt.

Et elektrisk felt på 100 V/m, som er karakteristisk for klart vær, kan ikke brukes eller til og med føles, selv om det i en høyde lik høyden til en person, i fravær, skaper en potensiell forskjell på omtrent 200 V. Årsaken til dette er den lave ledningsevnen til luften og, som et resultat, de lave tetthetene til strømmene som strømmer til jordens overflate. Innføringen av en god leder (en person) i den elektriske kretsen, som shunter en to meter lang luftsøyle, endrer praktisk talt ikke den totale motstanden til "himmel-jord"-kretsen, strømmen som forblir uendret. Spenningsfallet forårsaket av det på menneskekroppen er omtrent U = IR = 0,2 μV, som ligger betydelig under sensitivitetsterskelen til kroppen vår.

Elektrisk strøm i levende vev.

Den viktige rollen til elektriske impulser for organismers liv ble antatt for mer enn 200 år siden. Det er nå kjent at disse impulsene brukes til å sikre kontroll over organers arbeid og overføring av informasjon mellom dem i livets prosess. Rollen til kabler for signaloverføring i den mest komplekse "biologiske datamaskinen" spilles av nerver, som er basert på høyt spesialiserte celler - nevroner. Hovedfunksjonene til disse cellene er å motta, behandle og forsterke elektriske signaler. Nevroner kommuniserer med hverandre i et "nettverk" ved hjelp av spesielle langstrakte utvekster - aksoner som fungerer som ledere. Studier av forplantningen av elektriske signaler i aksoner ble utført i fellesskap av biologer, kjemikere og fysikere på 30-60-tallet av vårt århundre og var et av de første vellykkede eksemplene på fruktbart samarbeid mellom representanter for beslektede naturvitenskaper.

Som det viste seg, er egenskapene til elektriske impulser som forplanter seg i aksoner betydelig forskjellig fra de som er kjent for elektroteknikk: 1) hastigheten på forplantningen av impulser langs aksonet viser seg å være flere størrelsesordener lavere enn de som er karakteristiske for metall; 2) etter passering av en elektrisk impuls, er det en "død" tid hvor forplantningen av den neste impulsen er umulig; 3) det er en terskelspenningsverdi (pulser med en amplitude under terskelen forplanter seg ikke); 4) med en langsom økning i spenning, selv til en verdi som overstiger terskelen, overføres ikke impulsen langs aksonet ("akkommodasjon").

De listede trekkene ved aksonledning, som er ukarakteristiske for tradisjonell elektroteknikk, ble forklart innenfor rammen av en veldig spesifikk elektrokjemisk mekanisme, den sentrale rollen som tilhører en cellemembran som er semipermeabel for ioner, som skiller det indre volumet av celle (og dens akson) som inneholder en unormalt høy konsentrasjon av K + ioner og lav - Na + fra et miljø fylt med saltvann. Som et resultat av den kaotiske termiske bevegelsen av partikler over grensen mellom regioner med forskjellige konsentrasjoner av positive ioner, oppstår diffusjonsstrømmer (K + - fra cellen, Na + - inne i den), hvis hastigheter reguleres av permeabiliteten til cellemembranen og den elektriske potensialforskjellen på begge sider av den. Endringer i permeabiliteten til membranen for hver av ionene fører til en endring i antall ladede partikler som krysser grensen og følgelig til en endring i det elektriske potensialet til aksonet i forhold til det ytre miljøet. Eksperimenter har vist at ledningsevnen til en del av membranen varierer avhengig av potensialforskjellen som påføres den. At. den elektriske impulsen som påføres aksondelen endrer membranens ledningsevne i kort tid (avhengig av aksonets egenskaper), noe som fører til en omfordeling av ladninger, forsterkning av impulsen og dannelsen av dens bakre front. I dette tilfellet spiller aksonet samtidig rollen som en leder og "forsterker understasjoner - repeatere", noe som gjør det mulig å unngå demping av signaler som overføres i kroppen over tilstrekkelig lange avstander.

Det er interessant at et veldig likt problem med det som ble løst av naturen, kort tid før oppdagelsen av mekanismen for aksonledning, måtte løses i radioteknikk når man prøvde å organisere en transatlantisk kabelforbindelse. For å unngå demping og signalforvrengning i en lang linje, måtte kabelen deles opp i relativt korte lenker, mellom hvilke forsterkere ble plassert. Erfaringene oppnådd av fysikere med å lage lange kabelkommunikasjonslinjer har i stor grad lettet løsningen av problemet med mekanismen for akson elektrisk ledningsevne.

Bibliografi

For utarbeidelsen av dette arbeidet ble materialer fra stedet brukt.

For eksistensen av en likestrøm er tilstedeværelsen av gratis ladede partikler og tilstedeværelsen av en strømkilde nødvendig. der konverteringen av enhver type energi til energien til et elektrisk felt utføres.

Nåværende kilde - en enhet der enhver type energi omdannes til energien til et elektrisk felt. I en strømkilde virker eksterne krefter på ladede partikler i en lukket krets. Årsakene til utseendet til ytre krefter i forskjellige strømkilder er forskjellige. For eksempel, i batterier og galvaniske celler, oppstår eksterne krefter på grunn av flyten av kjemiske reaksjoner, i generatorer av kraftverk oppstår de når en leder beveger seg i et magnetfelt, i fotoceller - når lys virker på elektroner i metaller og halvledere.

Den elektromotoriske kraften til strømkilden kalt forholdet mellom arbeidet til ytre krefter og verdien av den positive ladningen overført fra den negative polen til strømkilden til den positive.

Enkle konsepter.

Nåværende styrke - en skalar fysisk mengde lik forholdet mellom ladningen som har gått gjennom lederen og tiden denne ladningen har passert.

hvor Jeg - strømstyrke, q - lademengde (mengde elektrisitet), t - ladetransporttid.

nåværende tetthet - Vektorfysisk mengde lik forholdet mellom strømstyrken og tverrsnittsarealet til lederen.

hvor j -nåværende tetthet, S - lederens tverrsnittsareal.

Retningen til strømtetthetsvektoren faller sammen med bevegelsesretningen til positivt ladede partikler.

Spenning - skalar fysisk mengde lik forholdet mellom det totale arbeidet til Coulomb og ytre krefter når du flytter en positiv ladning i området til verdien av denne ladningen.

hvor EN - fullt arbeid fra tredjeparts- og Coulomb-styrker, q - elektrisk ladning.

Elektrisk motstand - en fysisk størrelse som karakteriserer de elektriske egenskapene til en kretsseksjon.

hvor ρ - spesifikk motstand til lederen, l - lengden på lederseksjonen, S - lederens tverrsnittsareal.

Konduktivitet er motstandens gjensidige

hvor G - ledningsevne.

Ohms lover.

Ohms lov for en homogen del av en kjede.

Strømstyrken i en homogen seksjon av kretsen er direkte proporsjonal med spenningen ved konstant seksjonsmotstand og omvendt proporsjonal med seksjonsmotstanden ved konstant spenning.

hvor U - spenning i området R - seksjonsmotstand.

Ohms lov for en vilkårlig del av kretsen som inneholder en likestrømkilde.

hvor φ 1 - φ 2 + ε = U spenning i en gitt del av kretsen,R - elektrisk motstand til en gitt del av kretsen.

Ohms lov for en komplett krets.

Strømstyrken i en komplett krets er lik forholdet mellom den elektromotoriske kraften til kilden og summen av motstandene til de ytre og indre delene av kretsen.

hvor R - elektrisk motstand i den ytre delen av kretsen, r - elektrisk motstand i den indre delen av kretsen.

Kortslutning.

Det følger av Ohms lov for en komplett krets at strømstyrken i en krets med en gitt strømkilde kun avhenger av motstanden til den eksterne kretsen R.

Hvis en leder med motstand er koblet til polene til strømkilden R<< r, da vil bare EMF til strømkilden og dens motstand bestemme verdien av strømmen i kretsen. Denne verdien av strømstyrken vil være grensen for denne strømkilden og kalles kortslutningsstrømmen.

Elektromotorisk kraft. Enhver strømkilde er preget av elektromotorisk kraft, eller, for kort, EMF. Så, på et rundt batteri for en lommelykt står det skrevet: 1,5 V. Hva betyr dette? Koble to metallkuler som bærer ladninger av motsatte fortegn med en leder. Under påvirkning av det elektriske feltet til disse ladningene oppstår en elektrisk strøm i lederen ( fig.15.7). Men denne strømmen vil være svært kortvarig. Ladningene nøytraliserer raskt hverandre, potensialene til kulene blir de samme, og det elektriske feltet forsvinner.

Tredjeparts styrker. For at strømmen skal være konstant, er det nødvendig å opprettholde en konstant spenning mellom kulene. Dette krever en enhet gjeldende kilde), som ville flytte ladningene fra en kule til en annen i motsatt retning av retningen til kreftene som virker på disse ladningene fra kulenes elektriske felt. I en slik enhet, i tillegg til elektriske krefter, må ladningene påvirkes av krefter av ikke-elektrostatisk opprinnelse ( fig.15.8). Bare ett elektrisk felt av ladede partikler ( Coulomb felt) er ikke i stand til å opprettholde en konstant strøm i kretsen.

Alle krefter som virker på elektrisk ladede partikler, med unntak av krefter av elektrostatisk opprinnelse (dvs. Coulomb), kalles ytre krefter. Konklusjonen om behovet for ytre krefter for å opprettholde en konstant strøm i kretsen vil bli enda tydeligere hvis vi vender oss til loven om bevaring av energi. Det elektrostatiske feltet er potensielt. Arbeidet til dette feltet når du flytter ladede partikler i det langs en lukket elektrisk krets er null. Passasjen av strøm gjennom lederne er ledsaget av frigjøring av energi - lederen varmes opp. Derfor må det være en eller annen energikilde i kretsen som leverer den til kretsen. I den, i tillegg til Coulomb-styrkene, må tredjeparts, ikke-potensielle styrker nødvendigvis handle. Arbeidet til disse kreftene langs en lukket kontur må være forskjellig fra null. Det er i ferd med å utføre arbeid av disse kreftene at ladede partikler får energi inne i strømkilden og deretter gir den til lederne i den elektriske kretsen. Tredjepartskrefter setter i gang ladede partikler inne i alle strømkilder: i generatorer på kraftverk, i galvaniske celler, batterier osv. Når en krets er lukket, dannes det et elektrisk felt i alle ledere i kretsen. Inne i den aktuelle kilden beveger ladningene seg under påvirkning av ytre krefter vs. Coulomb-krefter(elektroner fra en positivt ladet elektrode til en negativ), og i den eksterne kretsen settes de i bevegelse av et elektrisk felt (se fig. fig.15.8). Naturen til fremmede krefter. Naturen til ytre krefter kan varieres. I kraftverksgeneratorer er ytre krefter krefter som virker fra magnetfeltet på elektroner i en bevegelig leder. I en galvanisk celle, for eksempel Volta-cellen, virker kjemiske krefter. Volta-elementet består av sink- og kobberelektroder plassert i en løsning av svovelsyre. Kjemiske krefter får sinken til å løse seg opp i syren. Positivt ladede sinkioner går inn i løsningen, og selve sinkelektroden blir negativt ladet. (Kobber løser seg svært lite i svovelsyre.) Det oppstår en potensiell forskjell mellom sink- og kobberelektrodene, som bestemmer strømmen i en lukket elektrisk krets. Elektromotorisk kraft. Virkningen av ytre krefter er preget av en viktig fysisk størrelse kalt elektromotorisk kraft(forkortet EMF). Den elektromotoriske kraften til strømkilden er lik forholdet mellom arbeidet til eksterne krefter når ladningen beveges langs en lukket krets til verdien av denne lade:

Elektromotorisk kraft, som spenning, uttrykkes i volt. Vi kan også snakke om den elektromotoriske kraften i hvilken som helst del av kretsen. Dette er det spesifikke arbeidet til eksterne krefter (arbeidet med å flytte en enhetsladning) ikke i hele kretsen, men bare i dette området. Elektromotorisk kraft til en galvanisk celle er en verdi numerisk lik arbeidet til ytre krefter når en enhets positiv ladning flyttes inne i elementet fra en pol til en annen. Ytre krefters arbeid kan ikke uttrykkes i form av potensiell forskjell, siden ytre krefter er ikke-potensiale og deres arbeid avhenger av formen på ladningsbanen. Så for eksempel er arbeidet til eksterne krefter når du flytter en ladning mellom terminalene til en strømkilde utenfor selve kilden lik null. Nå vet du hva EMF er. Hvis 1,5 V er skrevet på batteriet, betyr dette at tredjepartskrefter (kjemiske i dette tilfellet) gjør 1,5 J arbeid når de flytter en ladning på 1 C fra en pol på batteriet til en annen. Likestrøm kan ikke eksistere i en lukket krets hvis eksterne krefter ikke virker i den, det vil si at det ikke er noen EMF.

PARALLELL OG SERIEKOBLING AV LEDERE

La oss inkludere i den elektriske kretsen som en belastning (strømforbrukere) to glødelamper, som hver har en viss motstand, og hver av dem kan erstattes av en leder med samme motstand.

SERIELL TILKOBLING

Beregning av parametrene til den elektriske kretsen med en seriekobling av motstander:

1. strømstyrken i alle seriekoblede deler av kretsen er den samme 2. spenningen i en krets som består av flere seksjoner koblet i serie er lik summen av spenningene i hver seksjon 3. motstanden til en krets som består av flere seriekoblede seksjoner er lik summen av motstandene til hver seksjon

4. arbeidet til en elektrisk strøm i en krets bestående av seriekoblede seksjoner er lik summen av arbeidet i individuelle seksjoner

A \u003d A1 + A2 5. kraften til den elektriske strømmen i en krets bestående av seriekoblede seksjoner er lik summen av potensene i de enkelte seksjonene

PARALLELLKOBLING

Beregning av parametrene til den elektriske kretsen med en parallell tilkobling av motstander:

1. strømstyrken i en uforgrenet del av kretsen er lik summen av strømstyrkene i alle parallellkoblede seksjoner

3. når motstandene er koblet parallelt, blir verdiene som er omvendt til motstanden lagt til:

(R - ledermotstand, 1/R - elektrisk ledningsevne til lederen)

Hvis bare to motstander er koblet parallelt i en krets, da Om:

(når den er koblet parallelt, er den totale motstanden til kretsen mindre enn den minste av de inkluderte motstandene)

4. Arbeidet til en elektrisk strøm i en krets bestående av parallellkoblede seksjoner er lik summen av arbeidet i individuelle seksjoner: A=A1+A2 5. Effekten til den elektriske strømmen i en krets som består av seksjoner koblet i parallell er lik summen av potensene i de enkelte seksjonene: P=P1+P2

For to motstander: dvs. jo større motstand, jo mindre strøm har den.

Joule-Lenz-loven er en fysisk lov som lar deg bestemme den termiske effekten av strømmen i kretsen, i henhold til denne loven: , hvor I er strømmen i kretsen, R er motstanden, t er tiden. Denne formelen ble beregnet ved å lage en krets: en galvanisk celle (batteri), en motstand og et amperemeter. Motstanden ble dyppet i en væske, hvor et termometer ble satt inn og temperaturen ble målt. Dette er hvordan de utledet loven sin og prentet seg inn for alltid i historien, men selv uten deres eksperimenter var det mulig å utlede den samme loven:

U=A/q A=U*q=U*I*t=I^2*R*t, men til tross for denne ære og ros til disse menneskene.

Joule Lenz lov bestemmer mengden varme som frigjøres i en del av en elektrisk krets med begrenset motstand når strømmen går gjennom den. En forutsetning er at det ikke skal være kjemiske transformasjoner i denne delen av kjeden.

ARBEID AV ELEKTRISK STRØM

Arbeidet til en elektrisk strøm viser hvor mye arbeid som ble utført av et elektrisk felt når ladninger flyttes gjennom en leder.

Når du kjenner to formler: I \u003d q / t ..... og ..... U \u003d A / q, kan du utlede en formel for å beregne arbeidet til en elektrisk strøm: Arbeidet til en elektrisk strøm er lik produktet av strømstyrken og spenningen og tiden strømmen flyter i kretsen.

Måleenheten for arbeidet med elektrisk strøm i SI-systemet: [ A ] \u003d 1 J \u003d 1A. b. c

LÆR, GÅ! Når du beregner arbeidet til en elektrisk strøm, brukes ofte en off-system multiple enhet av elektrisk strømarbeid: 1 kWh (kilowatt-time).

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

I hver leilighet, for å ta hensyn til forbruket, er det installert spesielle strømmålere, som viser arbeidet med den elektriske strømmen, fullført over en viss tidsperiode når forskjellige elektriske husholdningsapparater er slått på. Disse målerne viser arbeidet med elektrisk strøm (elektrisitetsforbruk) i "kWh".

Du må lære å beregne kostnadene for forbrukt strøm! Vi forstår nøye løsningen av problemet på side 122 i læreboken (avsnitt 52)!

ELEKTRISK STRØMKRAFT

Kraften til den elektriske strømmen viser arbeidet til strømmen utført per tidsenhet og er lik forholdet mellom arbeidet som er utført og tiden da dette arbeidet ble utført.

(kraft i mekanikk er vanligvis betegnet med bokstaven N, i elektroteknikk - etter bokstav R) fordi A = IUt, da er kraften til den elektriske strømmen lik:

eller

Enheten for elektrisk strømkraft i SI-systemet:

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

Kirchhoffs lover – regler som viser hvordan strømmer og spenninger henger sammen i elektriske kretser. Disse reglene ble formulert av Gustav Kirchhoff i 1845. I litteraturen kalles de ofte for Kirchhoffs lover, men dette er ikke sant, siden de ikke er naturlover, men er avledet fra Maxwells tredje ligning med konstant magnetfelt. Men likevel er fornavnet mer kjent for dem, derfor vil vi kalle dem, som det er vanlig i litteraturen - Kirchhoffs lover.

Kirchhoffs første lov – summen av strømmene som konvergerer i noden er lik null.

La oss finne ut av det. En node er et punkt som forbinder grener. En gren er en del av en kjede mellom noder. Figuren viser at strøm i går inn i noden, og strøm i 1 og i 2 går ut av noden. Vi komponerer et uttrykk i henhold til den første Kirchhoff-loven, gitt at strømmene som kommer inn i noden har et plusstegn, og strømmene som kommer fra noden har et minustegn i-i 1 -i 2 =0. Strøm i, som det var, sprer seg til to mindre strømmer og er lik summen av strømmer i 1 og i 2 i=i 1 + i 2. Men hvis for eksempel strømmen i 2 kom inn i noden, så ville strømmen I bli definert som i=i 1 -i 2 . Det er viktig å ta hensyn til fortegnene når man setter sammen en ligning.

Kirchhoffs første lov er en konsekvens av loven om bevaring av elektrisitet: ladningen som kommer til noden i en viss tidsperiode er lik ladningen som forlater noden i samme tidsintervall, dvs. den elektriske ladningen i noden akkumuleres ikke og forsvinner ikke.

Kirchhoffs andre lov – den algebraiske summen av EMF som virker i en lukket krets er lik den algebraiske summen av spenningsfallet i denne kretsen.

Spenning uttrykkes som produktet av strøm og motstand (i henhold til Ohms lov).

Denne loven har også egne regler for anvendelse. Først må du stille inn retningen til konturbypasset med en pil. Summer deretter henholdsvis EMF og spenning, ta med et plusstegn hvis verdien faller sammen med bypass-retningen og minus hvis den ikke gjør det. La oss lage en ligning i henhold til den andre Kirchhoffs lov, for vårt opplegg. Vi ser på pilen vår, E 2 og E 3 faller sammen med den i retning, som betyr et plusstegn, og E 1 er rettet i motsatt retning, som betyr et minustegn. Nå ser vi på spenningene, strømmen I 1 faller sammen i retningen med pilen, og strømmene I 2 og I 3 er rettet motsatt. Følgelig:

-E 1 +E 2 +E 3 =jeg 1 R 1 -JEG 2 R 2 -JEG 3 R 3

På grunnlag av Kirchhoffs lover er det utarbeidet metoder for å analysere sinusformede vekselstrømkretser. Løkkestrømmetoden er en metode basert på anvendelsen av den andre Kirchhoff-loven og metoden for nodalpotensialer basert på anvendelsen av den første Kirchhoff-loven.

Betingelser for forekomst av strøm.

og dens tetthet, bestemt av forholdet:

Enheten for strømstyrke er ampere (1A er den karakteristiske verdien av strømmen som forbrukes av elektriske husholdningsvarmer).

De nødvendige betingelsene for eksistensen av strøm er tilstedeværelsen av gratis ladningsbærere, en lukket krets og en EMF-kilde (batteri) som støtter retningsbestemt bevegelse.

Elektrisk strøm kan eksistere i forskjellige medier: i metaller, vakuum, gasser, løsninger og smelter av elektrolytter, plasma, halvledere, vev av levende organismer.

Plasma.

). Vanligvis kalles det lavtemperatur, siden temperaturen på atomer og ioner er nær romtemperatur. Den gjennomsnittlige energien til mye lettere elektroner viser seg å være mye høyere. At. lavtemperaturplasma er i hovedsak et åpent medium som ikke er likevekt. Som nevnt er selvorganiseringsprosesser mulige i slike medier. Et velkjent eksempel er genereringen av høyt ordnet koherent stråling i plasmaet til gasslasere.

atmosfærisk elektrisitet.

A/) selv i en så dårlig leder som luft. Den totale strømmen som kommer til overflaten av planeten er veldig stor (ca. A), og kraften den frigjør er sammenlignbar med kraften til alle bygde kraftverk (W). Naturlige spørsmål oppstår om mekanismen for å opprettholde denne potensielle forskjellen og om årsakene til at dens tilstedeværelse ennå ikke har blitt brukt av mennesker.

Elektrisk strøm i levende vev.