En konstant elektrisk strøm i kretsen er forårsaket av et stasjonært elektrostatisk felt (Coulomb-felt), som må støttes av en strømkilde som skaper en konstant potensialforskjell i endene av den eksterne kretsen. Siden strømmen i lederen bærer en viss energi, som frigjøres for eksempel i form av en viss mengde varme, er det nødvendig å kontinuerlig konvertere noe energi til elektrisk energi. Med andre ord, i tillegg til Coulomb-kreftene til et stasjonært elektrostatisk felt, må noen andre krefter virke på ladningene, av ikke-elektrostatisk natur - eksterne krefter.
Alle krefter som virker på elektrisk ladede partikler, med unntak av krefter av elektrostatisk opprinnelse (dvs. Coulomb), kalles ytre krefter.
Naturen (eller opprinnelsen) til eksterne krefter kan være forskjellig: for eksempel i galvaniske celler og batterier er dette kjemiske krefter, i generatorer er dette Lorentz-kraften eller kreftene fra virvelen elektrisk felt.
Inne i strømkilden, på grunn av ytre krefter, beveger elektriske ladninger seg i motsatt retning av virkningen av kreftene til det elektrostatiske feltet, dvs. Coulomb styrker. På grunn av dette opprettholdes en konstant potensialforskjell ved endene av den eksterne kretsen. Ytre krefter virker ikke i den eksterne kretsen.
Arbeid elektrisk strøm i en lukket elektrisk krets utføres på grunn av energien til kilden, dvs. på grunn av handling fra tredjepartsstyrker, tk. elektrostatisk felt er potensielt. Arbeidet til dette feltet med å flytte ladede partikler langs en lukket elektrisk krets er null.
Den kvantitative egenskapen til ytre krefter (strømkilde) er elektromotorisk kraft(EMF).
Den elektromotoriske kraften e kalles fysisk mengde, numerisk lik forholdet mellom arbeidet λd^ av ytre krefter for å flytte ladningen ^ langs kjeden til verdien av denne ladningen:
Den elektromotoriske kraften uttrykkes i volt (1 V = 1 J/C). EMF er det spesifikke arbeidet til ytre krefter i et gitt område, dvs. arbeidet med å flytte en enhetsladning. For eksempel er EMF til en galvanisk celle 4,5V. Dette betyr at ytre krefter (kjemiske) gjør arbeid på 4,5 J når man flytter en ladning på 1 C inne i elementet fra en pol til en annen.
Den elektromotoriske kraften er en skalar størrelse som kan være enten positiv eller negativ. Tegnet til EMF avhenger av retningen til strømmen i kretsen og valget av retningen for å omgå kretsen.
Ytre krefter er ikke potensielle (deres arbeid avhenger av formen på banen), og derfor kan ikke arbeidet til ytre krefter uttrykkes i form av potensialforskjellen mellom to punkter. Arbeidet til en elektrisk strøm med å flytte en ladning langs en leder utføres av Coulomb og tredjepartskrefter, så det totale arbeidet A er lik:
En fysisk størrelse numerisk lik forholdet mellom arbeidet utført av et elektrisk felt når en positiv flyttes
ladning fra ett punkt til et annet, til verdien av ladningen q, kalles spenningen V mellom disse punktene:
U=Acool/q+Ast/q
Gitt at
Shark/q=f1-f2=-Df
de. potensialforskjell mellom to punkter i et stasjonært elektrostatisk felt, hvor φ1 og φ2 er potensialene til start- og sluttpunktene til ladningsbanen, og
Ast/q=e har vi:
Når det gjelder et elektrostatisk felt, når ingen EMF påføres seksjonen (e \u003d 0), er spenningen mellom to punkter lik potensialforskjellen:
SI-enheten for spenning er volt (V), V = J/C. Spenningen måles med et voltmeter, som kobles parallelt med de delene av kretsen hvor spenningen måles.
Nå oppfattes EMF og spenning av mange som identiske konsepter, der de, hvis noen karakteristiske trekk er gitt, er så ubetydelige at de neppe fortjener din oppmerksomhet.
På den ene siden finner denne tilstanden sted, fordi de aspektene som skiller disse to konseptene fra hverandre er så ubetydelige at selv mer eller mindre erfarne brukere neppe vil legge merke til dem. Likevel er disse fortsatt gitt, og det er også umulig å si at EMF og spenning er nøyaktig det samme.
Hva er EMF og hvorfor forveksles det ofte med spenning?
EMF, eller elektromotorisk kraft, som det vanligvis kalles i mange lærebøker, er en fysisk størrelse som karakteriserer arbeidet til eksterne krefter som er tilstede i like- eller vekselstrømkilder.
Hvis vi snakker om en lukket ledende krets, bør det bemerkes at i tilfelle det vil EMF være lik kraftarbeidet for å flytte en enkelt positiv ladning langs kretsen ovenfor. De forveksler den elektromotoriske kraften og spenningen - av en grunn. Som du vet, disse to konseptene, i dag, målt i volt. Samtidig kan vi snakke om EMF i hvilken som helst del av målet, fordi det faktisk er det spesifikke arbeidet til eksterne krefter som ikke virker i hele kretsen, men bare i et bestemt område.
Spesiell oppmerksomhet fra din side fortjener det faktum at ved EMF til en galvanisk celle, er arbeidet med ytre krefter sørget for, som arbeider under bevegelsen av en enkelt positiv ladning fra en pol til en helt annen. Arbeidet til disse ytre kreftene avhenger direkte av banens form, men kan ikke uttrykkes i form av potensialforskjellen. Det siste skyldes at ytre krefter ikke er potensielle. Til tross for at spenning er et av de mest enkle konseptene, forstår mange forbrukere ikke helt hva det er. Hvis du ikke forstår dette, anser vi det som nødvendig å gi deg noen eksempler.
La oss ta for klarhetens skyld en vanlig tank med vann. Fra en slik tank må et vanlig rør ut. Så høyden på vannsøylen eller trykket, med enkle ord og vil representere spenning, mens strømningshastigheten til vann vil være elektrisk strøm. I lys av det foregående, jo mer vann som er tilveiebrakt i tanken, desto større er henholdsvis trykk og spenning.
De viktigste forskjellene mellom EMF og spenning
Den elektromotoriske kraften kalles spenningen, som ifølge dens definisjon er forholdet mellom arbeidet til eksterne krefter angående overføringen av en positiv ladning direkte til selve størrelsen på denne ladningen. Spenning på sin side anses å være forholdet mellom arbeidet til det elektriske feltet, angående overføringen av den såkalte elektriske ladningen. Så, for eksempel, hvis bilen din har et batteri, vil EMF alltid være 13 volt. Vel, hvis du også kobler et voltmeter til den ovennevnte enheten med frontlysene på - en enhet designet for å måle spenning, vil sistnevnte indikator vise seg å være mye mindre enn 13 watt. Denne, kanskje noe merkelige trenden, skyldes det faktum at i akkumulatoren, som ytre krefter, er det handlingen kjemisk reaksjon. Samtidig har bilen også en generator, som, mens motoren går, produserer en enkel elektrisk strøm. 
I lys av det foregående kan vi snakke om det viktigste særegne trekk EMF og spenning:
- Emf vil avhenge av selve kilden. Vel, hvis vi snakker om spenning, avhenger indikatoren direkte av hva tilkoblingen er og hvilken strøm som for tiden flyter gjennom kretsen.
- EMF er en fysisk størrelse som er nødvendig for å karakterisere arbeidet til ikke-Coulomb-krefter, og spenningen karakteriserer arbeidet til strømmen, angående ladningens bevegelse sist.
- Disse konseptene er også forskjellige fordi den elektromotoriske kraften er beregnet på magnetisk induksjon, mens spenning oftest brukes i forhold til likestrøm.
5.3. Elektromotorisk kraft (emf), spenning og potensialforskjell. deres fysiske betydning. Sammenheng mellom emk, spenning og potensialforskjell
En fysisk mengde lik arbeidet til eksterne krefter for å flytte en positiv enhetsladning langs hele kretsen, inkludert strømkilden, kalles den elektromotoriske kraften til strømkilden (EMF):
. (5.15)
Arbeidet til ytre krefter langs en lukket krets
,
(5.16)
hvor E * er feltstyrken til ytre krefter.
.
(5.17)
Når ladninger beveger seg i en leder, i tillegg til ytre krefter, påvirkes de av kreftene til det elektrostatiske feltet ( 
). Derfor, når som helst i kjeden, påvirkes ladningen q av den resulterende kraften:
Arbeidet utført av denne styrken i seksjon 1 - 2,
(5.19)
En fysisk mengde numerisk lik arbeidet til eksterne og elektriske krefter for å flytte en positiv enhetsladning i en gitt del av kretsen kalles et spenningsfall eller spenning i en gitt del av kretsen:
.
(5.20)
Hvis det ikke er noen EMF i kretsdelen ( 
), deretter
.
(5.21)
Når 1 - 2 = 0,
. (5.22)
, U, ( 1 - 2) måles i SI-systemet i volt (1 V).
Forelesning 6. Klassisk elektronisk teori om ledningsevne av metaller. DC lover
Klassisk elektronisk teori om elektrisk ledningsevne av metaller og dens eksperimentelle begrunnelser. Ohms lov i differensial- og integralformer.Elektrisk motstand til ledere. Endring av motstand til ledere fra temperatur og trykk. Superledningsevne. Motstandskoblinger: serie, parallell, blandet. Rangering av elektriske måleinstrumenter. Ekstra motstand mot elektriske måleinstrumenter. Regler (lover) av Kirchhoff og deres anvendelse for beregning av de enkleste elektriske kretsene. Joule-Lenz lov i differensielle og integrerte former. Energi frigjort i kretsen likestrøm. Ytelseskoeffisient (COP) til en likestrømkilde.
6.1. Klassisk elektronisk teori om elektrisk ledningsevne av metaller og dens eksperimentelle begrunnelser. Ohms lov i differensial- og integralformer
Den klassiske elektroniske teorien om metallers ledningsevne forklarer de forskjellige elektriske egenskapene til stoffer ved eksistensen og bevegelsen i dem av de såkalte kvasi-frie ledningselektronene. Ledningselektronene betraktes som en elektrongass som ligner den ideelle gassen i molekylfysikk.
Før oppdagelsen av elektroner ble det eksperimentelt vist at strømmen i metaller, i motsetning til strømmen i flytende elektrolytter, ikke er forbundet med overføring av metallmateriale. Erfaringen var at gjennom kontakten mellom to forskjellige metaller, som gull og sølv, i en tid regnet i mange måneder, ble det ført en elektrisk strøm. Etter det ble materialet nær kontaktene studert. Det ble vist at det ikke observeres noen overføring av stoff over grenseflaten mellom ulike metaller, og stoffet på ulike sider av grensesnittet har samme sammensetning som før strømmen ble ført. Eksperimentene viste at atomene og molekylene til metaller ikke deltar i overføringen av elektrisk strøm, men de svarte ikke på spørsmålet om arten av ladningsbærere i metaller.
Direkte bevis på at den elektriske strømmen i metaller skyldes bevegelse av elektroner var eksperimentene til Tolman og Steward, utført i 1916. Ideen til disse eksperimentene ble fremmet av Mandelstam og Papaleksi i 1913.
Se for deg en ledende spole som kan rotere rundt sin akse. Endene av spolen er koblet til galvanometeret ved hjelp av glidekontakter. Hvis spolen, som er i rask rotasjon, bremses kraftig, fortsetter de frie elektronene i ledningen å bevege seg av treghet, som et resultat av at galvanometeret må registrere en strømpuls.
La oss betegne den lineære akselerasjonen til spolen under bremsing - en. Den er rettet tangentielt til overflaten av spolen. Med tilstrekkelig tett vikling og tynne ledninger kan vi anta at akselerasjonen er rettet langs ledningene. Når spolen bremser, påføres en treghetskraft på hvert fritt elektron F i = m e en, som er motsatt av akselerasjonen. Under sin handling oppfører elektronet seg i metallet som om det ble påvirket av et effektivt elektrisk felt med styrke
.
6.1)
Derfor er den effektive elektromotoriske kraften i spolen, på grunn av tregheten til frie elektroner,
,
(6.2)
der L er lengden på ledningen på spolen.
Alle punkter på ledningen bremses med samme akselerasjon, og derfor tas akselerasjonen ut av integrertegnet.
Tar vi hensyn til formel (6.2), skriver vi Ohms lov for en lukket krets i formen
,
(6.3)
hvor I er strømstyrken i en lukket krets;
R er motstanden til hele kretsen, inkludert motstanden til spoleledningene, ledningene til den eksterne kretsen og galvanometeret.
Mengden elektrisitet som strømmer gjennom tverrsnittet av lederen i løpet av tiden dt ved en strømstyrke I,
.
(6.4)
Derfor, i løpet av bremsetiden til spolen fra den opprinnelige lineære hastigheten v o til fullstendig stopp, vil mengden elektrisitet passere gjennom galvanometeret
.
(6.5)
Verdien av q bestemmes av et galvanometer, og verdiene til L, R, v o er kjent. Derfor kan både tegnet og absoluttverdien av e/m e finnes. Eksperimenter har vist at e/m e tilsvarer forholdet mellom elektronladningen og massen. Dermed ble det bevist at strømmen observert med et galvanometer skyldes bevegelse av elektroner.
I fravær av et elektrisk felt i ledere, beveger ledningselektroner seg tilfeldig, i vilkårlige retninger, med hastigheter bestemt av temperatur, dvs. med den såkalte termiske hastigheten u.
Etter en viss tidsperiode t = , beveger seg i en rett linje, kan ledningselektronet samhandle med ionet krystallgitter eller med et annet ledningselektron. Som et resultat av en slik interaksjon, som anses som absolutt elastisk i den klassiske teorien om konduktivitet, bevares det totale momentumet og energien, og størrelsen og retningen til bevegelseshastigheten kan endres. Begrensningstilfellet er når, etter en tid lik (tid for fri bane), retningen på hastigheten til den termiske bevegelsen til ledningselektronet endres til det motsatte. Den ledige banetiden avhenger av stoffets natur og jo mindre, jo oftere forekommer interaksjoner. Mellom kollisjoner (interaksjoner) med hastighet u Ingenting skjer.
P 
når du påfører et elektrisk felt med en styrke E under påvirkning av makt F= e E ledningselektroner får en viss akselerasjon en og rettet bevegelse med skiftende hastighet fra v o = 0 til v = v maks i tiden t = .
Endringen i hastigheten til den rettede bevegelsen til ledningselektronet skjer før dets interaksjon (fig. 6.1). Som et resultat av samspillet kan denne hastigheten også endre seg både i størrelse og retning.
Hvis det er n ledningselektroner per volumenhet av lederen, som på et tidspunkt t har en hastighet v, så er det mulig å bestemme ladningen som har gått gjennom et område S, plassert vinkelrett på retningen av hastigheten til ledningselektronene:
,
(6.6)
hvor
Styrken (verdien) av strømmen i lederen i dette tilfellet
. (6.7)
Ledningsstrømtetthet
.
(6.8)
I vektorform
.
(6.9)
I henhold til (6.8), for å bestemme den elektriske strømtettheten i en leder, er det nødvendig å bestemme gjennomsnittshastigheten til den ordnede bevegelsen av ledningselektroner.
Den gjennomsnittlige hastigheten på bestilt bevegelse i dette tilfellet kan bestemmes av formelen
,
(6.10)
fordi på det første tidspunktet t=0, når det ikke er noen elektrisk felt, v o = 0.
Den maksimale hastigheten for ordnet bevegelse som et elektron får under påvirkning av et elektrisk felt i løpet av sin frie bane,
,
hvor a er akselerasjonen oppnådd av et ledningselektron under påvirkning av et elektrisk felt;
er reisetiden til ledningselektronet fra interaksjon til interaksjon.
Basert på Newtons andre lov F = ma, der F er Coulomb-kraften,
;
;
.
(6.11)
For gjennomsnittshastigheten til den ordnede bevegelsen til ledningselektroner får vi
.
(6.12)
Å kjenne den gjennomsnittlige hastigheten på termisk bevegelse av ledningselektroner og den gjennomsnittlige avstanden som de har reist fra interaksjon til interaksjon, er det mulig å bestemme tiden mellom to påfølgende interaksjoner:
. (6.13)
Etter å ha gjort substitusjonen og de nødvendige transformasjonene, for ledningsstrømtettheten vil vi ha
, (6.14)
hvor 
- spesifikk elektrisk ledningsevne til ledermetallet.
I vektorform
.
(6.15)
Uttrykk (6.14) og (6.15) er den matematiske formen for å skrive Ohms lov i differensialform.
Ohms lov i differensialform er gyldig for alle ledere, alle strømmer, karakteriserer tettheten til ledningsstrømmen på ethvert punkt på lederen.
Fra Ohms lov i differensialform kan man få Ohms lov i integralform for en lukket (eller komplett) krets. For hvilket vi multipliserer uttrykket (6.15) med verdien av den elementære delen av kjeden dl:
,
hvor 
;
;
.
Dermed har vi
;
.
(6.16)
Integrerende uttrykk (6.16) over den lukkede konturen L, får vi
,
(6.17)
hvor 
- motstanden til de eksterne og interne delene av kretsen;
-EMF som virker i en lukket krets, numerisk lik sirkulasjonen av feltstyrkevektoren til eksterne krefter;
er potensialforskjellen mellom de to betraktede punktene i den lukkede kretsen.
For lukket krets
( 1
- 2)
= 0;
.
Dermed har vi
eller 
,
(6.18)
hvor R1 er motstanden til den ytre delen av kretsen;
r er den indre motstanden til strømkilden.
Fra formel (6.18)
.
(6.19)
Derfor balanserer EMF spenningsfallet i de eksterne og interne kretsene og sikrer dermed kontinuerlig bevegelse av ledningselektroner.
Hvis kretsen ikke er lukket og det ikke er noen EMF i den, da
, a 
.
(6.20)
Uttrykk (6.18) og (6.20) er den matematiske formen av Ohms lov, henholdsvis for en komplett (lukket) krets og en del av kretsen som ble oppdaget av ham eksperimentelt. Styrken til strømmen i kretsen er direkte proporsjonal med EMF (spenning i kretsseksjonen) og omvendt proporsjonal med motstanden til kretsen.
Hva er forskjellen EMF(elektromotorisk kraft) fra Spenning? La oss ta en titt på et spesifikt eksempel. Vi tar et batteri som sier 1,5 volt. Vi kobler et voltmeter til det, som vist i figur 1, for å sjekke om batteriet er veldig bra.
Bilde 1
Voltmeteret viser 1,5 V. Dette betyr at batteriet fungerer. Vi kobler den til en liten lyspære. Lyspæren lyser. Nå kobler vi et voltmeter parallelt med lyspæren for å sjekke om lyspæren virkelig har 1,5 V. Kretsen vist i figur 2 er oppnådd.
Figur 2
Og så viser det seg at voltmeteret viser for eksempel 1 V. Hvor brukes 0,5 V (som er forskjellen mellom 1,5 V og 1 V)?
Faktum er at enhver ekte strømforsyning har intern motstand (angitt med bokstaven r). I mange tilfeller reduserer det egenskapene til strømforsyninger, men det er umulig å produsere en strømforsyning uten intern motstand i det hele tatt. Derfor kan batteriet vårt betraktes som en ideell strømkilde og en motstand hvis motstand tilsvarer den interne motstanden til batteriet (Figur 3).
Figur 3
Så, EMF i dette eksemplet er 1,5 V, strømforsyningsspenningen er 1 V, og 0,5 V forskjellen ble spredt av indre motstand strømkilde.
EMF er det maksimale antallet volt som strømforsyningen kan levere til kretsen. Dette er en konstant verdi for en god strømforsyning. MEN strømforsyningsspenning avhenger av hva som er koblet til det. ( Her snakker vi kun om de typer matkilder som studeres som en del av skolens læreplan.).
I vårt eksempel, en lyspære med motstand R og motstanden er koblet i serie, så strømmen i kretsen kan finnes av formelen
Og da er spenningen på lyspæren
Viser seg enn mer motstand lyspærer, jo mer volt har den, og jo mindre volt går det bort i batteriet. Dette gjelder ikke bare lyspærer og batterier, men også enhver krets som består av en strømkilde og en last. Jo større belastningsmotstand, jo mindre er forskjellen mellom Spenning og EMF. Hvis belastningsmotstanden er veldig stor, da Spenning nesten lik EMF. Motstanden til voltmeteret er alltid veldig stor, så i kretsen i figur 1 viste den en verdi på 1,5 V.
Å forstå betydningen av EMF er hemmet av det faktum at vi praktisk talt ikke bruker dette begrepet i hverdagen. Vi sier i butikken «Gi meg et 1,5 volt batteri» når det er riktig å si «Gi meg et 1,5 volt batteri». Men det bare skjedde...
