Condiții de curent electric constant pentru apariția acestuia. Condiții de existență a curentului electric continuu

Agenția Federală pentru Educație

Universitatea Socio-Economică de Stat din Saratov

Ramura Marks

Departamentul Disciplinelor Umanitare Generale

ESEU

Conform „fizicii”

pe tema: „Curentul electric. Legea lui Ohm"

student anul 2

Specialitate: „Eup pp”

Verificat de: Starikova N.N.

Marx - 2010

Electricitate. Legea lui Ohm

Dacă un conductor izolat este plasat în câmp electric

atunci va acţiona o forţă asupra sarcinilor libere q din conductor.Ca urmare, în conductor are loc o mişcare de scurtă durată a sarcinilor libere. Acest proces se va încheia atunci când câmpul electric propriu al sarcinilor care au apărut pe suprafața conductorului compensează complet câmpul extern. Câmpul electrostatic rezultat în interiorul conductorului va fi zero (vezi § 1.5).

Totuși, în conductoare, în anumite condiții, poate apărea o mișcare ordonată continuă a purtătorilor liberi de sarcină electrică. Această mișcare se numește curent electric. Direcția de mișcare a sarcinilor libere pozitive este luată ca direcție a curentului electric. Pentru existența unui curent electric într-un conductor, este necesar să se creeze un câmp electric în acesta.

O măsură cantitativă a curentului electric este puterea curentului I - scalar cantitate fizica, egal cu raportul sarcinii Δq transferate prin secțiunea transversală a conductorului (Fig. 1.8.1) pe intervalul de timp Δt, la acest interval de timp:

Dacă puterea curentului și direcția acestuia nu se schimbă în timp, atunci un astfel de curent se numește constant.

Figura 1.8.1.

Mișcarea ordonată a electronilor într-un conductor metalic și curentul I. S este aria secțiunii transversale a conductorului,

- câmp electric

În Sistemul Internațional de Unități SI, curentul este măsurat în amperi (A). Unitatea de curent 1 A este setată conform interacțiune magnetică doi conductori paraleli cu curent (vezi § 1.16).

Constant electricitate poate fi creat doar într-un circuit închis în care purtătorii de încărcare liberi circulă pe căi închise. Câmpul electric în diferite puncte ale unui astfel de circuit este constant în timp. Prin urmare, câmpul electric din circuit curent continuu are caracterul unui câmp electrostatic înghețat. Dar când se deplasează o sarcină electrică într-un câmp electrostatic de-a lungul unei căi închise, munca forțelor electrice este zero (vezi § 1.4). Prin urmare, pentru existența curentului continuu, este necesar să existe în circuit electric un dispozitiv capabil să creeze și să mențină diferențe de potențial în secțiunile circuitului datorită lucrului forțelor de origine neelectrostatică. Astfel de dispozitive se numesc surse de curent continuu. Forțele de origine neelectrostatică care acționează asupra purtătorilor de sarcină liberi din surse de curent se numesc forțe externe.

Natura forțelor exterioare poate fi diferită. În celulele galvanice sau baterii, acestea apar ca rezultat al proceselor electrochimice; în generatoarele de curent continuu, forțele externe apar atunci când conductorii se mișcă într-un câmp magnetic. Sursa de curent din circuitul electric joacă același rol ca și pompa, care este necesară pentru pomparea fluidului într-un sistem hidraulic închis. Sub acțiunea forțelor externe, sarcinile electrice se deplasează în interiorul sursei de curent împotriva forțelor câmpului electrostatic, datorită cărora un curent electric constant poate fi menținut într-un circuit închis.

Când sarcinile electrice se deplasează de-a lungul unui circuit de curent continuu, forțele externe care acționează în interiorul surselor de curent funcționează.

O mărime fizică egală cu raportul lucrării A st al forțelor externe atunci când sarcina q se deplasează de la polul negativ al sursei de curent la cel pozitiv la valoarea acestei sarcini se numește forța electromotoare a sursei (EMF):

Astfel, EMF este determinată de munca efectuată de forțele externe atunci când se deplasează o singură sarcină pozitivă. Forța electromotoare, ca și diferența de potențial, se măsoară în volți (V).

Când o singură sarcină pozitivă se deplasează de-a lungul unui circuit de curent continuu închis, munca forțelor externe este egală cu suma EMF care acționează în acest circuit, iar munca câmpului electrostatic este zero.

Circuitul DC poate fi împărțit în secțiuni separate. Acele secțiuni asupra cărora forțele externe nu acționează (adică secțiunile care nu conțin surse de curent) sunt numite omogene. Secțiunile care includ surse de curent sunt numite eterogene.

Când o sarcină pozitivă unitară se mișcă de-a lungul unei anumite secțiuni a circuitului, atât forțele electrostatice (Coulomb) cât și cele externe funcționează. Lucrarea forțelor electrostatice este egală cu diferența de potențial Δφ 12 \u003d φ 1 - φ 2 dintre punctele inițiale (1) și finale (2) ale secțiunii neomogene. Munca forțelor externe este prin definiție forta electromotoare

12 care operează în această zonă. Deci munca totală este

U 12 \u003d φ 1 - φ 2 +

12 .

Valoarea lui U 12 se numește de obicei tensiune în secțiunea de circuit 1–2. În cazul unei secțiuni omogene, tensiunea este egală cu diferența de potențial:

U 12 \u003d φ 1 - φ 2.

Fizicianul german G. Ohm în 1826 a stabilit experimental că puterea curentului I care curge printr-un conductor metalic omogen (adică un conductor în care nu acționează forțe externe) este proporțională cu tensiunea U la capetele conductorului:

unde R = const.

Valoarea lui R se numește de obicei rezistență electrică. Un conductor cu rezistență electrică se numește rezistor. Acest raport exprimă legea lui Ohm pentru o secțiune omogenă a circuitului: puterea curentului în conductor este direct proporțională cu tensiunea aplicată și invers proporțională cu rezistența conductorului.

În SI, unitatea de măsură a rezistenței electrice a conductorilor este ohmul (Ohm). O rezistență de 1 ohm are o secțiune a circuitului în care, la o tensiune de 1 V, apare un curent de 1 A.

Conductorii care respectă legea lui Ohm se numesc liniari. Dependența grafică a intensității curentului I de tensiunea U (astfel de grafice se numesc caracteristici curent-tensiune, prescurtate ca CVC) este reprezentată de o linie dreaptă care trece prin origine. Trebuie remarcat faptul că există multe materiale și dispozitive care nu respectă legea lui Ohm, de exemplu, dioda semiconductoare sau lampă cu gaz. Chiar conductoare metalice la curenți de putere suficient de mare se observă o abatere de la legea liniară a lui Ohm, deoarece rezistență electrică conductoarele metalice cresc odata cu cresterea temperaturii.

Pentru o secțiune de circuit care conține EMF, legea lui Ohm este scrisă în următoarea formă:

IR \u003d U 12 \u003d φ 1 - φ 2 +

= Δφ 12 + .

Această relație este de obicei numită legea lui Ohm generalizată sau legea lui Ohm pentru o secțiune de lanț neomogenă.

Pe fig. 1.8.2 prezintă un circuit DC închis. Secțiunea lanțului (cd) este omogenă.

Figura 1.8.2.

circuit DC

Legea lui Ohm

Secțiunea (ab) conține o sursă de curent cu un EMF egal cu

Conform legii lui Ohm pentru o zonă eterogenă,

Adăugând ambele egalități, obținem:

I (R + r) = Δφ cd + Δφ ab +

Dar Δφ cd = Δφ ba = – Δφ ab. De aceea

Această formulă va exprima legea lui Ohm pentru lanț complet: puterea curentului într-un circuit complet este egală cu forța electromotoare a sursei, împărțită la suma rezistențelor secțiunilor omogene și neomogene ale circuitului.

Rezistența r a secțiunii neomogene din fig. 1.8.2 poate fi văzut ca rezistență internă sursa actuala. În acest caz, secțiunea (ab) din Fig. 1.8.2 este secțiunea internă a sursei. Dacă punctele a și b sunt închise cu un conductor a cărui rezistență este mică în comparație cu rezistența internă a sursei (R<< r), тогда в цепи потечет ток короткого замыкания

Curent de scurtcircuit - curentul maxim care poate fi obținut de la o sursă dată cu o forță electromotoare

si rezistenta interna r. Pentru sursele cu rezistență internă scăzută, curentul de scurtcircuit poate fi foarte mare și poate provoca distrugerea circuitului sau sursei electrice. De exemplu, bateriile plumb-acid utilizate în automobile pot avea un curent de scurtcircuit de câteva sute de amperi. Deosebit de periculoase sunt scurtcircuitele din rețelele de iluminat alimentate de substații (mii de amperi). Pentru a evita efectul distructiv al unor astfel de curenți mari, în circuit sunt incluse siguranțe sau întrerupătoare speciale.

În unele cazuri, pentru a preveni valorile periculoase ale curentului de scurtcircuit, o anumită rezistență externă este conectată în serie la sursă. Atunci rezistența r este egală cu suma rezistenței interne a sursei și a rezistenței externe, iar în cazul unui scurtcircuit, puterea curentului nu va fi excesiv de mare.

Dacă circuitul extern este deschis, atunci Δφ ba = – Δφ ab =

, adică diferența de potențial la polii unei baterii deschise este egală cu EMF.

Dacă rezistența de sarcină externă R este activată și curentul I trece prin baterie, diferența de potențial la polii acesteia devine egală cu

– Ir.

Pe fig. 1.8.3 este o reprezentare schematică a unei surse DC cu un EMF egal cu

iar rezistența internă r în trei moduri: „ralanti”, lucru la sarcină și modul de scurtcircuit (scurtcircuit). Se indică intensitatea câmpului electric din interiorul bateriei și forțele care acționează asupra sarcinilor pozitive: – forță electrică și – forță terță. În modul de scurtcircuit, câmpul electric din interiorul bateriei dispare.

Figura 1.8.3.

Reprezentare schematică a unei surse DC: 1 - bateria este deschisă; 2 - bateria este închisă la rezistența externă R; 3 - modul de scurtcircuit

Pentru a măsura tensiunile și curenții în circuitele electrice de curent continuu, se folosesc dispozitive speciale - voltmetre și ampermetre.

Voltmetrul este proiectat pentru a măsura diferența de potențial aplicată la bornele sale. Este conectat în paralel cu secțiunea circuitului pe care se măsoară diferența de potențial. Orice voltmetru are o rezistență internă R B . Pentru ca voltmetrul să nu introducă o redistribuire vizibilă a curenților atunci când este conectat la circuitul măsurat, rezistența sa internă trebuie să fie mare în comparație cu rezistența secțiunii circuitului la care este conectat. Pentru circuitul prezentat în fig. 1.8.4, această condiție este scrisă astfel:

R B >> R 1 .

Această condiție înseamnă că curentul I B \u003d Δφ cd / R B care curge prin voltmetru este mult mai mic decât curentul I \u003d Δφ cd / R 1 care circulă prin secțiunea testată a circuitului.

Deoarece nu există forțe exterioare care acționează în interiorul voltmetrului, diferența de potențial la bornele acestuia coincide, prin definiție, cu tensiunea. Prin urmare, putem spune că voltmetrul măsoară tensiunea.

Ampermetrul este proiectat pentru a măsura puterea curentului în circuit. Ampermetrul este conectat în serie la întreruperea circuitului electric, astfel încât întregul curent măsurat să treacă prin el. Ampermetrul are și o oarecare rezistență internă R A . Spre deosebire de voltmetru, rezistența internă a unui ampermetru trebuie să fie suficient de mică în comparație cu rezistența totală a întregului circuit. Pentru circuitul din fig. 1.8.4 rezistența ampermetrului trebuie să satisfacă condiția

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

astfel încât atunci când ampermetrul este pornit, curentul din circuit să nu se modifice.

Instrumentele de măsurare - voltmetre și ampermetre - sunt de două tipuri: pointer (analogice) și digitale. Contoarele electrice digitale sunt dispozitive electronice complexe. De obicei, instrumentele digitale oferă o precizie mai mare de măsurare.

Figura 1.8.4.

Includerea unui ampermetru (A) și a unui voltmetru (B) într-un circuit electric

Conectarea în serie și paralelă a conductoarelor

Conductoarele din circuitele electrice pot fi conectate în serie și în paralel.

Cu o conexiune în serie de conductori (Fig. 1.9.1), puterea curentului în toți conductorii este aceeași:

Eu 1 \u003d Eu 2 \u003d Eu.

Figura 1.9.1.

Conectarea în serie a conductoarelor

Conform legii lui Ohm, tensiunile U 1 și U 2 pe conductori sunt egale

U1 = IR1, U2 = IR2.

Tensiunea totală U pe ambele conductori este egală cu suma tensiunilor U 1 și U 2:

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

unde R este rezistența electrică a întregului circuit. Asta implică:

R \u003d R 1 + R 2.

Când este conectat în serie, rezistența totală a circuitului este egală cu suma rezistențelor conductoarelor individuale.

Acest rezultat este valabil pentru orice număr de conductori conectați în serie.

Cu o conexiune paralelă (Fig. 1.9.2), tensiunile U 1 și U 2 pe ambii conductori sunt aceleași:

U 1 \u003d U 2 \u003d U.

Suma curenților I 1 + I 2 care circulă prin ambii conductori este egală cu curentul dintr-un circuit neramificat:

I \u003d I 1 + I 2.

Acest rezultat rezultă din faptul că nicio sarcină nu se poate acumula în punctele de ramificare a curenților (nodurile A și B) într-un circuit DC. De exemplu, sarcina IΔt curge către nodul A în timp Δt, iar sarcina I 1 Δt + I 2 Δt curge departe de nodul A în același timp. Prin urmare, I = I 1 + I 2 .

Figura 1.9.2.

Conectarea în paralel a conductoarelor

Scrierea bazată pe legea lui Ohm

unde R este rezistența electrică a întregului circuit, obținem

Când conductoarele sunt conectate în paralel, inversul rezistenței totale a circuitului este egal cu suma reciprocelor rezistențelor conductoarelor conectate în paralel.

Acest rezultat este valabil pentru orice număr de conductori conectați în paralel.

Formulele pentru conectarea în serie și paralelă a conductoarelor permit în multe cazuri calcularea rezistenței unui circuit complex format din mai multe rezistențe. Pe fig. 1.9.3 oferă un exemplu de astfel de circuit complex și indică succesiunea calculelor.

Figura 1.9.3.

Calculul rezistenței unui circuit complex. Toate rezistențele conductorilor sunt în ohmi (Ohmi)

Trebuie remarcat faptul că nu toate circuitele complexe constând din conductori cu rezistențe diferite pot fi calculate folosind formule pentru conexiunea în serie și paralelă. Pe fig. 1.9.4 prezintă un exemplu de circuit electric care nu poate fi calculat folosind metoda de mai sus.

Figura 1.9.4.

Un exemplu de circuit electric care nu se poate reduce la o combinație de conductori în serie și paralel

curent electric DC

Condiții pentru apariția curentului.

Un curent electric este o mișcare direcționată a particulelor încărcate. Caracteristicile cantitative ale curentului sunt puterea curentului său (raportul sarcinii: transferat prin secțiunea transversală a conductorului pe unitate de timp):

și densitatea acesteia, determinată de raportul:

Unitatea de putere a curentului este amperul (1A este valoarea caracteristică a curentului consumat de încălzitoarele electrice de uz casnic).

Condițiile necesare pentru existența curentului sunt prezența purtătorilor de încărcare liberi, un circuit închis și o sursă EMF (baterie) care susține mișcarea direcțională.

Curentul electric poate exista în diverse medii: în metale, vid, gaze, soluții și topituri de electroliți, plasmă, semiconductori, țesuturi ale organismelor vii.

Când curge un curent, are loc aproape întotdeauna interacțiunea purtătorilor de sarcină cu mediul, însoțită de transferul de energie către acesta din urmă sub formă de căldură. Rolul sursei EMF este tocmai de a compensa pierderile de căldură din circuite.

Curentul electric din metale se datorează mișcării electronilor relativ liberi prin rețeaua cristalină. Motivele existenței electronilor liberi în cristalele conducătoare pot fi explicate doar în limbajul mecanicii cuantice.

Experiența arată că puterea curentului electric care circulă prin conductor este proporțională cu diferența de potențial aplicată la capete ale acestuia (legea lui Ohm). Coeficientul de proporționalitate dintre curent și tensiune, care este constant pentru conductorul selectat, se numește rezistență electrică:

Rezistența se măsoară în ohmi (rezistența corpului uman este de aproximativ 1000 ohmi). Mărimea rezistenței electrice a conductorilor crește ușor odată cu creșterea temperaturii. Acest lucru se datorează faptului că, atunci când sunt încălzite, nodurile rețelei cristaline cresc vibrațiile termice haotice, ceea ce împiedică mișcarea direcționată a electronilor. În multe probleme, toleranța directă pentru vibrațiile rețelei se dovedește a fi foarte laborioasă. Pentru a simplifica interacțiunea electronilor cu nodurile oscilante, se dovedește a fi convenabil să le înlocuim cu ciocniri cu particule de gaz ale particulelor ipotetice - fononi, ale căror proprietăți sunt alese astfel încât să se obțină o descriere cât mai apropiată de realitate și poate rezulta a fi foarte exotic. Obiectele de acest tip sunt foarte populare în fizică și sunt numite cvasiparticule. Pe lângă interacțiunile cu vibrațiile rețelei cristaline, mișcarea electronilor într-un cristal poate fi împiedicată de dislocații - încălcări ale regularității rețelei. Interacțiunile cu dislocațiile joacă un rol decisiv la temperaturi scăzute, când vibrațiile termice sunt practic absente.

Unele materiale la temperaturi scăzute își pierd complet rezistența electrică, trecând în stare supraconductoare. Curentul în astfel de medii poate exista fără niciun EMF, deoarece nu există pierderi de energie în ciocnirile electronilor cu fononii și dislocațiile. Crearea materialelor care păstrează starea supraconductoare la temperaturi relativ ridicate (camerei) și curenți scăzuti este o sarcină foarte importantă, a cărei soluție ar face o adevărată revoluție în energia modernă, deoarece. ar permite transmiterea energiei electrice pe distanțe lungi fără pierderi de căldură.

În prezent, curentul electric din metale este folosit în principal pentru a transforma energia electrică în energie termică (încălzitoare, surse de lumină) sau energie mecanică (motoare electrice). În acest din urmă caz, curentul electric este folosit ca sursă de câmpuri magnetice, interacțiunea cu care alți curenți provoacă apariția forțelor.

Curentul electric în vid este, strict vorbind, imposibil din cauza absenței sarcinilor electrice gratuite în el. Cu toate acestea, unele substanțe conductoare, atunci când sunt încălzite sau iradiate cu lumină, sunt capabile să emită electroni de la suprafața lor (emisia termică și fotoemisia), care sunt capabile să mențină un curent electric, deplasându-se de la catod la un alt electrod (pozitiv) - anodul. . Când anodului i se aplică o tensiune negativă, curentul din circuit se întrerupe. Proprietatea descrisă determină utilizarea pe scară largă a dispozitivelor de electrovacuum în dispozitivele electronice pentru redresarea curentului alternativ. Până relativ recent, dispozitivele cu electrovacuum erau utilizate pe scară largă ca amplificatoare de semnale electrice. În prezent, acestea sunt aproape complet înlocuite de dispozitive semiconductoare.

La prima vedere, curentul electric din gaze nu poate exista din cauza absenței particulelor încărcate libere (electronii din atomi și moleculele de gaze sunt ferm „legați” de nuclee prin forțe electrostatice). Cu toate acestea, la transferul unei energie de ordinul a 10 eV unui atom (energia dobândită de un electron liber la trecerea printr-o diferență de potențial de 10 V), acesta din urmă trece într-o stare ionizată (un electron părăsește nucleul pentru o perioadă arbitrară). distanță mare). În gazele la temperatura camerei, există întotdeauna o cantitate foarte mică de atomi ionizați care au apărut sub acțiunea radiației cosmice (fotoionizare). Când un astfel de gaz este plasat într-un câmp electric, particulele încărcate încep să se accelereze, transferând energia cinetică acumulată atomilor neutri și ionizându-i. Ca urmare, se dezvoltă un proces asemănător unei avalanșe de creștere a numărului de electroni și ioni liberi - are loc o descărcare electrică. Strălucirea caracteristică a descărcării este asociată cu eliberarea de energie în timpul recombinării electronilor și ionilor pozitivi. Tipurile de descărcări electrice sunt foarte diverse și depind puternic de compoziția gazului și de condițiile externe.

Plasma.

O substanță care conține un amestec de atomi neutri, electroni liberi și ioni pozitivi se numește plasmă. Plasma rezultată din descărcări electrice de curent relativ scăzut (de exemplu, în tuburile „de lumină de zi”) se caracterizează prin concentrații foarte scăzute de particule încărcate în comparație cu cele neutre (). De obicei, se numește temperatură scăzută, deoarece temperatura atomilor și ionilor este aproape de temperatura camerei. Energia medie a electronilor mult mai ușori se dovedește a fi mult mai mare. Acea. plasma la temperatură joasă este în esență un mediu deschis, neechilibrat. După cum sa menționat, procesele de auto-organizare sunt posibile în astfel de media. Un exemplu binecunoscut este generarea de radiații coerente foarte ordonate în plasma laserelor cu gaz.

De asemenea, plasma poate fi în echilibru termodinamic. Pentru existența sa este necesară o temperatură foarte ridicată (la care energia mișcării termice este comparabilă cu energia de ionizare). Astfel de temperaturi există la suprafața Soarelui, pot apărea în timpul descărcărilor electrice foarte puternice (fulger), în timpul exploziilor nucleare. O astfel de plasmă se numește fierbinte.

electricitate atmosferică.

Pământul este un conductor destul de bun de electricitate (comparativ cu aerul uscat). La o altitudine de aproximativ 50 km, radiațiile cosmice ionizante determină prezența ionosferei - un strat de gaz puternic ionizat. Măsurătorile arată că există o diferență uriașă de potențial între ionosferă și suprafața Pământului (aproximativ 5.000.000 V), iar ionosfera are o sarcină pozitivă față de Pământ. Prezența unei diferențe de potențial între Pământ și „cer” duce la apariția unui curent de densitate foarte mică (A/) chiar și într-un conductor atât de slab precum aerul. Curentul total care vine la suprafața planetei este foarte mare (aprox. A), iar puterea pe care o eliberează este comparabilă cu puterea tuturor centralelor electrice construite (W). Apar întrebări naturale despre mecanismul menținerii acestei diferențe de potențial și despre motivele pentru care prezența ei nu a fost încă folosită de oameni.

S-a stabilit acum că principalul mecanism care încarcă „cerul” în raport cu Pământul sunt furtunile. Picături de apă și cristale de gheață, care se deplasează în jos până la baza norului de tunete, colectează sarcini negative în atmosferă și, prin urmare, încarcă partea inferioară a norului de tunete cu electricitate negativă la potențiale de multe ori mai mari decât potențialul Pământului. Ca urmare, între Pământ și nor apare un câmp electric foarte mare, îndreptat în direcția opusă față de câmpul care există pe vreme fără nori. În apropierea obiectelor conductoare care ies de pe suprafața Pământului, acest câmp este încă mai puternic și este suficient pentru ionizarea gazului, care crește conform unei legi de avalanșă. Rezultatul este o descărcare electrică foarte puternică numită fulger. Contrar credinței populare, fulgerele pornesc pe Pământ și lovesc norii, nu invers.

Un câmp electric de 100 V/m, care este caracteristic vremii senine, nu poate fi folosit și nici măcar simțit, deși la o înălțime egală cu înălțimea unei persoane, în lipsa acesteia, creează o diferență de potențial de aproximativ 200 V. Motivul pentru aceasta este conductivitatea scăzută a aerului și, ca urmare, densitățile scăzute ale curenților care curg către suprafața Pământului. Introducerea unui bun conductor (o persoană) în circuitul electric, manevrarea unei coloane de aer de doi metri, practic nu schimbă rezistența totală a circuitului „cer-Pământ”, curentul în care rămâne neschimbat. Căderea de tensiune cauzată de aceasta asupra corpului uman este de aproximativ U = IR = 0,2 μV, care se află semnificativ sub pragul de sensibilitate al corpului nostru.

Curentul electric în țesuturile vii.

Rolul important al impulsurilor electrice pentru viața organismelor a fost asumat acum mai bine de 200 de ani. Acum se știe că aceste impulsuri sunt folosite pentru a asigura controlul muncii organelor și transferul de informații între ele în procesul vieții. Rolul cablurilor pentru transmiterea semnalului în cel mai complex „calculator biologic” este jucat de nervi, care se bazează pe celule înalt specializate - neuroni. Principalele funcții ale acestor celule sunt recepția, procesarea și amplificarea semnalelor electrice. Neuronii comunică între ei într-o „rețea” cu ajutorul unor excrescențe speciale alungite - axoni care acționează ca conductori. Studiile privind propagarea semnalelor electrice în axoni au fost efectuate în comun de biologi, chimiști și fizicieni în anii 30-60 ai secolului nostru și au fost unul dintre primele exemple de succes de cooperare fructuoasă între reprezentanți ai științelor naturale conexe.

După cum sa dovedit, proprietățile impulsurilor electrice care se propagă în axoni diferă semnificativ de cele familiare în electrotehnică: 1) viteza de propagare a impulsurilor de-a lungul axonului se dovedește a fi cu câteva ordine de mărime mai mică decât cele caracteristice celor metalice; 2) după trecerea unui impuls electric, există un timp „mort” în care propagarea următorului impuls este imposibilă; 3) există o valoare a tensiunii de prag (impulsurile cu o amplitudine sub prag nu se propagă); 4) cu o creștere lentă a tensiunii, chiar și până la o valoare care depășește pragul, impulsul nu este transmis de-a lungul axonului („acomodare”).

Particularitățile enumerate ale conductivității axonilor, care sunt necaracteristice pentru inginerie electrică tradițională, au fost explicate în cadrul unui mecanism electrochimic foarte specific, rolul central în care aparține membranei celulare semi-permeabile pentru ioni, care separă volumul intern al celula (și axonul său) care conține o concentrație anormal de mare de ioni K + și un nivel scăzut de Na + dintr-un mediu umplut cu soluție salină. Ca urmare a mișcării termice haotice a particulelor peste granița dintre zonele cu diferite concentrații de ioni pozitivi, apar fluxuri de difuzie (K + - din celulă, Na + - în interiorul acesteia), ale căror viteze sunt reglate de permeabilitatea membrana celulară și diferența de potențial electric de pe ambele părți ale acesteia. Modificările în permeabilitatea membranei pentru fiecare dintre ioni conduc la o modificare a numărului de particule încărcate care trec granița și, în consecință, la o modificare a potențialului electric al axonului în raport cu mediul extern. După cum au arătat experimentele, conductivitatea unei secțiuni a membranei variază în funcție de diferența de potențial aplicată acesteia. Acea. impulsul electric aplicat secțiunii axonului modifică conductivitatea membranei pentru o perioadă scurtă de timp (în funcție de proprietățile axonului), ceea ce duce la o redistribuire a sarcinilor, amplificarea impulsului și formarea marginii sale de fugă. În acest caz, axonul joacă simultan rolul de conductor și de „substații de amplificare – repetoare”, ceea ce face posibilă evitarea atenuării semnalelor transmise în organism pe distanțe suficient de mari.

Este interesant că o problemă foarte asemănătoare cu cea care a fost rezolvată prin natură, cu puțin timp înainte de descoperirea mecanismului de conducere axonului, a trebuit să fie rezolvată în ingineria radio atunci când se încerca organizarea unei conexiuni prin cablu transatlantic. Pentru a evita atenuarea și distorsiunea semnalului într-o linie lungă, cablul a trebuit să fie împărțit în legături relativ scurte, între care au fost plasate amplificatoare. Experiența dobândită de fizicieni în crearea liniilor lungi de comunicație prin cablu a facilitat foarte mult soluționarea problemei mecanismului conductivității electrice axonilor.

Bibliografie

Pentru pregătirea acestei lucrări s-au folosit materiale de pe șantier.

Pentru existența unui curent electric continuu sunt necesare prezența particulelor încărcate libere și prezența unei surse de curent. în care se realizează conversia oricărui tip de energie în energia unui câmp electric.

Sursa actuala - un dispozitiv în care orice tip de energie este convertit în energia unui câmp electric. Într-o sursă de curent, forțele externe acționează asupra particulelor încărcate într-un circuit închis. Motivele apariției forțelor externe în diverse surse de curent sunt diferite. De exemplu, în baterii și celule galvanice, forțele externe apar din cauza fluxului de reacții chimice, în generatoarele de centrale electrice ele apar atunci când un conductor se mișcă într-un câmp magnetic, în fotocelule - când lumina acționează asupra electronilor din metale și semiconductori.

Forța electromotoare a sursei de curent numit raportul dintre munca forțelor exterioare și valoarea sarcinii pozitive transferate de la polul negativ al sursei de curent către cel pozitiv.

Noțiuni de bază.

Puterea curentă - o mărime fizică scalară egală cu raportul dintre sarcina care a trecut prin conductor și timpul în care a trecut această sarcină.

Unde eu - puterea curentului, q - cantitatea de încărcare (cantitatea de electricitate), t - taxa de timp de tranzit.

densitatea curentă - mărime fizică vectorială egală cu raportul dintre puterea curentului și aria secțiunii transversale a conductorului.

Unde j -densitatea curentă, S - aria secțiunii transversale a conductorului.

Direcția vectorului de densitate de curent coincide cu direcția de mișcare a particulelor încărcate pozitiv.

Voltaj - mărime fizică scalară egală cu raportul dintre munca totală a lui Coulomb și forțele externe la mutarea unei sarcini pozitive în zonă la valoarea acestei sarcini.

Unde A - munca completă a forțelor terțe și Coulomb, q - incarcare electrica.

Rezistență electrică - o mărime fizică care caracterizează proprietățile electrice ale unei secțiuni de circuit.

Unde ρ - rezistenta specifica a conductorului, l - lungimea secțiunii conductorului, S - aria secțiunii transversale a conductorului.

Conductivitate este reciproca rezistenței

Unde G - conductivitate.

legile lui Ohm.

Legea lui Ohm pentru o secțiune omogenă a unui lanț.

Puterea curentului într-o secțiune omogenă a circuitului este direct proporțională cu tensiunea la o rezistență de secțiune constantă și invers proporțională cu rezistența de secțiune la o tensiune constantă.

Unde U - tensiune în zonă R - rezistenta sectiunii.

Legea lui Ohm pentru o secțiune arbitrară a circuitului care conține o sursă de curent continuu.

Unde φ 1 - φ 2 + ε = U tensiune într-o secțiune dată a circuitului,R - rezistența electrică a unei secțiuni date a circuitului.

Legea lui Ohm pentru un circuit complet.

Puterea curentului într-un circuit complet este egală cu raportul dintre forța electromotoare a sursei și suma rezistențelor secțiunilor externe și interne ale circuitului.

Unde R - rezistența electrică a secțiunii exterioare a circuitului, r - rezistenta electrica a sectiunii interne a circuitului.

Scurt circuit.

Din legea lui Ohm pentru un circuit complet rezultă că puterea curentului într-un circuit cu o sursă de curent dată depinde numai de rezistența circuitului extern. R.

Dacă la polii sursei de curent este conectat un conductor cu rezistenţă R<< r, atunci numai EMF-ul sursei de curent și rezistența acesteia vor determina valoarea curentului din circuit. Această valoare a intensității curentului va fi limita pentru această sursă de curent și se numește curent de scurtcircuit.

Forta electromotoare. Orice sursă de curent este caracterizată de forță electromotoare sau, pe scurt, EMF. Deci, pe o baterie rotundă pentru o lanternă scrie: 1,5 V. Ce înseamnă asta? Conectați două bile metalice care poartă sarcini de semne opuse cu un conductor. Sub influența câmpului electric al acestor sarcini, în conductor apare un curent electric ( fig.15.7). Dar acest curent va fi de foarte scurtă durată. Sarcinile se neutralizează rapid unele pe altele, potențialele bilelor devin aceleași, iar câmpul electric dispare.

Forțe terțe. Pentru ca curentul să fie constant, este necesar să se mențină o tensiune constantă între bile. Acest lucru necesită un dispozitiv sursa actuala), care ar muta sarcinile de la o bilă la alta în direcția opusă direcției forțelor care acționează asupra acestor sarcini din câmpul electric al bilelor. Într-un astfel de dispozitiv, pe lângă forțele electrice, sarcinile trebuie să fie afectate de forțe de origine neelectrostatică ( fig.15.8). Un singur câmp electric de particule încărcate ( Coulomb camp) nu este capabil să mențină un curent constant în circuit.

Orice forță care acționează asupra particulelor încărcate electric, cu excepția forțelor de origine electrostatică (adică, Coulomb), se numesc forțe exterioare. Concluzia despre necesitatea forțelor externe pentru a menține un curent constant în circuit va deveni și mai evidentă dacă ne întoarcem la legea conservării energiei. Câmpul electrostatic este potențial. Lucrul acestui câmp atunci când se deplasează particulele încărcate în el de-a lungul unui circuit electric închis este zero. Trecerea curentului prin conductori este însoțită de eliberarea de energie - conductorul se încălzește. Prin urmare, trebuie să existe o sursă de energie în circuit care o furnizează circuitului. În ea, pe lângă forțele Coulomb, trebuie să acționeze în mod necesar forțe terțe, nepotențiale. Lucrul acestor forțe de-a lungul unui contur închis trebuie să fie diferit de zero. În procesul de a lucra prin aceste forțe, particulele încărcate dobândesc energie în interiorul sursei de curent și apoi o dau conductoarelor circuitului electric. Forțele terțe pun în mișcare particulele încărcate în interiorul tuturor surselor de curent: în generatoare de la centralele electrice, în celule galvanice, baterii etc. Când un circuit este închis, se creează un câmp electric în toți conductorii circuitului. În interiorul sursei de curent, sarcinile se deplasează sub influența forțe externe vs forțe Coulomb(electroni de la un electrod încărcat pozitiv la unul negativ), iar în circuitul extern sunt puși în mișcare de un câmp electric (vezi Fig. fig.15.8). Natura forțelor străine. Natura forțelor exterioare poate fi variată. În generatoarele de centrale electrice, forțele externe sunt forțe care acționează din câmpul magnetic asupra electronilor dintr-un conductor în mișcare. Într-o celulă galvanică, de exemplu, celula Volta, acționează forțele chimice. Elementul Volta este format din electrozi de zinc și cupru plasați într-o soluție de acid sulfuric. Forțele chimice fac ca zincul să se dizolve în acid. Ionii de zinc încărcați pozitiv trec în soluție, iar electrodul de zinc însuși devine încărcat negativ. (Cupru se dizolvă foarte puțin în acid sulfuric.) Între electrozii de zinc și de cupru apare o diferență de potențial, care determină curentul într-un circuit electric închis. Forta electromotoare. Acţiunea forţelor exterioare se caracterizează printr-o mărime fizică importantă numită forta electromotoare(abreviat EMF). Forța electromotoare a sursei de curent este egală cu raportul dintre lucrul forțelor externe atunci când se deplasează sarcina de-a lungul unui circuit închis la valoarea acestui încărca:

Forța electromotoare, ca și tensiunea, este exprimată în volți. Putem vorbi și despre forța electromotoare în orice parte a circuitului. Aceasta este munca specifică a forțelor externe (lucrarea de a muta o sarcină unitară) nu în întregul circuit, ci numai în această zonă. Forța electromotoare a unei celule galvanice este o valoare egală numeric cu munca forțelor externe la mutarea unei sarcini pozitive unitare în interiorul elementului de la un pol la altul. Lucrarea forțelor externe nu poate fi exprimată în termeni de diferență de potențial, deoarece forțele externe sunt nepotențiale și munca lor depinde de forma traiectoriei sarcinii. Deci, de exemplu, munca forțelor externe atunci când se deplasează o sarcină între bornele unei surse de curent în afara sursei în sine este egală cu zero. Acum știi ce este EMF. Dacă pe baterie este scris 1,5 V, atunci aceasta înseamnă că forțele terțe (chimice în acest caz) fac 1,5 J de lucru atunci când mută o încărcare de 1 C de la un pol al bateriei la altul. Curentul continuu nu poate exista într-un circuit închis dacă forțele externe nu acționează în el, adică nu există EMF.

CONECTAREA CONDUCTOARELOR IN PARALELA SI SERIE

Să includem în circuitul electric ca sarcină (consumatori de curent) două lămpi cu incandescență, fiecare dintre ele având o anumită rezistență și fiecare dintre acestea putând fi înlocuită cu un conductor cu aceeași rezistență.

CONECTARE SERIALĂ

Calculul parametrilor circuitului electric cu o conexiune în serie de rezistențe:

1. puterea curentului în toate secțiunile conectate în serie ale circuitului este aceeași 2. tensiunea dintr-un circuit format din mai multe secțiuni conectate în serie este egală cu suma tensiunilor din fiecare secțiune 3. rezistența unui circuit format din mai multe secțiuni conectate în serie este egală cu suma rezistențelor fiecărei secțiuni

4. lucrul unui curent electric într-un circuit format din secțiuni conectate în serie este egal cu suma lucrului în secțiuni individuale

A \u003d A1 + A2 5. puterea curentului electric într-un circuit format din secțiuni conectate în serie este egală cu suma puterilor din secțiunile individuale

CONECTARE PARALELĂ

Calculul parametrilor circuitului electric cu o conexiune paralelă a rezistențelor:

1. puterea curentului într-o secțiune neramificată a circuitului este egală cu suma intensităților curentului din toate secțiunile conectate în paralel

3. când rezistențele sunt conectate în paralel, se adaugă valorile care sunt inverse rezistenței:

(R - rezistența conductorului, 1/R - conductivitatea electrică a conductorului)

Dacă doar două rezistențe sunt conectate în paralel într-un circuit, atunci despre:

(atunci când este conectat în paralel, rezistența totală a circuitului este mai mică decât cea mai mică dintre rezistențele incluse)

4. Lucrarea unui curent electric într-un circuit format din secțiuni conectate în paralel este egală cu suma lucrului în secțiuni individuale: A=A1+A2 5. Puterea curentului electric într-un circuit format din secțiuni conectate în paralel este egală cu suma puterilor din secțiunile individuale: P=P1+P2

Pentru două rezistențe: i.e. cu cât rezistența este mai mare, cu atât are mai puțin curent.

Legea Joule-Lenz este o lege fizică care vă permite să determinați efectul termic al curentului din circuit, conform acestei legi: , unde I este curentul din circuit, R este rezistența, t este timpul. Această formulă a fost calculată prin crearea unui circuit: o celulă galvanică (baterie), un rezistor și un ampermetru. Rezistorul a fost scufundat într-un lichid, în care a fost introdus un termometru și a fost măsurată temperatura. Așa și-au dedus legea și s-au întipărit pentru totdeauna în istorie, dar chiar și fără experimentele lor a fost posibil să deducă aceeași lege:

U=A/q A=U*q=U*I*t=I^2*R*t dar în ciuda acestei onoare și laude pentru acești oameni.

Legea lui Joule Lenz determină cantitatea de căldură eliberată într-o secțiune a unui circuit electric cu rezistență finită atunci când curentul trece prin acesta. O condiție prealabilă este faptul că nu ar trebui să existe transformări chimice în această secțiune a lanțului.

LUCRARE DE CURENTUL ELECTRIC

Lucrarea unui curent electric arată cât de multă muncă a fost efectuată de un câmp electric la mutarea sarcinilor printr-un conductor.

Cunoscând două formule: I \u003d q / t ..... și ..... U \u003d A / q, puteți obține o formulă pentru calcularea muncii unui curent electric: Lucrul unui curent electric este egal cu produsul dintre puterea curentului și tensiunea și timpul în care curentul curge în circuit.

Unitatea de măsură pentru lucrul curentului electric în sistemul SI: [ A ] \u003d 1 J \u003d 1A. b. c

ÎNVĂȚĂ, MERGI! Când se calculează funcționarea unui curent electric, se utilizează adesea o unitate multiplă de lucru în afara sistemului: 1 kWh (kilowatt-oră).

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

În fiecare apartament, pentru a contabiliza energia electrică consumată, sunt instalate contoare speciale de energie electrică, care arată funcționarea curentului electric, finalizată într-o anumită perioadă de timp când sunt pornite diverse aparate electrocasnice. Aceste contoare arată modul de lucru al curentului electric (consumul de energie electrică) în „kWh”.

Trebuie să înveți cum să calculezi costul energiei electrice consumate! Înțelegem cu atenție soluția problemei de la pagina 122 a manualului (paragraful 52)!

CURENTUL ELECTRIC

Puterea curentului electric arată munca curentului efectuat pe unitatea de timp și este egală cu raportul dintre munca efectuată și timpul în care a fost efectuată această muncă.

(puterea în mecanică este de obicei indicată prin literă N, în electrotehnică - prin lit R) deoarece A = IUt, atunci puterea curentului electric este egală cu:

Unitatea de măsură a puterii curentului electric în sistemul SI:

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

legile lui Kirchhoff – reguli care arată modul în care curenții și tensiunile sunt legate în circuitele electrice. Aceste reguli au fost formulate de Gustav Kirchhoff în 1845. În literatură, ele sunt adesea numite legile lui Kirchhoff, dar acest lucru nu este adevărat, deoarece nu sunt legi ale naturii, ci au fost derivate din a treia ecuație a lui Maxwell cu un câmp magnetic constant. Dar totuși, prenumele le este mai familiar, de aceea le vom numi, așa cum este obișnuit în literatură - legile lui Kirchhoff.

Prima lege a lui Kirchhoff – suma curenților care converg în nod este egală cu zero.

Să ne dăm seama. Un nod este un punct care leagă ramuri. O ramură este o secțiune a unui lanț între noduri. Figura arată că curentul i intră în nod, iar curenții i 1 și i 2 părăsesc nodul. Compunem o expresie conform primei legi Kirchhoff, în condițiile în care curenții care intră în nod au semnul plus, iar curenții care emană din nod au semnul minus i-i 1 -i 2 =0. Curentul i, așa cum spune, se răspândește în doi curenți mai mici și este egal cu suma curenților i 1 și i 2 i=i 1 +i 2. Dar dacă, de exemplu, curentul i 2 a intrat în nod, atunci curentul I ar fi definit ca i=i 1 -i 2 . Este important să țineți cont de semne atunci când compilați o ecuație.

Prima lege a lui Kirchhoff este o consecință a legii conservării energiei electrice: sarcina care vine la nod într-o anumită perioadă de timp este egală cu sarcina care părăsește nodul în același interval de timp, i.e. sarcina electrică din nod nu se acumulează și nu dispare.

A doua lege a lui Kirchhoff – suma algebrică a FEM care acționează într-un circuit închis este egală cu suma algebrică a căderilor de tensiune din acest circuit.

Tensiunea este exprimată ca produsul dintre curent și rezistență (conform legii lui Ohm).

Această lege are și propriile reguli de aplicare. Mai întâi trebuie să setați direcția ocolirii conturului cu o săgeată. Apoi suma EMF și respectiv tensiunea, luând cu semnul plus dacă valoarea coincide cu direcția de bypass și minus dacă nu. Să facem o ecuație conform celei de-a doua legi a lui Kirchhoff, pentru schema noastră. Ne uităm la săgeata noastră, E 2 și E 3 coincid cu ea în direcție, ceea ce înseamnă un semn plus, iar E 1 este îndreptată în direcția opusă, ceea ce înseamnă un semn minus. Acum ne uităm la tensiuni, curentul I 1 coincide în direcția cu săgeata, iar curenții I 2 și I 3 sunt direcționați opus. Prin urmare:

-E 1 +E 2 +E 3 =I 1 R 1 -Eu 2 R 2 -Eu 3 R 3

Pe baza legilor lui Kirchhoff, au fost elaborate metode de analiză a circuitelor de curent alternativ sinusoidal. Metoda curentului de buclă este o metodă bazată pe aplicarea celei de-a doua legi Kirchhoff și metoda potențialelor nodale bazată pe aplicarea primei legi Kirchhoff.

Condiții pentru apariția curentului.

și densitatea acesteia, determinată de raportul:

Unitatea de putere a curentului este amperul (1A este valoarea caracteristică a curentului consumat de încălzitoarele electrice de uz casnic).

Condițiile necesare pentru existența curentului sunt prezența purtătorilor de încărcare liberi, un circuit închis și o sursă EMF (baterie) care susține mișcarea direcțională.

Curentul electric poate exista în diverse medii: în metale, vid, gaze, soluții și topituri de electroliți, plasmă, semiconductori, țesuturi ale organismelor vii.

Plasma.

). De obicei, se numește temperatură scăzută, deoarece temperatura atomilor și ionilor este aproape de temperatura camerei. Energia medie a electronilor mult mai ușori se dovedește a fi mult mai mare. Acea. plasma la temperatură joasă este în esență un mediu deschis, neechilibrat. După cum sa menționat, procesele de auto-organizare sunt posibile în astfel de media. Un exemplu binecunoscut este generarea de radiații coerente foarte ordonate în plasma laserelor cu gaz.

electricitate atmosferică.

A/) chiar și într-un conductor atât de slab ca aerul. Curentul total care vine la suprafața planetei este foarte mare (aprox. A), iar puterea pe care o eliberează este comparabilă cu puterea tuturor centralelor electrice construite (W). Apar întrebări naturale despre mecanismul menținerii acestei diferențe de potențial și despre motivele pentru care prezența ei nu a fost încă folosită de oameni.

Curentul electric în țesuturile vii.