Un curent electric constant în circuit este cauzat de un câmp electrostatic staționar (câmp Coulomb), care trebuie susținut de o sursă de curent care creează o diferență de potențial constantă la capetele circuitului extern. Deoarece curentul din conductor transportă o anumită energie, care este eliberată, de exemplu, sub forma unei anumite cantități de căldură, este necesar să se transforme continuu o anumită energie în energie electrică. Cu alte cuvinte, pe lângă forțele Coulomb ale unui câmp electrostatic staționar, asupra sarcinilor trebuie să acționeze și alte forțe, de natură neelectrostatică - forțe externe.
Orice forță care acționează asupra particulelor încărcate electric, cu excepția forțelor de origine electrostatică (adică, Coulomb), se numesc forțe externe.
Natura (sau originea) forțelor externe poate fi diferită: de exemplu, în celulele galvanice și baterii, acestea sunt forțe chimice, în generatoare, aceasta este forța Lorentz sau forțele din vortex câmp electric.
În interiorul sursei de curent, din cauza forțelor externe, sarcinile electrice se deplasează în direcția opusă acțiunii forțelor câmpului electrostatic, adică. Forțele Coulomb. Din acest motiv, la capetele circuitului extern se menține o diferență de potențial constantă. Forțele externe nu acționează în circuitul extern.
Muncă curent electricîntr-un circuit electric închis se realizează datorită energiei sursei, adică. datorită acțiunii forțelor terțe, tk. câmpul electrostatic este potențial. Lucrul acestui câmp în deplasarea particulelor încărcate de-a lungul unui circuit electric închis este zero.
Caracteristica cantitativă a forţelor externe (sursa de curent) este forta electromotoare(EMF).
Forța electromotoare e se numește cantitate fizica, numeric egal cu raportul dintre lucrul λd^ al forțelor externe pentru a muta sarcina ^ de-a lungul lanțului la valoarea acestei sarcini:
Forța electromotoare este exprimată în volți (1 V = 1 J/C). EMF este munca specifică a forțelor externe într-o zonă dată, adică munca de mutare a unei încărcături unitare. De exemplu, EMF-ul unei celule galvanice este de 4,5 V. Aceasta înseamnă că forțele externe (chimice) efectuează un lucru de 4,5 J atunci când mută o sarcină de 1 C în interiorul elementului de la un pol la altul.
Forța electromotoare este o mărime scalară care poate fi pozitivă sau negativă. Semnul EMF depinde de direcția curentului din circuit și de alegerea direcției de ocolire a circuitului.
Forțele externe nu sunt potențiale (lucrarea lor depinde de forma traiectoriei) și, prin urmare, munca forțelor externe nu poate fi exprimată în termenii diferenței de potențial dintre două puncte. Lucrarea unui curent electric în deplasarea unei sarcini de-a lungul unui conductor este efectuată de Coulomb și forțe externe, deci lucrul total A este egal cu:
O mărime fizică egală numeric cu raportul dintre munca efectuată de un câmp electric atunci când se deplasează un pozitiv
sarcina de la un punct la altul, la valoarea sarcinii q, se numește tensiunea V între aceste puncte:
U=Acool/q+Ast/q
Dat fiind
Rechin/q=f1-f2=-Df
acestea. diferența de potențial dintre două puncte ale unui câmp electrostatic staționar, unde φ1 și φ2 sunt potențialele punctelor inițiale și finale ale traiectoriei sarcinii și
Ast/q=e avem:
În cazul unui câmp electrostatic, atunci când nu se aplică niciun EMF pe secțiune (e \u003d 0), tensiunea dintre două puncte este egală cu diferența de potențial:
Unitatea SI a tensiunii este voltul (V), V = J/C. Tensiunea este măsurată cu un voltmetru, care este conectat în paralel cu acele părți ale circuitului în care se măsoară tensiunea.
Acum EMF și tensiunea sunt percepute de mulți ca concepte identice, în care, dacă sunt furnizate unele caracteristici distinctive, sunt atât de nesemnificative încât cu greu merită atenția ta.
Pe de o parte, această stare de fapt are loc, deoarece acele aspecte care disting aceste două concepte unul de celălalt sunt atât de nesemnificative încât chiar și utilizatorii mai mult sau mai puțin experimentați este puțin probabil să le observe. Cu toate acestea, acestea sunt totuși prevăzute și, de asemenea, este imposibil să spunem că EMF și tensiunea sunt exact aceleași.
Ce este EMF și de ce este adesea confundat cu tensiunea?
EMF, sau forța electromotoare, așa cum este numită în mod obișnuit în multe manuale, este o mărime fizică care caracterizează activitatea oricăror forțe externe prezente în sursele de curent continuu sau alternativ.
Dacă vorbim despre un circuit conductor închis, atunci trebuie remarcat că, în cazul acestuia, EMF va fi egal cu munca forțelor pentru a muta o singură sarcină pozitivă de-a lungul circuitului de mai sus. Ele confundă forța electromotoare și tensiunea - dintr-un motiv. După cum știți, aceste două concepte, astăzi, măsurată în volți. În același timp, putem vorbi despre EMF în orice parte a țintei, deoarece de fapt este vorba despre munca specifică a forțelor externe care nu acționează în întregul circuit, ci doar într-o anumită zonă.
O atenție specială din partea ta merită faptul că la EMF al unei celule galvanice, este prevăzută munca forțelor externe, care lucrează în timpul deplasării unei singure sarcini pozitive de la un pol la altul complet diferit. Lucrarea acestor forțe externe depinde direct de forma traiectoriei, dar nu poate fi exprimată în termeni de diferență de potențial. Acesta din urmă se datorează faptului că forțele externe nu sunt potențiale. În ciuda faptului că tensiunea este unul dintre conceptele cele mai simple, mulți consumatori nu înțeleg pe deplin ce este. Dacă nu înțelegeți acest lucru, atunci considerăm că este necesar să vă dăm câteva exemple.
Să luăm pentru claritate un rezervor obișnuit de apă. Dintr-un astfel de rezervor, va trebui să iasă o țeavă obișnuită. Deci, înălțimea coloanei de apă sau presiunea, în cuvinte simpleși va reprezenta tensiune, în timp ce debitul apei va fi curent electric. Având în vedere cele de mai sus, cu cât este furnizată mai multă apă în rezervor, cu atât presiunea și respectiv tensiunea acestuia sunt mai mari.
Principalele diferențe dintre EMF și tensiune
Forța electromotoare se numește tensiune, care, conform definiției sale, este raportul dintre munca forțelor externe privind transferul unei sarcini pozitive direct la mărimea acestei sarcini. Tensiunea, la rândul său, este considerată a fi raportul de lucru al câmpului electric, în ceea ce privește transferul așa-numitei sarcini electrice. Deci, de exemplu, dacă mașina dvs. are o baterie, atunci EMF va fi întotdeauna de 13 volți. Ei bine, dacă conectați și un voltmetru la dispozitivul menționat mai sus cu farurile aprinse - un dispozitiv conceput pentru a măsura tensiunea, atunci ultimul indicator se va dovedi a fi mult mai mic de 13 wați. Această tendință, poate oarecum ciudată, se datorează faptului că în acumulator, ca forțe externe, este acțiunea reactie chimica. În același timp, mașina are și un generator, care, în timp ce motorul funcționează, produce un curent electric simplu. 
Având în vedere cele de mai sus, putem vorbi despre principal trăsături distinctive EMF și tensiune:
- EMF va depinde de sursa însăși. Ei bine, dacă vorbim despre tensiune, atunci indicatorul său depinde direct de ce conexiune este și de ce curent circulă în prezent prin circuit.
- EMF este o mărime fizică necesară pentru a caracteriza munca forțelor non-Coulomb, iar tensiunea caracterizează lucrul curentului, în ceea ce privește mișcarea ultimei sarcini.
- Aceste concepte sunt, de asemenea, diferite deoarece forța electromotoare este destinată inducției magnetice, în timp ce tensiunea este folosită cel mai adesea în raport cu curentul continuu.
5.3. Forța electromotoare (emf), tensiunea și diferența de potențial. sensul lor fizic. Relația dintre fem, tensiune și diferența de potențial
O mărime fizică egală cu munca forțelor externe pentru a muta o sarcină unitară pozitivă de-a lungul întregului circuit, inclusiv sursa de curent, se numește forta electromotoare sursa de curent (EMF):
. (5.15)
Lucrul forțelor externe de-a lungul unui circuit închis
,
(5.16)
unde E * este intensitatea câmpului forțelor externe.
.
(5.17)
Când sarcinile se mișcă într-un conductor, pe lângă forțele externe, ele sunt afectate de forțele câmpului electrostatic ( 
). Prin urmare, în orice punct al lanțului, sarcina q este afectată de forța rezultată:
Munca efectuată de această forță în secțiunea 1 - 2,
(5.19)
O mărime fizică egală numeric cu munca forțelor externe și electrice pentru a muta o sarcină unitară pozitivă într-o anumită secțiune a circuitului se numește cădere de tensiune sau tensiune într-o anumită secțiune a circuitului:
.
(5.20)
Dacă nu există EMF în secțiunea circuitului ( 
), apoi
.
(5.21)
Când 1 - 2 = 0,
. (5.22)
, U, ( 1 - 2) sunt măsurate în sistemul SI în volți (1 V).
Curs 6. Teoria electronică clasică a conductivității metalelor. Legile DC
Teoria electronică clasică a conductivității electrice a metalelor și justificările sale experimentale. Legea lui Ohm în forme diferențiale și integrale.Rezistența electrică a conductorilor. Modificarea rezistenței conductoarelor de la temperatură și presiune. Supraconductivitate. Conexiuni de rezistență: serie, paralelă, mixtă. Manevrarea instrumentelor electrice de masura. Rezistență suplimentară la instrumentele electrice de măsură. Regulile (legile) lui Kirchhoff și aplicarea lor la calculul celor mai simple circuite electrice. Legea Joule-Lenz în forme diferențiale și integrale. Energia eliberată în circuit curent continuu. Coeficientul de performanță (COP) al unei surse de curent continuu.
6.1. Teoria electronică clasică a conductivității electrice a metalelor și justificările sale experimentale. Legea lui Ohm în forme diferențiale și integrale
Teoria electronică clasică a conductivității metalelor explică diferitele proprietăți electrice ale substanțelor prin existența și mișcarea în ele a așa-numiților electroni de conducție cvasi-liberi. Electronii de conducere sunt considerați ca un gaz de electroni similar gazului ideal al fizicii moleculare.
Înainte de descoperirea electronilor, s-a demonstrat experimental că trecerea curentului în metale, spre deosebire de curentul din electroliții lichizi, nu este legată de transferul de materie metalică. Experiența a fost că prin contactul a două metale diferite, precum aurul și argintul, pentru un timp calculat în multe luni, a fost trecut un curent electric. După aceea, a fost studiat materialul de lângă contacte. S-a demonstrat că nu se observă niciun transfer de materie peste interfața dintre diferite metale, iar substanța de pe diferite părți ale interfeței are aceeași compoziție ca înainte de trecerea curentului. Experimentele au demonstrat că atomii și moleculele metalelor nu participă la transferul curentului electric, dar nu au răspuns la întrebarea despre natura purtătorilor de sarcină din metale.
Dovada directă că curentul electric din metale se datorează mișcării electronilor au fost experimentele lui Tolman și Steward, efectuate în 1916. Ideea acestor experimente a fost prezentată de Mandelstam și Papaleksi în 1913.
Imaginați-vă o bobină conducătoare care se poate roti în jurul axei sale. Capetele bobinei sunt conectate la galvanometru prin intermediul unor contacte culisante. Dacă bobina, care se află în rotație rapidă, este frânată brusc, atunci electronii liberi din fir continuă să se miște prin inerție, drept urmare galvanometrul trebuie să înregistreze un impuls de curent.
Să notăm accelerația liniară a bobinei în timpul frânării - A. Este direcționat tangențial la suprafața bobinei. Cu înfășurare suficient de densă și fire subțiri, putem presupune că accelerația este direcționată de-a lungul firelor. Când bobina decelerează, fiecărui electron liber se aplică o forță de inerție Fîn = m e A, care este opusă accelerației. Sub acțiunea sa, electronul se comportă în metal ca și cum ar fi acționat asupra unui câmp electric efectiv cu putere
.
6.1)
Prin urmare, forța electromotoare efectivă din bobină, datorită inerției electronilor liberi,
,
(6.2)
unde L este lungimea firului de pe bobină.
Toate punctele firului sunt decelerate cu aceeași accelerație și, prin urmare, accelerația este scoasă din semnul integral.
Ținând cont de formula (6.2), scriem legea lui Ohm pentru un circuit închis sub forma
,
(6.3)
unde I este puterea curentului într-un circuit închis;
R este rezistența întregului circuit, inclusiv rezistența firelor bobinei, firele circuitului extern și galvanometrul.
Cantitatea de electricitate care curge prin secțiunea transversală a conductorului în timpul dt la o putere a curentului I,
.
(6.4)
Prin urmare, în timpul timpului de frânare al bobinei de la viteza liniară inițială v o până la oprirea completă, cantitatea de electricitate va trece prin galvanometru.
.
(6.5)
Valoarea lui q este determinată de un galvanometru, iar valorile lui L, R, v o sunt cunoscute. Prin urmare, atât semnul cât și valoarea absolută a lui e/m e pot fi găsite. Experimentele au arătat că e/m e corespunde raportului dintre sarcina electronului și masa sa. Astfel, s-a dovedit că curentul observat cu un galvanometru se datorează mișcării electronilor.
În absența unui câmp electric în conductori, electronii de conducere se mișcă aleatoriu, în direcții arbitrare, cu viteze determinate de temperatură, adică. cu așa-numita viteză termică u.
După o anumită perioadă de timp t = , mișcându-se în linie dreaptă, electronul de conducere poate interacționa cu ionul rețea cristalină sau cu un alt electron de conducere. Ca urmare a unei astfel de interacțiuni, care este considerată absolut elastică în teoria clasică a conductivității, impulsul și energia totală sunt conservate, iar mărimea și direcția vitezei de mișcare se pot schimba. Cazul limitativ este atunci când, după un timp egal cu (timp de drum liber), direcția vitezei mișcării termice a electronului de conducere se schimbă în sens opus. Timpul de drum liber depinde de natura substanței și cu cât mai puține, cu atât interacțiunile apar mai des. Între ciocniri (interacțiuni) cu viteza u Nimic nu se intampla.
P 
la aplicarea unui câmp electric cu o putere E sub influența forței F= e E electronii de conducere capătă o oarecare accelerație A iar mișcarea dirijată cu schimbarea vitezei de la v o = 0 la v = v max în timpul t = .
Modificarea vitezei mișcării direcționate a electronului de conducere are loc înainte de interacțiunea acestuia (Fig. 6.1). Ca rezultat al interacțiunii, această viteză se poate schimba, de asemenea, atât în magnitudine, cât și în direcție.
Dacă există n electroni de conducere pe unitatea de volum a conductorului, care la un moment dat au o viteză v, atunci se poate determina sarcina care a trecut printr-o zonă S, situată perpendicular pe direcția vitezei electronilor de conducere:
,
(6.6)
Unde
Rezistența (valoarea) curentului în conductor în acest caz
. (6.7)
Densitatea curentului de conducere
.
(6.8)
În formă vectorială
.
(6.9)
Conform (6.8), pentru a determina densitatea curentului electric într-un conductor, este necesar să se determine viteza medie a mișcării ordonate a electronilor de conducție.
Viteza medie a mișcării ordonate în acest caz poate fi determinată prin formulă
,
(6.10)
deoarece la momentul iniţial t=0, când nu există câmp electric, v o =0.
Viteza maximă a mișcării ordonate pe care o dobândește un electron sub influența unui câmp electric în timpul drumului său liber,
,
unde a este accelerația dobândită de un electron de conducere sub acțiunea unui câmp electric;
este timpul de parcurs al electronului de conducere de la interacțiune la interacțiune.
Pe baza celei de-a doua legi a lui Newton F = ma, unde F este forța Coulomb,
;
;
.
(6.11)
Pentru viteza medie a mișcării ordonate a electronilor de conducție, obținem
.
(6.12)
Cunoscând viteza medie a mișcării termice a electronilor de conducere și distanța medie parcursă de aceștia de la interacțiune la interacțiune, este posibil să se determine timpul dintre două interacțiuni ulterioare:
. (6.13)
Făcând înlocuirea și transformările necesare, pentru densitatea curentului de conducere vom avea
, (6.14)
Unde 
- conductivitatea electrică specifică a metalului conductor.
În formă vectorială
.
(6.15)
Expresiile (6.14) și (6.15) sunt forma matematică de scriere a legii lui Ohm în formă diferențială.
Legea lui Ohm sub formă diferențială este valabilă pentru orice conductor, orice curent, caracterizează densitatea curentului de conducție în orice punct al conductorului.
Din legea lui Ohm în formă diferențială, se poate obține legea lui Ohm în formă integrală pentru un circuit închis (sau complet). Pentru care înmulțim expresia (6.15) cu valoarea secțiunii elementare a lanțului dl:
,
Unde 
;
;
.
Astfel, avem
;
.
(6.16)
Integrând expresia (6.16) peste conturul închis L, obținem
,
(6.17)
Unde 
- rezistenta sectiunilor externe si interne ale circuitului;
-EMF care actioneaza in circuit inchis, numeric egal cu circulatia vectorului intensitatii campului fortelor externe;
este diferența de potențial dintre cele două puncte considerate ale circuitului închis.
Pentru circuit închis
( 1
- 2)
= 0;
.
Astfel, avem
sau 
,
(6.18)
unde R 1 este rezistența secțiunii exterioare a circuitului;
r este rezistența internă a sursei de curent.
Din formula (6.18)
.
(6.19)
Prin urmare, EMF echilibrează căderea de tensiune în circuitele externe și interne și asigură astfel mișcarea continuă a electronilor de conducție.
Dacă circuitul nu este închis și nu există EMF în el, atunci
, A 
.
(6.20)
Expresiile (6.18) și (6.20) sunt forma matematică a legii lui Ohm, respectiv, pentru un circuit complet (închis) și, respectiv, o secțiune a circuitului care a fost descoperită de el experimental. Curentul din circuit este direct proporțional cu EMF (tensiunea în secțiunea circuitului) și invers proporțional cu rezistența circuitului.
Care este diferența EMF(forța electromotoare) din Voltaj? Să aruncăm o privire la un exemplu concret. Luăm o baterie pe care scrie 1,5 volți. Conectam un voltmetru la el, așa cum se arată în Figura 1, pentru a verifica dacă bateria este într-adevăr bună.
Poza 1
Voltmetrul indică 1,5 V. Aceasta înseamnă că bateria funcționează. Îl conectăm la un bec mic. Becul se aprinde. Acum conectăm un voltmetru în paralel cu becul pentru a verifica dacă becul are într-adevăr 1,5 V. Rezultă circuitul prezentat în Figura 2.
Figura 2
Și apoi se dovedește că voltmetrul arată, de exemplu, 1 V. Unde sunt cheltuiți 0,5 V (care este diferența dintre 1,5 V și 1 V)?
Faptul este că orice sursă de alimentare reală are rezistență internă (notată cu litera r). În multe cazuri, reduce caracteristicile surselor de alimentare, dar este imposibil să se fabrice o sursă de alimentare fără rezistență internă. Prin urmare, bateria noastră poate fi considerată o sursă de energie ideală și un rezistor a cărui rezistență corespunde rezistenței interne a bateriei (Figura 3).
Figura 3
Deci, EMF din acest exemplu este de 1,5 V, tensiunea de alimentare este de 1 V, iar diferența de 0,5 V a fost disipată de rezistență internă sursa de putere.
EMF este numărul maxim de volți pe care sursa de alimentare îl poate furniza circuitului. Aceasta este o valoare constantă pentru o sursă de alimentare bună. DAR tensiunea de alimentare depinde de ceea ce este conectat la el. ( Aici vorbim doar despre acele tipuri de surse alimentare care sunt studiate ca parte a curriculum-ului școlar.).
În exemplul nostru, un bec cu rezistență R iar rezistența sunt conectate în serie, astfel încât curentul din circuit poate fi găsit prin formula
Și atunci tensiunea de pe bec este
Se pare ca mai multa rezistenta becuri, cu cât are mai mulți volți și cu atât se irosește mai puțină volți în baterie. Acest lucru se aplică nu numai becurilor și bateriilor, ci și oricărui circuit format dintr-o sursă de alimentare și o sarcină. Cu cât rezistența la sarcină este mai mare, cu atât diferența dintre acestea este mai mică Voltajși EMF. Dacă rezistența la sarcină este foarte mare, atunci Voltaj aproape egal EMF. Rezistența voltmetrului este întotdeauna foarte mare, așa că în circuitul din figura 1 a arătat o valoare de 1,5 V.
Înțelegerea sensului EMF este îngreunată de faptul că în viața de zi cu zi practic nu folosim acest termen. Spunem în magazin „Dă-mi o baterie de 1,5 volți” când este corect să spui „Dă-mi o baterie de 1,5 volți”. Dar așa s-a întâmplat...
Vă sfătuim să citiți
Chlamydia urogenitală - descriere, cauze, simptome (semne), diagnostic, tratament Tratamentul chlamydiei urogenitale
Beneficiile și semnificația hidroaminoacidului treoninei pentru corpul uman L treonina ce
A aștepta sau nu a aștepta un tip din armată Din ce motiv pot fi comandați din armată
Mere coapte cu brânză de vaci Mere coapte cu brânză de vaci
