สภาวะกระแสไฟคงที่สำหรับการเกิดขึ้น เงื่อนไขสำหรับการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้าตรง

หน่วยงานกลางเพื่อการศึกษา

Saratov State Socio-Economic University

มาร์คสาขา

ภาควิชามนุษยธรรมทั่วไป

เรียงความ

ตาม "ฟิสิกส์"

ในหัวข้อ “กระแสไฟฟ้า. กฎของโอห์ม"

นักศึกษาชั้นปีที่ 2

ความชำนาญพิเศษ: "Eup pp"

ตรวจสอบโดย: Starikova N.N.

มาร์กซ์ - 2010

ไฟฟ้า. กฎของโอห์ม

หากวางตัวนำฉนวนไว้ใน สนามไฟฟ้า

จากนั้นแรงจะกระทำต่อประจุฟรี q ในตัวนำ เป็นผลให้เกิดการเคลื่อนตัวของประจุอิสระในระยะสั้นในตัวนำ กระบวนการนี้จะสิ้นสุดลงเมื่อสนามไฟฟ้าของประจุที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของตัวนำนั้นชดเชยสนามภายนอกอย่างสมบูรณ์ สนามไฟฟ้าสถิตที่เกิดขึ้นภายในตัวนำจะเป็นศูนย์ (ดู§ 1.5)

อย่างไรก็ตาม ในตัวนำไฟฟ้า ภายใต้เงื่อนไขบางประการ อาจเกิดการเคลื่อนที่ตามคำสั่งอย่างต่อเนื่องของตัวพาประจุไฟฟ้าฟรี การเคลื่อนไหวนี้เรียกว่ากระแสไฟฟ้า ทิศทางการเคลื่อนที่ของประจุบวกเป็นทิศทางของกระแสไฟฟ้า สำหรับการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้าในตัวนำนั้นจำเป็นต้องสร้างสนามไฟฟ้าขึ้นมา

การวัดเชิงปริมาณของกระแสไฟฟ้าคือความแรงของกระแส I - สเกลาร์ ปริมาณทางกายภาพเท่ากับอัตราส่วนของประจุ Δq ที่ถ่ายโอนผ่านหน้าตัดของตัวนำ (รูปที่ 1.8.1) ในช่วงเวลา Δt ถึงช่วงเวลานี้:

หากความแรงของกระแสและทิศทางไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา กระแสดังกล่าวจะเรียกว่าค่าคงที่

รูปที่ 1.8.1.

การเคลื่อนที่ตามคำสั่งของอิเล็กตรอนในตัวนำโลหะและกระแส I. S คือพื้นที่หน้าตัดของตัวนำ

- สนามไฟฟ้า

ในระบบสากลของหน่วย SI กระแสจะถูกวัดเป็นแอมแปร์ (A) หน่วยปัจจุบัน 1 A ถูกตั้งค่าตาม ปฏิสัมพันธ์แม่เหล็กตัวนำขนานสองตัวที่มีกระแส (ดู§ 1.16)

คงที่ ไฟฟ้าสามารถสร้างได้เฉพาะในวงจรปิดที่ผู้ให้บริการชาร์จฟรีหมุนเวียนไปตามเส้นทางปิด สนามไฟฟ้าที่จุดต่าง ๆ ในวงจรนั้นจะคงที่ตลอดเวลา ดังนั้นสนามไฟฟ้าในวงจร กระแสตรงมีลักษณะเป็นสนามไฟฟ้าสถิตที่เยือกแข็ง แต่เมื่อเคลื่อนที่ประจุไฟฟ้าในสนามไฟฟ้าสถิตไปตามเส้นทางปิด การทำงานของแรงไฟฟ้าจะเป็นศูนย์ (ดู § 1.4) ดังนั้นการมีอยู่ของกระแสตรงจึงจำเป็นต้องมีใน วงจรไฟฟ้าอุปกรณ์ที่สามารถสร้างและรักษาความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นในส่วนของวงจรอันเนื่องมาจากการทำงานของแรงที่ไม่เกิดไฟฟ้าสถิต อุปกรณ์ดังกล่าวเรียกว่าแหล่งกระแสตรง แรงของแหล่งกำเนิดที่ไม่ใช่ไฟฟ้าสถิตที่กระทำต่อตัวพาประจุไฟฟ้าฟรีจากแหล่งปัจจุบันเรียกว่าแรงภายนอก

ธรรมชาติของพลังภายนอกอาจแตกต่างกัน ในเซลล์หรือแบตเตอรี่กัลวานิก เกิดขึ้นจากกระบวนการไฟฟ้าเคมี ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง แรงภายนอกเกิดขึ้นเมื่อตัวนำเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก แหล่งกระแสในวงจรไฟฟ้ามีบทบาทเช่นเดียวกับปั๊ม ซึ่งจำเป็นสำหรับการสูบของเหลวในระบบไฮดรอลิกแบบปิด ภายใต้การกระทำของแรงภายนอก ประจุไฟฟ้าจะเคลื่อนที่ภายในแหล่งกำเนิดกระแสเพื่อต้านแรงของสนามไฟฟ้าสถิต ซึ่งจะทำให้กระแสไฟฟ้าคงที่ในวงจรปิดได้

เมื่อประจุไฟฟ้าเคลื่อนไปตามวงจรไฟฟ้ากระแสตรง แรงภายนอกที่กระทำภายในแหล่งกระแสจะทำงาน

ปริมาณทางกายภาพที่เท่ากับอัตราส่วนของงาน แรงภายนอกเมื่อเคลื่อนที่ประจุ q จากขั้วลบของแหล่งกำเนิดกระแสไปยังค่าบวกกับค่าของประจุนี้เรียกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าของแหล่งกำเนิด (EMF):

ดังนั้น EMF จึงถูกกำหนดโดยงานที่ทำโดยแรงภายนอกเมื่อเคลื่อนประจุบวกหนึ่งประจุ แรงเคลื่อนไฟฟ้า เช่นเดียวกับความต่างศักย์ มีหน่วยวัดเป็นโวลต์ (V)

เมื่อประจุบวกตัวเดียวเคลื่อนที่ไปตามวงจรไฟฟ้ากระแสตรงแบบปิด แรงภายนอกจะเท่ากับผลรวมของ EMF ที่กระทำในวงจรนี้ และงานของสนามไฟฟ้าสถิตจะเป็นศูนย์

วงจรไฟฟ้ากระแสตรงสามารถแบ่งออกเป็นส่วนต่าง ๆ ได้ ส่วนเหล่านั้นที่แรงภายนอกไม่กระทำ (เช่น ส่วนที่ไม่มีแหล่งที่มาปัจจุบัน) เรียกว่าเป็นเนื้อเดียวกัน ส่วนที่มีแหล่งที่มาในปัจจุบันเรียกว่าต่างกัน

เมื่อประจุบวกหนึ่งหน่วยเคลื่อนที่ไปตามส่วนหนึ่งของวงจร ทั้งไฟฟ้าสถิต (คูลอมบ์) และแรงภายนอกจะทำงาน การทำงานของแรงไฟฟ้าสถิตเท่ากับความต่างศักย์ Δφ 12 \u003d φ 1 - φ 2 ระหว่างจุดเริ่มต้น (1) และจุดสุดท้าย (2) ของส่วนที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน การทำงานของแรงภายนอกเป็นไปตามนิยาม แรงเคลื่อนไฟฟ้า

12 ปฏิบัติการในพื้นที่นี้ ดังนั้นงานทั้งหมดจึงเท่ากับ

U 12 \u003d φ 1 - φ 2 +

12 .

ค่าของ U 12 มักจะเรียกว่าแรงดันไฟฟ้าในวงจรส่วนที่ 1–2 ในกรณีของส่วนที่เป็นเนื้อเดียวกัน แรงดันไฟฟ้าจะเท่ากับความต่างศักย์:

U 12 \u003d φ 1 - φ 2

นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน G. Ohm ในปี 1826 ได้ทำการทดลองว่าความแรงของกระแส I ที่ไหลผ่านตัวนำโลหะที่เป็นเนื้อเดียวกัน (กล่าวคือ ตัวนำที่ไม่มีแรงภายนอกกระทำการ) เป็นสัดส่วนกับแรงดัน U ที่ปลายตัวนำ:

โดยที่ R = const

ค่าของ R มักจะเรียกว่าความต้านทานไฟฟ้า ตัวนำที่มีความต้านทานไฟฟ้าเรียกว่าตัวต้านทาน อัตราส่วนนี้เป็นการแสดงออกถึงกฎของโอห์มสำหรับส่วนที่เป็นเนื้อเดียวกันของวงจร: ความแรงของกระแสในตัวนำเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้และแปรผกผันกับความต้านทานของตัวนำ

ใน SI หน่วยความต้านทานไฟฟ้าของตัวนำคือโอห์ม (โอห์ม) ความต้านทาน 1 โอห์มมีส่วนของวงจรที่แรงดัน 1 V จะเกิดกระแส 1 A

ตัวนำที่ปฏิบัติตามกฎของโอห์มเรียกว่าเส้นตรง การพึ่งพาแบบกราฟิกของความแรงของกระแส I บนแรงดันไฟฟ้า U (กราฟดังกล่าวเรียกว่าลักษณะเฉพาะของแรงดันไฟ ย่อว่า CVC) แสดงเป็นเส้นตรงที่ลากผ่านจุดกำเนิด ควรสังเกตว่ามีวัสดุและอุปกรณ์หลายอย่างที่ไม่เป็นไปตามกฎของโอห์มเช่น เซมิคอนดักเตอร์ไดโอดหรือโคมไฟแก๊ส สม่ำเสมอ ตัวนำโลหะที่กระแสที่มีกำลังแรงมากพอจะสังเกตเห็นความเบี่ยงเบนจากกฎเชิงเส้นของโอห์มตั้งแต่ ความต้านทานไฟฟ้าตัวนำโลหะจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

สำหรับส่วนวงจรที่มี EMF กฎของโอห์มเขียนในรูปแบบต่อไปนี้:

IR \u003d U 12 \u003d φ 1 - φ 2 +

= Δφ 12 + .

ความสัมพันธ์นี้มักจะเรียกว่ากฎของโอห์มทั่วไปหรือกฎของโอห์มสำหรับส่วนลูกโซ่ที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน

ในรูป 1.8.2 แสดงวงจรไฟฟ้ากระแสตรงแบบปิด ส่วนโซ่ (cd) เป็นเนื้อเดียวกัน

รูปที่ 1.8.2

วงจรไฟฟ้ากระแสตรง

กฎของโอห์ม

ส่วน (ab) มีแหล่งปัจจุบันที่มี EMF เท่ากับ

ตามกฎของโอห์มสำหรับพื้นที่ต่างกัน

เพิ่มความเท่าเทียมกันทั้งสองเราได้รับ:

ผม (R + r) = Δφ cd + Δφ ab +

แต่ Δφ cd = Δφ ba = – Δφ ab นั่นเป็นเหตุผลที่

สูตรนี้จะแสดงกฎของโอห์มสำหรับ ห่วงโซ่ที่สมบูรณ์: ความแรงของกระแสในวงจรที่สมบูรณ์เท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้าของแหล่งกำเนิด หารด้วยผลรวมของความต้านทานของส่วนที่เป็นเนื้อเดียวกันและไม่เป็นเนื้อเดียวกันของวงจร

ความต้านทาน r ของส่วนที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันในรูปที่ 1.8.2 สามารถเห็นเป็น ความต้านทานภายในแหล่งที่มาปัจจุบัน ในกรณีนี้ ส่วน (ab) ในรูปที่ 1.8.2 คือส่วนภายในของแหล่งที่มา หากจุด a และ b ปิดด้วยตัวนำที่มีความต้านทานน้อยเมื่อเทียบกับความต้านทานภายในของแหล่งกำเนิด (R<< r), тогда в цепи потечет ток короткого замыкания

กระแสไฟลัดวงจร - กระแสสูงสุดที่สามารถรับได้จากแหล่งกำเนิดที่กำหนดด้วยแรงเคลื่อนไฟฟ้า

และความต้านทานภายใน r สำหรับแหล่งที่มีความต้านทานภายในต่ำ กระแสไฟลัดอาจมีขนาดใหญ่มากและทำให้วงจรไฟฟ้าหรือแหล่งกำเนิดถูกทำลาย ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ตะกั่วกรดที่ใช้ในรถยนต์สามารถมีกระแสไฟฟ้าลัดวงจรได้หลายร้อยแอมแปร์ อันตรายอย่างยิ่งคือไฟฟ้าลัดวงจรในเครือข่ายแสงสว่างที่ขับเคลื่อนโดยสถานีย่อย (หลายพันแอมแปร์) เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบที่เป็นอันตรายของกระแสสูงดังกล่าว ฟิวส์หรือเบรกเกอร์วงจรพิเศษจะรวมอยู่ในวงจร

ในบางกรณี เพื่อป้องกันค่าอันตรายของกระแสลัดวงจร ความต้านทานภายนอกบางส่วนจะเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับแหล่งกำเนิด จากนั้นความต้านทาน r จะเท่ากับผลรวมของความต้านทานภายในของแหล่งกำเนิดและความต้านทานภายนอก และในกรณีที่เกิดไฟฟ้าลัดวงจร ความแรงของกระแสไฟจะไม่มากเกินไป

หากวงจรภายนอกเปิดอยู่ Δφ ba = – Δφ ab =

กล่าวคือ ความต่างศักย์ที่ขั้วของแบตเตอรี่แบบเปิดมีค่าเท่ากับ EMF

หากเปิดความต้านทานโหลดภายนอก R และกระแส I ไหลผ่านแบตเตอรี่ ความต่างศักย์ที่ขั้วจะเท่ากับ

– อ.

ในรูป 1.8.3 คือการแสดงแผนผังของแหล่ง DC ที่มี EMF เท่ากับ

และความต้านทานภายใน r ในสามโหมด: "ไม่ทำงาน" ทำงานในโหมดโหลดและลัดวงจร (ไฟฟ้าลัดวงจร) ความแรงของสนามไฟฟ้าภายในแบตเตอรี่และแรงที่กระทำต่อประจุบวกจะแสดง: – แรงไฟฟ้าและ – แรงภายนอก ในโหมดลัดวงจร สนามไฟฟ้าภายในแบตเตอรี่จะหายไป

รูปที่ 1.8.3

การแสดงแผนผังของแหล่งจ่ายกระแสตรง: 1 - แบตเตอรี่เปิดอยู่; 2 - แบตเตอรี่ถูกปิดเพื่อต้านทานภายนอก R; 3 - โหมดลัดวงจร

ในการวัดแรงดันและกระแสในวงจรไฟฟ้ากระแสตรงจะใช้อุปกรณ์พิเศษ - โวลต์มิเตอร์และแอมป์มิเตอร์

โวลต์มิเตอร์ออกแบบมาเพื่อวัดความต่างศักย์ที่นำไปใช้กับขั้ว มีการเชื่อมต่อแบบขนานกับส่วนของวงจรที่วัดความต่างศักย์ โวลต์มิเตอร์ใดๆ มีความต้านทานภายใน R B . เพื่อให้โวลต์มิเตอร์ไม่แนะนำการกระจายกระแสที่สังเกตได้เมื่อเชื่อมต่อกับวงจรที่วัดได้ ความต้านทานภายในของมันจะต้องมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับความต้านทานของส่วนของวงจรที่เชื่อมต่ออยู่ สำหรับวงจรที่แสดงในรูปที่ 1.8.4 เงื่อนไขนี้เขียนเป็น:

อาร์ บี >> อาร์ 1 .

เงื่อนไขนี้หมายความว่ากระแส I B \u003d Δφ cd / R B ที่ไหลผ่านโวลต์มิเตอร์นั้นน้อยกว่ากระแส I \u003d Δφ cd / R 1 ที่ไหลผ่านส่วนที่ทดสอบของวงจร

เนื่องจากไม่มีแรงภายนอกกระทำการภายในโวลต์มิเตอร์ ความต่างศักย์ที่ขั้วของมันจึงเกิดขึ้นพร้อมกันตามคำจำกัดความของแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นเราจึงสามารถพูดได้ว่าโวลต์มิเตอร์วัดแรงดันไฟฟ้า

แอมมิเตอร์ถูกออกแบบมาเพื่อวัดความแรงของกระแสในวงจร แอมมิเตอร์เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับจุดขาดในวงจรไฟฟ้าเพื่อให้กระแสที่วัดได้ทั้งหมดไหลผ่าน แอมมิเตอร์ยังมีความต้านทานภายใน R A ความต้านทานภายในของแอมป์มิเตอร์ต้องน้อยพอเมื่อเทียบกับโวลต์มิเตอร์ เมื่อเทียบกับความต้านทานรวมของวงจรทั้งหมด สำหรับวงจรในรูป 1.8.4 ความต้านทานของแอมป์มิเตอร์ต้องเป็นไปตามเงื่อนไข

อาร์ เอ<< (r + R 1 + R 2),

เพื่อที่ว่าเมื่อเปิดแอมป์มิเตอร์ กระแสในวงจรจะไม่เปลี่ยนแปลง

เครื่องมือวัด - โวลต์มิเตอร์และแอมมิเตอร์ - มีสองประเภท: ตัวชี้ (แอนะล็อก) และดิจิตอล มิเตอร์ไฟฟ้าดิจิตอลเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อน โดยปกติเครื่องมือดิจิทัลจะให้ความแม่นยำในการวัดที่สูงขึ้น

รูปที่ 1.8.4

การรวมแอมมิเตอร์ (A) และโวลต์มิเตอร์ (B) ไว้ในวงจรไฟฟ้า

อนุกรมและการเชื่อมต่อแบบขนานของตัวนำ

ตัวนำในวงจรไฟฟ้าสามารถเชื่อมต่อแบบอนุกรมและแบบขนานได้

ด้วยการเชื่อมต่อแบบอนุกรมของตัวนำ (รูปที่ 1.9.1) ความแรงของกระแสในตัวนำทั้งหมดจะเท่ากัน:

ผม 1 \u003d ผม 2 \u003d ผม.

รูปที่ 1.9.1.

การเชื่อมต่อแบบอนุกรมของตัวนำ

ตามกฎของโอห์ม แรงดันไฟฟ้า U 1 และ U 2 บนตัวนำมีค่าเท่ากัน

คุณ 1 = IR 1, คุณ 2 = IR 2

แรงดันไฟฟ้ารวม U บนตัวนำทั้งสองมีค่าเท่ากับผลรวมของแรงดันไฟฟ้า U 1 และ U 2:

U \u003d U 1 + U 2 \u003d ฉัน (R 1 + R 2) \u003d IR

โดยที่ R คือความต้านทานไฟฟ้าของวงจรทั้งหมด นี่หมายความว่า:

R \u003d R 1 + R 2

เมื่อต่อเป็นอนุกรม ความต้านทานรวมของวงจรจะเท่ากับผลรวมของความต้านทานของตัวนำแต่ละตัว

ผลลัพธ์นี้ใช้ได้กับตัวนำที่ต่ออนุกรมจำนวนเท่าใดก็ได้

ด้วยการเชื่อมต่อแบบขนาน (รูปที่ 1.9.2) แรงดันไฟฟ้า U 1 และ U 2 บนตัวนำทั้งสองจะเท่ากัน:

คุณ 1 \u003d คุณ 2 \u003d คุณ

ผลรวมของกระแส I 1 + I 2 ที่ไหลผ่านตัวนำทั้งสองมีค่าเท่ากับกระแสในวงจรที่ไม่แยกย่อย:

ฉัน \u003d ฉัน 1 + ฉัน 2

ผลลัพธ์นี้ตามมาจากความจริงที่ว่าไม่มีประจุใดที่สามารถสะสมที่จุดแตกแขนงของกระแส (โหนด A และ B) ในวงจร DC ตัวอย่างเช่น ประจุ IΔt ไหลไปยังโหนด A ในเวลา Δt และประจุ I 1 Δt + I 2 Δt จะไหลออกจากโหนด A ในเวลาเดียวกัน ดังนั้น ผม = ผม 1 + ผม 2 .

รูปที่ 1.9.2

การเชื่อมต่อแบบขนานของตัวนำ

การเขียนตามกฎของโอห์ม

โดยที่ R คือความต้านทานไฟฟ้าของวงจรทั้งหมด เราจะได้

ด้วยการเชื่อมต่อแบบขนานของตัวนำ ส่วนกลับของความต้านทานรวมของวงจรจะเท่ากับผลรวมของส่วนกลับของความต้านทานของตัวนำที่ต่อขนานกัน

ผลลัพธ์นี้ใช้ได้กับตัวนำจำนวนเท่าใดก็ได้ที่เชื่อมต่อแบบขนาน

สูตรสำหรับการเชื่อมต่อแบบอนุกรมและแบบขนานของตัวนำทำให้ในหลายกรณีสามารถคำนวณความต้านทานของวงจรเชิงซ้อนซึ่งประกอบด้วยตัวต้านทานหลายตัวได้ ในรูป 1.9.3 ให้ตัวอย่างของวงจรที่ซับซ้อนดังกล่าวและระบุลำดับของการคำนวณ

รูปที่ 1.9.3

การคำนวณความต้านทานของวงจรเชิงซ้อน ความต้านทานตัวนำทั้งหมดอยู่ในหน่วยโอห์ม (โอห์ม)

ควรสังเกตว่าไม่ใช่ทุกวงจรที่ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วยตัวนำที่มีความต้านทานต่างกันสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรสำหรับการเชื่อมต่อแบบอนุกรมและแบบขนาน ในรูป 1.9.4 แสดงตัวอย่างวงจรไฟฟ้าที่ไม่สามารถคำนวณได้ตามวิธีข้างต้น

รูปที่ 1.9.4

ตัวอย่างของวงจรไฟฟ้าที่ไม่สามารถลดเป็นชุดและตัวนำคู่ขนานได้

กระแสไฟตรง

เงื่อนไขการเกิดกระแส

กระแสไฟฟ้าคือการเคลื่อนที่โดยตรงของอนุภาคที่มีประจุ ลักษณะเชิงปริมาณของกระแสคือความแรงของกระแส (อัตราส่วนของประจุ: ถ่ายโอนผ่านหน้าตัดของตัวนำต่อหน่วยเวลา):

และความหนาแน่นที่กำหนดโดยอัตราส่วน:

หน่วยของความแรงของกระแสคือแอมแปร์ (1A คือค่าคุณลักษณะของกระแสที่ใช้โดยเครื่องทำความร้อนไฟฟ้าในครัวเรือน)

เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการมีอยู่ของกระแสคือการมีอยู่ของตัวพาประจุไฟฟ้าฟรี วงจรปิด และแหล่ง EMF (แบตเตอรี่) ที่รองรับการเคลื่อนที่ตามทิศทาง

กระแสไฟฟ้าสามารถมีอยู่ในสื่อต่างๆ: ในโลหะ, สูญญากาศ, ก๊าซ, สารละลายและการละลายของอิเล็กโทรไลต์, พลาสมา, เซมิคอนดักเตอร์, เนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิต

เมื่อกระแสไหล ปฏิสัมพันธ์ของตัวพาประจุกับสิ่งแวดล้อมมักจะเกิดขึ้นพร้อมกับการถ่ายเทพลังงานไปยังส่วนหลังในรูปของความร้อน บทบาทของแหล่งกำเนิด EMF นั้นแม่นยำในการชดเชยการสูญเสียความร้อนในวงจร

กระแสไฟฟ้าในโลหะเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ค่อนข้างอิสระผ่านโครงผลึก สาเหตุของการมีอยู่ของอิเล็กตรอนอิสระในการทำผลึกสามารถอธิบายได้ในภาษาของกลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้น

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าความแรงของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำนั้นแปรผันตามความต่างศักย์ที่นำไปใช้กับปลายของมัน (กฎของโอห์ม) ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วนระหว่างกระแสและแรงดันซึ่งคงที่สำหรับตัวนำที่เลือกเรียกว่าความต้านทานไฟฟ้า:

ความต้านทานวัดเป็นโอห์ม (ความต้านทานของร่างกายมนุษย์ประมาณ 1,000 โอห์ม) ขนาดของความต้านทานไฟฟ้าของตัวนำเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าเมื่อถูกความร้อนโหนดของตาข่ายคริสตัลจะเพิ่มการสั่นสะเทือนจากความร้อนที่วุ่นวายซึ่งป้องกันการเคลื่อนที่โดยตรงของอิเล็กตรอน ในหลายปัญหา ค่าเผื่อโดยตรงสำหรับการสั่นสะเทือนของโครงข่ายต้องลำบากมาก เพื่อลดความซับซ้อนของปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนกับโหนดที่สั่นจะสะดวกที่จะแทนที่ด้วยการชนกับอนุภาคก๊าซของอนุภาคสมมุติ - โฟนอนซึ่งคุณสมบัติถูกเลือกเพื่อให้ได้คำอธิบายที่ใกล้เคียงกับความเป็นจริงมากที่สุดและสามารถเปิดออก ที่จะแปลกใหม่มาก วัตถุประเภทนี้เป็นที่นิยมอย่างมากในวิชาฟิสิกส์และเรียกว่า quasiparticles นอกเหนือจากการมีปฏิสัมพันธ์กับการสั่นสะเทือนของโครงผลึกแล้ว การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในคริสตัลอาจถูกขัดขวางโดยความคลาดเคลื่อน - การละเมิดความสม่ำเสมอของตาข่าย ปฏิกิริยากับความคลาดเคลื่อนมีบทบาทชี้ขาดที่อุณหภูมิต่ำ เมื่อแทบไม่มีการสั่นสะเทือนจากความร้อน

วัสดุบางชนิดที่อุณหภูมิต่ำจะสูญเสียความต้านทานไฟฟ้าโดยสมบูรณ์ และผ่านเข้าสู่สถานะตัวนำยิ่งยวด กระแสในสื่อดังกล่าวสามารถดำรงอยู่ได้โดยไม่มี EMF เนื่องจากไม่มีการสูญเสียพลังงานจากการชนกันของอิเล็กตรอนกับโฟนอนและการเคลื่อนตัว การสร้างวัสดุที่คงสถานะตัวนำยิ่งยวดไว้ที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง (ห้อง) และกระแสไฟต่ำเป็นงานที่สำคัญมาก การแก้ปัญหาดังกล่าวจะทำให้เกิดการปฏิวัติอย่างแท้จริงในพลังงานสมัยใหม่เพราะ จะช่วยให้ส่งไฟฟ้าได้ในระยะทางไกลโดยไม่สูญเสียความร้อน

ปัจจุบันกระแสไฟฟ้าในโลหะส่วนใหญ่ใช้ในการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อน (เครื่องทำความร้อน แหล่งกำเนิดแสง) หรือพลังงานกล (มอเตอร์ไฟฟ้า) ในกรณีหลัง กระแสไฟฟ้าถูกใช้เป็นแหล่งของสนามแม่เหล็ก ซึ่งปฏิสัมพันธ์กับกระแสอื่นทำให้เกิดแรง

กระแสไฟฟ้าในสุญญากาศนั้นเป็นไปไม่ได้โดยเด็ดขาดเนื่องจากไม่มีประจุไฟฟ้าฟรี อย่างไรก็ตาม สารนำไฟฟ้าบางชนิด เมื่อถูกความร้อนหรือฉายรังสีด้วยแสง จะสามารถปล่อยอิเล็กตรอนออกจากพื้นผิวได้ (การปล่อยความร้อนและการปล่อยแสง) ซึ่งสามารถรักษากระแสไฟฟ้าได้ โดยเคลื่อนที่จากแคโทดไปยังอิเล็กโทรด (ขั้วบวก) อีกขั้วหนึ่ง - แอโนด . เมื่อใช้แรงดันลบกับขั้วบวก กระแสในวงจรจะขาด คุณสมบัติที่อธิบายไว้ทำให้เกิดการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อแก้ไขกระแสสลับ จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ อุปกรณ์ไฟฟ้าถูกใช้อย่างกว้างขวางในฐานะเครื่องขยายสัญญาณไฟฟ้า ปัจจุบันอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ถูกแทนที่เกือบทั้งหมด

เมื่อมองแวบแรก กระแสไฟฟ้าในก๊าซจะไม่สามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากไม่มีอนุภาคที่มีประจุอิสระ (อิเล็กตรอนในอะตอมและโมเลกุลของก๊าซจะ "เชื่อม" กับนิวเคลียสอย่างแน่นหนาด้วยแรงไฟฟ้าสถิต) อย่างไรก็ตาม เมื่อพลังงาน 10 eV ถูกถ่ายโอนไปยังอะตอม (พลังงานที่ได้รับจากอิเล็กตรอนอิสระเมื่อผ่านความต่างศักย์ 10 V) พลังงานหลังจะผ่านเข้าสู่สถานะแตกตัวเป็นไอออน ระยะทางไกล) ในก๊าซที่อุณหภูมิห้อง มักจะมีอะตอมที่แตกตัวเป็นไอออนจำนวนเล็กน้อยซึ่งเกิดขึ้นภายใต้การกระทำของรังสีคอสมิก (โฟโตอิออไนเซชัน) เสมอ เมื่อก๊าซดังกล่าวถูกวางลงในสนามไฟฟ้า อนุภาคที่มีประจุจะเริ่มเร่งความเร็ว ถ่ายโอนพลังงานจลน์ที่สะสมไปยังอะตอมที่เป็นกลางและแตกตัวเป็นไอออน เป็นผลให้เกิดกระบวนการคล้ายหิมะถล่มในการเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนและไอออนอิสระ - เกิดการคายประจุไฟฟ้า ลักษณะเรืองแสงของการปลดปล่อยนั้นสัมพันธ์กับการปลดปล่อยพลังงานในระหว่างการรวมตัวกันของอิเล็กตรอนและไอออนบวก ประเภทของการปล่อยไฟฟ้ามีความหลากหลายมากและขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของก๊าซและสภาวะภายนอกอย่างมาก

พลาสม่า.

สารที่มีส่วนผสมของอะตอมเป็นกลาง อิเล็กตรอนอิสระ และไอออนบวกเรียกว่าพลาสมา พลาสมาที่เกิดจากการปล่อยกระแสไฟฟ้าที่ค่อนข้างต่ำ (เช่น ในหลอด "กลางวัน") มีลักษณะเฉพาะด้วยอนุภาคที่มีประจุที่มีความเข้มข้นต่ำมากเมื่อเทียบกับอนุภาคที่เป็นกลาง () โดยปกติเรียกว่าอุณหภูมิต่ำเนื่องจากอุณหภูมิของอะตอมและไอออนใกล้เคียงกับอุณหภูมิห้อง พลังงานเฉลี่ยของอิเล็กตรอนที่เบากว่ามากกลับกลายเป็นว่าสูงกว่ามาก ที่. พลาสมาอุณหภูมิต่ำโดยพื้นฐานแล้วเป็นสื่อเปิดที่ไม่สมดุล ตามที่ระบุไว้ กระบวนการจัดระเบียบตนเองเป็นไปได้ในสื่อดังกล่าว ตัวอย่างที่รู้จักกันดีคือการสร้างรังสีที่มีลำดับสูงในพลาสมาของเลเซอร์แก๊ส

พลาสมายังสามารถอยู่ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ สำหรับการดำรงอยู่ของมัน จำเป็นต้องมีอุณหภูมิที่สูงมาก (ซึ่งพลังงานของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนนั้นเทียบได้กับพลังงานไอออไนเซชัน) อุณหภูมิดังกล่าวมีอยู่บนพื้นผิวของดวงอาทิตย์ สามารถเกิดขึ้นได้ระหว่างการปล่อยประจุไฟฟ้าที่มีกำลังสูง (ฟ้าผ่า) ระหว่างการระเบิดของนิวเคลียร์ พลาสม่าดังกล่าวเรียกว่าร้อน

ไฟฟ้าในบรรยากาศ

โลกเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ค่อนข้างดี (เมื่อเทียบกับอากาศแห้ง) ที่ระดับความสูงประมาณ 50 กม. รังสีคอสมิกที่แตกตัวเป็นไอออนทำให้เกิดบรรยากาศรอบนอก ซึ่งเป็นชั้นของก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออนสูง การวัดแสดงให้เห็นว่ามีความต่างศักย์มหาศาลระหว่างชั้นบรรยากาศรอบนอกกับพื้นผิวโลก (ประมาณ 5,000,000 โวลต์) และชั้นบรรยากาศรอบนอกนั้นมีประจุบวกเมื่อเทียบกับโลก การมีอยู่ของความต่างศักย์ระหว่างโลกและ "ท้องฟ้า" นำไปสู่การปรากฏตัวของกระแสที่มีความหนาแน่นต่ำมาก (A /) แม้ในตัวนำที่ไม่ดีเช่นอากาศ กระแสทั้งหมดที่มายังพื้นผิวโลกมีขนาดใหญ่มาก (ประมาณ A) และพลังงานที่ปล่อยออกมานั้นเทียบได้กับพลังของโรงไฟฟ้าที่สร้างขึ้นทั้งหมด (W) คำถามตามธรรมชาติเกิดขึ้นเกี่ยวกับกลไกในการรักษาความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นและเกี่ยวกับสาเหตุที่มนุษย์ยังไม่ได้ใช้การมีอยู่ของมัน

ตอนนี้ได้มีการพิสูจน์แล้วว่ากลไกหลักที่ชาร์จ "ท้องฟ้า" ที่สัมพันธ์กับโลกคือพายุฝนฟ้าคะนอง หยดน้ำและผลึกน้ำแข็งที่เคลื่อนลงมาที่ฐานของเมฆฝนฟ้าคะนอง รวบรวมประจุลบในชั้นบรรยากาศ และด้วยเหตุนี้จึงชาร์จส่วนล่างของเมฆฝนฟ้าคะนองด้วยกระแสไฟฟ้าเชิงลบสู่ศักย์ไฟฟ้าที่มากกว่าศักยภาพของโลกหลายเท่า ด้วยเหตุนี้ สนามไฟฟ้าขนาดใหญ่มากจึงเกิดขึ้นระหว่างโลกกับเมฆ โดยมีทิศทางไปในทิศทางตรงกันข้ามเมื่อเทียบกับสนามที่มีอยู่ในสภาพอากาศที่ไม่มีเมฆ ใกล้กับการนำวัตถุที่ยื่นออกมาจากพื้นผิวโลก สนามนี้ยังคงแข็งแกร่งและเพียงพอสำหรับการแตกตัวเป็นไอออนของก๊าซ ซึ่งเติบโตตามกฎหิมะถล่ม ผลที่ได้คือการปล่อยไฟฟ้าที่ทรงพลังมากที่เรียกว่าฟ้าผ่า ฟ้าแลบเริ่มต้นบนโลกและกระทบกับเมฆ ตรงกันข้ามกับความเชื่อที่ได้รับความนิยม ไม่ใช่ในทางกลับกัน

สนามไฟฟ้า 100 V/m ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของสภาพอากาศแจ่มใส ไม่สามารถใช้หรือรู้สึกได้ แม้ว่าจะอยู่ที่ความสูงเท่ากับความสูงของบุคคล แต่ถ้าไม่มีอยู่ จะสร้างความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นได้ประมาณ 200 V เหตุผลก็คือค่าการนำไฟฟ้าต่ำของอากาศ และทำให้กระแสน้ำที่มีความหนาแน่นต่ำไหลลงสู่พื้นผิวโลก การแนะนำตัวนำที่ดี (บุคคล) เข้าสู่วงจรไฟฟ้าโดยแบ่งคอลัมน์อากาศสองเมตรในทางปฏิบัติไม่ได้เปลี่ยนความต้านทานรวมของวงจร "สวรรค์ - โลก" ซึ่งปัจจุบันยังคงไม่เปลี่ยนแปลง แรงดันไฟฟ้าตกที่เกิดจากมันในร่างกายมนุษย์มีค่าประมาณ U = IR = 0.2 μV ซึ่งต่ำกว่าเกณฑ์ความไวของร่างกายเราอย่างมาก

กระแสไฟฟ้าในเนื้อเยื่อที่มีชีวิต

บทบาทสำคัญของแรงกระตุ้นไฟฟ้าสำหรับชีวิตของสิ่งมีชีวิตถูกสันนิษฐานไว้เมื่อ 200 กว่าปีที่แล้ว เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าแรงกระตุ้นเหล่านี้ถูกใช้เพื่อให้แน่ใจว่ามีการควบคุมการทำงานของอวัยวะและการถ่ายโอนข้อมูลระหว่างกันในกระบวนการของชีวิต บทบาทของสายเคเบิลสำหรับการส่งสัญญาณใน "คอมพิวเตอร์ชีวภาพ" ที่ซับซ้อนที่สุดนั้นเล่นโดยเส้นประสาทซึ่งขึ้นอยู่กับเซลล์ที่มีความเชี่ยวชาญสูง - เซลล์ประสาท หน้าที่หลักของเซลล์เหล่านี้คือการรับ ประมวลผล และขยายสัญญาณไฟฟ้า เซลล์ประสาทสื่อสารกันใน "เครือข่าย" ด้วยความช่วยเหลือของผลพลอยได้ยาวพิเศษ - ซอนที่ทำหน้าที่เป็นตัวนำ การศึกษาการแพร่กระจายของสัญญาณไฟฟ้าในซอนดำเนินการร่วมกันโดยนักชีววิทยา นักเคมี และนักฟิสิกส์ในช่วงทศวรรษที่ 30-60 ของศตวรรษของเรา และเป็นหนึ่งในตัวอย่างแรกที่ประสบความสำเร็จของความร่วมมือที่ได้ผลระหว่างตัวแทนของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติที่เกี่ยวข้อง

เมื่อมันปรากฏออกมา คุณสมบัติของแรงกระตุ้นไฟฟ้าที่แพร่กระจายในแอกซอนนั้นแตกต่างอย่างมากจากคุณสมบัติที่คุ้นเคยกับวิศวกรรมไฟฟ้า: 1) ความเร็วของการแพร่กระจายของแรงกระตุ้นตามซอนนั้นมีขนาดต่ำกว่าคุณสมบัติของโลหะหลายขนาด 2) หลังจากผ่านแรงกระตุ้นไฟฟ้า จะมีช่วงเวลาที่ "ตาย" ในระหว่างที่การขยายพันธุ์ของแรงกระตุ้นถัดไปเป็นไปไม่ได้ 3) มีค่าแรงดันธรณีประตู (พัลส์ที่มีแอมพลิจูดต่ำกว่าเกณฑ์ไม่แพร่กระจาย); 4) ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ แม้กระทั่งค่าที่เกินเกณฑ์ แรงกระตุ้นจะไม่ถูกส่งไปตามแอกซอน ("ที่พัก")

อธิบายลักษณะเฉพาะของการนำไฟฟ้าแอกซอนซึ่งไม่เป็นไปตามแบบแผนสำหรับวิศวกรรมไฟฟ้าแบบเดิม ซึ่งอธิบายไว้ในกรอบของกลไกเคมีไฟฟ้าที่จำเพาะเจาะจงมาก ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการเป็นเยื่อหุ้มเซลล์แบบกึ่งซึมผ่านของไอออน ซึ่งแยกปริมาตรภายในของ เซลล์ (และแอกซอนของมัน) ที่มีความเข้มข้นสูงอย่างผิดปกติของไอออน K + และ Na + ต่ำจากสภาพแวดล้อมที่เต็มไปด้วยน้ำเกลือ อันเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่เชิงความร้อนที่วุ่นวายของอนุภาคข้ามขอบเขตระหว่างภูมิภาคที่มีความเข้มข้นของไอออนบวกต่างกัน การไหลของการแพร่กระจายจึงเกิดขึ้น (K + - จากเซลล์ Na + - ภายใน) ความเร็วจะถูกควบคุมโดยการซึมผ่านของ เยื่อหุ้มเซลล์และความต่างศักย์ไฟฟ้าทั้งสองด้านของมัน การเปลี่ยนแปลงการซึมผ่านของเมมเบรนสำหรับไอออนแต่ละตัวทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในจำนวนของอนุภาคที่มีประจุที่ข้ามพรมแดน และส่งผลให้มีการเปลี่ยนแปลงศักย์ไฟฟ้าของซอนที่สัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมภายนอก การทดลองแสดงให้เห็นว่าค่าการนำไฟฟ้าของส่วนของเมมเบรนจะแตกต่างกันไปตามความต่างศักย์ที่นำมาใช้ ที่. แรงกระตุ้นไฟฟ้าที่ใช้กับส่วนของแอกซอนจะเปลี่ยนค่าการนำไฟฟ้าของเมมเบรนเป็นเวลาสั้นๆ (ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของแอกซอน) ซึ่งนำไปสู่การกระจายประจุ การขยายอิมพัลส์ และการก่อตัวของส่วนหน้าต่อท้าย ในกรณีนี้แอกซอนจะทำหน้าที่เป็นตัวนำและ "ขยายสถานีย่อย - ตัวทำซ้ำ" พร้อมกันซึ่งทำให้สามารถหลีกเลี่ยงการลดทอนสัญญาณที่ส่งในร่างกายในระยะทางไกลพอสมควร

เป็นที่น่าสนใจว่าปัญหาที่คล้ายกันมากกับปัญหาที่ได้รับการแก้ไขโดยธรรมชาติ ไม่นานก่อนการค้นพบกลไกการนำแอกซอน จะต้องได้รับการแก้ไขในวิศวกรรมวิทยุเมื่อพยายามจัดระเบียบการเชื่อมต่อสายเคเบิลข้ามมหาสมุทรแอตแลนติก เพื่อหลีกเลี่ยงการลดทอนและความผิดเพี้ยนของสัญญาณในสายยาว สายเคเบิลต้องถูกแบ่งออกเป็นส่วนเชื่อมโยงที่ค่อนข้างสั้น ระหว่างที่วางเครื่องขยายเสียงไว้ ประสบการณ์ที่ได้รับจากนักฟิสิกส์ในการสร้างสายสื่อสารด้วยสายเคเบิลแบบยาวช่วยแก้ปัญหากลไกการนำไฟฟ้าของแอกซอนได้อย่างมาก

บรรณานุกรม

ในการเตรียมงานนี้ใช้วัสดุจากไซต์

สำหรับการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้าตรงจำเป็นต้องมีอนุภาคที่มีประจุอิสระและการมีอยู่ของแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า ซึ่งจะทำการแปลงพลังงานประเภทใดก็ได้เป็นพลังงานของสนามไฟฟ้า

แหล่งที่มาปัจจุบัน - อุปกรณ์ที่พลังงานประเภทใด ๆ ถูกแปลงเป็นพลังงานของสนามไฟฟ้า ในแหล่งจ่ายกระแสไฟ แรงภายนอกกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุในวงจรปิด สาเหตุของการปรากฏตัวของแรงภายนอกในแหล่งต่าง ๆ ในปัจจุบันนั้นแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ในแบตเตอรี่และเซลล์กัลวานิก แรงภายนอกเกิดขึ้นเนื่องจากการไหลของปฏิกิริยาเคมี ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าของโรงไฟฟ้า เกิดขึ้นเมื่อตัวนำเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก ในโฟโตเซลล์ - เมื่อแสงกระทำกับอิเล็กตรอนในโลหะและเซมิคอนดักเตอร์

แรงเคลื่อนไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดกระแส เรียกว่าอัตราส่วนของการทำงานของแรงภายนอกต่อค่าของประจุบวกที่ถ่ายโอนจากขั้วลบของแหล่งกำเนิดปัจจุบันไปยังค่าบวก

แนวคิดพื้นฐาน.

ความแรงในปัจจุบัน - ปริมาณทางกายภาพของสเกลาร์เท่ากับอัตราส่วนของประจุที่ผ่านตัวนำจนถึงเวลาที่ประจุนี้ผ่านไป

ที่ไหน ฉัน - ความแรงในปัจจุบัน q - จำนวนเงินที่เรียกเก็บ (ปริมาณไฟฟ้า) t - ชาร์จเวลาขนส่ง

ความหนาแน่นกระแส - ปริมาณทางกายภาพของเวกเตอร์ เท่ากับอัตราส่วนของความแรงกระแสต่อพื้นที่หน้าตัดของตัวนำ

ที่ไหน เจ -ความหนาแน่นกระแส, ส - พื้นที่หน้าตัดของตัวนำ

ทิศทางของเวกเตอร์ความหนาแน่นกระแสตรงกับทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุบวก

แรงดันไฟฟ้า - ปริมาณทางกายภาพสเกลาร์ เท่ากับอัตราส่วนของงานทั้งหมดของคูลอมบ์และแรงภายนอกเมื่อเคลื่อนประจุบวกในพื้นที่ไปยังค่าของประจุนี้

ที่ไหน อา - งานเต็มรูปแบบของบุคคลที่สามและกองกำลังคูลอมบ์ q - ค่าไฟฟ้า.

ความต้านทานไฟฟ้า - ปริมาณทางกายภาพที่แสดงคุณสมบัติทางไฟฟ้าของส่วนวงจร

ที่ไหน ρ - ความต้านทานเฉพาะของตัวนำ l - ความยาวของส่วนตัวนำ ส - พื้นที่หน้าตัดของตัวนำ

การนำไฟฟ้า คือส่วนกลับของแนวต้าน

ที่ไหน G - การนำไฟฟ้า

กฎของโอห์ม

กฎของโอห์มสำหรับส่วนที่เป็นเนื้อเดียวกันของห่วงโซ่

ความแรงของกระแสในส่วนที่เป็นเนื้อเดียวกันของวงจรเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงดันที่ความต้านทานของส่วนคงที่และเป็นสัดส่วนผกผันกับความต้านทานของส่วนที่แรงดันคงที่

ที่ไหน ยู - ความตึงเครียดในพื้นที่ R - ความต้านทานส่วน

กฎของโอห์มสำหรับส่วนโดยพลการของวงจรที่มีแหล่งกำเนิดกระแสตรง

ที่ไหน φ 1 - φ 2 + ε = ยู แรงดันไฟฟ้าในส่วนที่กำหนดของวงจรR - ความต้านทานไฟฟ้าของส่วนที่กำหนดของวงจร

กฎของโอห์มสำหรับวงจรที่สมบูรณ์

ความแรงของกระแสในวงจรที่สมบูรณ์เท่ากับอัตราส่วนของแรงเคลื่อนไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดต่อผลรวมของความต้านทานของส่วนภายนอกและภายในของวงจร

ที่ไหน R - ความต้านทานไฟฟ้าของส่วนนอกของวงจร r - ความต้านทานไฟฟ้าของส่วนภายในของวงจร

ไฟฟ้าลัดวงจร.

มันเป็นไปตามกฎของโอห์มสำหรับวงจรที่สมบูรณ์ซึ่งความแรงของกระแสในวงจรที่มีแหล่งกระแสที่กำหนดขึ้นอยู่กับความต้านทานของวงจรภายนอกเท่านั้น R.

หากตัวนำที่มีความต้านทานเชื่อมต่อกับขั้วของแหล่งกระแส R<< r, จากนั้นมีเพียง EMF ของแหล่งกระแสและความต้านทานเท่านั้นที่จะกำหนดค่าของกระแสในวงจร ค่าของความแรงกระแสนี้จะเป็นขีดจำกัดสำหรับแหล่งกระแสนี้และเรียกว่ากระแสไฟลัดวงจร

แรงเคลื่อนไฟฟ้าแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้าใดๆ ก็ตามมีลักษณะเฉพาะด้วยแรงเคลื่อนไฟฟ้า หรือเรียกสั้นๆ ว่า EMF ดังนั้นในแบตเตอรี่ทรงกลมสำหรับไฟฉายเขียนว่า: 1.5 V. สิ่งนี้หมายความว่าอย่างไร เชื่อมต่อลูกบอลโลหะสองลูกที่มีสัญลักษณ์ตรงข้ามกับตัวนำ ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าของประจุเหล่านี้ กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นในตัวนำ ( รูปที่ 15.7). แต่กระแสนี้จะมีอายุสั้นมาก ประจุทำให้เป็นกลางกันอย่างรวดเร็ว ศักยภาพของลูกบอลจะเท่ากัน และสนามไฟฟ้าจะหายไป

กองกำลังบุคคลที่สามเพื่อให้กระแสคงที่จำเป็นต้องรักษาแรงดันคงที่ระหว่างลูกบอล ต้องใช้อุปกรณ์ แหล่งที่มาปัจจุบัน) ซึ่งจะเคลื่อนประจุจากลูกหนึ่งไปอีกลูกหนึ่งในทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางของแรงที่กระทำต่อประจุเหล่านี้จากสนามไฟฟ้าของลูกบอล ในอุปกรณ์ดังกล่าว นอกจากแรงไฟฟ้าแล้ว ประจุจะต้องได้รับผลกระทบจากแรงที่มาจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้าสถิต ( รูปที่ 15.8). สนามไฟฟ้าของอนุภาคที่มีประจุเพียงสนามเดียว ( คูลอมบ์ สนาม) ไม่สามารถรักษากระแสคงที่ในวงจรได้

แรงใดๆ ที่กระทำต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า ยกเว้นแรงที่เกิดจากไฟฟ้าสถิต (เช่น คูลอมบ์) จะถูกเรียก กองกำลังภายนอกข้อสรุปเกี่ยวกับความต้องการแรงภายนอกในการรักษากระแสคงที่ในวงจรจะชัดเจนยิ่งขึ้นหากเราหันไปใช้กฎการอนุรักษ์พลังงาน สนามไฟฟ้าสถิตมีศักยภาพ การทำงานของสนามนี้เมื่อเคลื่อนที่อนุภาคที่มีประจุในนั้นไปตามวงจรไฟฟ้าปิดเป็นศูนย์ กระแสผ่านตัวนำจะมาพร้อมกับการปล่อยพลังงาน - ตัวนำร้อนขึ้น ดังนั้นจะต้องมีแหล่งพลังงานในวงจรที่จ่ายให้กับวงจร ในนั้น นอกจากกองกำลังคูลอมบ์แล้ว กองกำลังบุคคลที่สามซึ่งไม่มีศักยภาพจำเป็นต้องกระทำด้วย การทำงานของแรงเหล่านี้ตามแนวปิดต้องแตกต่างจากศูนย์ อยู่ในขั้นตอนการทำงานโดยกองกำลังเหล่านี้ที่อนุภาคที่มีประจุจะได้รับพลังงานภายในแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้าแล้วส่งไปยังตัวนำของวงจรไฟฟ้า แรงจากภายนอกกำหนดอนุภาคประจุที่เคลื่อนที่ภายในแหล่งกระแสทั้งหมด: ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่โรงไฟฟ้า ในเซลล์ไฟฟ้า แบตเตอรี่ ฯลฯ เมื่อวงจรปิดลง สนามไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นในตัวนำทั้งหมดของวงจร ภายในแหล่งที่มาปัจจุบัน ประจุเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของ แรงภายนอก กับ แรงคูลอมบ์(อิเล็กตรอนจากอิเล็กโทรดที่มีประจุบวกไปเป็นขั้วลบ) และในวงจรภายนอก พวกมันจะถูกตั้งค่าให้เคลื่อนที่ด้วยสนามไฟฟ้า (ดูรูปที่ รูปที่ 15.8). ลักษณะของแรงภายนอกลักษณะของพลังภายนอกสามารถเปลี่ยนแปลงได้ ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าของโรงไฟฟ้า แรงภายนอกคือแรงที่กระทำจากสนามแม่เหล็กบนอิเล็กตรอนในตัวนำที่เคลื่อนที่ ในเซลล์กัลวานิก เช่น เซลล์โวลตา แรงเคมีทำหน้าที่ องค์ประกอบ Volta ประกอบด้วยอิเล็กโทรดสังกะสีและทองแดงที่วางอยู่ในสารละลายของกรดซัลฟิวริก แรงเคมีทำให้สังกะสีละลายในกรด สังกะสีไอออนที่มีประจุบวกจะผ่านเข้าไปในสารละลาย และอิเล็กโทรดสังกะสีเองก็จะมีประจุลบ (ทองแดงละลายได้น้อยมากในกรดซัลฟิวริก) ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างอิเล็กโทรดสังกะสีและทองแดงซึ่งกำหนดกระแสในวงจรไฟฟ้าปิด แรงเคลื่อนไฟฟ้าการกระทำของแรงภายนอกมีลักษณะเป็นปริมาณทางกายภาพที่สำคัญที่เรียกว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้า(ตัวย่อ EMF) แรงเคลื่อนไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดกระแสมีค่าเท่ากับอัตราส่วนของแรงภายนอกเมื่อเคลื่อนที่ประจุไปตามวงจรปิดกับค่านี้ ค่าใช้จ่าย:

แรงเคลื่อนไฟฟ้าเช่นแรงดันไฟฟ้าแสดงเป็นโวลต์ เราสามารถพูดถึงแรงเคลื่อนไฟฟ้าในส่วนใดก็ได้ของวงจร นี่เป็นงานเฉพาะของแรงภายนอก (งานเคลื่อนประจุต่อหนึ่งหน่วย) ไม่ใช่ในวงจรทั้งหมด แต่เฉพาะในบริเวณนี้เท่านั้น แรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลล์กัลวานิกเป็นค่าตัวเลขที่เท่ากับการทำงานของแรงภายนอกเมื่อเคลื่อนที่ประจุบวกของหน่วยภายในธาตุจากขั้วหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่ง งานของแรงภายนอกไม่สามารถแสดงออกมาในรูปของความต่างศักย์ได้ เนื่องจากแรงภายนอกไม่มีศักยภาพ และงานของแรงดังกล่าวขึ้นอยู่กับรูปร่างของวิถีประจุ ตัวอย่างเช่น การทำงานของแรงภายนอกเมื่อเคลื่อนที่ประจุระหว่างขั้วของแหล่งกำเนิดกระแสนอกแหล่งกำเนิดเองจะเท่ากับศูนย์ ตอนนี้คุณรู้แล้วว่า EMF คืออะไร หากเขียน 1.5 V บนแบตเตอรี่ แสดงว่ากำลังของบุคคลที่สาม (ในกรณีนี้คือสารเคมี) ทำงาน 1.5 J เมื่อย้ายประจุ 1 C จากขั้วหนึ่งของแบตเตอรี่ไปยังอีกขั้วหนึ่ง กระแสตรงไม่สามารถอยู่ในวงจรปิดได้หากแรงภายนอกไม่กระทำในนั้นนั่นคือไม่มี EMF

การเชื่อมต่อแบบขนานและแบบอนุกรมของตัวนำไฟฟ้า

ให้เรารวมไว้ในวงจรไฟฟ้าเป็นโหลด (ผู้บริโภคปัจจุบัน) หลอดไส้สองหลอดซึ่งแต่ละหลอดมีความต้านทานที่แน่นอนและแต่ละหลอดจะถูกแทนที่ด้วยตัวนำที่มีความต้านทานเท่ากัน

การเชื่อมต่อแบบอนุกรม

การคำนวณพารามิเตอร์ของวงจรไฟฟ้าด้วยการเชื่อมต่อแบบอนุกรมของความต้านทาน:

1. ความแรงของกระแสในส่วนที่ต่ออนุกรมทั้งหมดของวงจรมีค่าเท่ากัน 2. แรงดันไฟในวงจรประกอบด้วยหลายส่วนต่ออนุกรมกันเท่ากับผลรวมของแรงดันไฟในแต่ละส่วน 3. ความต้านทานของวงจรที่ประกอบด้วยส่วนที่ต่ออนุกรมกันหลายส่วนเท่ากับผลรวมของความต้านทานของแต่ละส่วน

4. การทำงานของกระแสไฟฟ้าในวงจรประกอบด้วยส่วนที่ต่ออนุกรมกัน เท่ากับ ผลรวมของงานในแต่ละส่วน

A \u003d A1 + A2 5. กำลังของกระแสไฟฟ้าในวงจรที่ประกอบด้วยส่วนที่ต่ออนุกรมกันเท่ากับผลรวมของกำลังในแต่ละส่วน

การเชื่อมต่อแบบขนาน

การคำนวณพารามิเตอร์ของวงจรไฟฟ้าด้วยการเชื่อมต่อความต้านทานแบบขนาน:

1. ความแรงของกระแสในส่วนที่ไม่มีแบรนช์ของวงจรเท่ากับผลรวมของความแรงของกระแสในส่วนที่เชื่อมต่อแบบขนานทั้งหมด

3. เมื่อความต้านทานเชื่อมต่อแบบขนาน ค่าที่ผกผันกับความต้านทานจะถูกเพิ่ม:

(R - ความต้านทานตัวนำ, 1/R - ค่าการนำไฟฟ้าของตัวนำ)

หากตัวต้านทานเพียงสองตัวต่อขนานกันในวงจรดังนั้น เกี่ยวกับ:

(เมื่อต่อแบบขนาน ความต้านทานรวมของวงจรจะน้อยกว่าค่าความต้านทานรวมที่น้อยกว่า)

4. การทำงานของกระแสไฟฟ้าในวงจรประกอบด้วยส่วนที่ต่อขนานกันเท่ากับผลรวมของงานในแต่ละส่วน: A=A1+A2 5. กำลังของกระแสไฟฟ้าในวงจรที่ประกอบด้วยส่วนที่ต่อขนานกันเท่ากับผลรวมของกำลังในแต่ละส่วน: P=P1+P2

สำหรับสองแนวต้าน: เช่น ยิ่งมีความต้านทานมากเท่าไหร่ก็ยิ่งมีกระแสน้อยลงเท่านั้น

กฎหมาย Joule-Lenz เป็นกฎทางกายภาพที่ให้คุณกำหนดผลกระทบทางความร้อนของกระแสในวงจรตามกฎหมายนี้: โดยที่ I คือกระแสในวงจร R คือความต้านทาน t คือเวลา สูตรนี้คำนวณโดยการสร้างวงจร: เซลล์กัลวานิก (แบตเตอรี่) ตัวต้านทานและแอมมิเตอร์ ตัวต้านทานถูกจุ่มลงในของเหลว โดยใส่เทอร์โมมิเตอร์และวัดอุณหภูมิ นี่คือวิธีที่พวกเขาอนุมานกฎของตนและตราตรึงตลอดกาลในประวัติศาสตร์ แต่ถึงแม้จะไม่มีการทดลอง ก็สามารถอนุมานกฎเดียวกันได้:

U=A/q A=U*q=U*I*t=I^2*R*t แต่ถึงแม้จะให้เกียรติและยกย่องคนเหล่านี้

กฎของ Joule Lenz กำหนดปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาในส่วนของวงจรไฟฟ้าที่มีความต้านทานจำกัดเมื่อกระแสไหลผ่าน ข้อกำหนดเบื้องต้นคือความจริงที่ว่าไม่ควรมีการเปลี่ยนแปลงทางเคมีในส่วนนี้ของห่วงโซ่

การทำงานของกระแสไฟฟ้า

การทำงานของกระแสไฟฟ้าแสดงให้เห็นว่าสนามไฟฟ้าทำงานมากเพียงใดเมื่อเคลื่อนที่ประจุผ่านตัวนำ

รู้สองสูตร: I \u003d q / t ..... และ ..... U \u003d A / q คุณสามารถหาสูตรคำนวณการทำงานของกระแสไฟฟ้าได้: การทำงานของกระแสไฟฟ้าเท่ากับผลคูณของความแรงของกระแสและแรงดันและเวลาที่กระแสไหลในวงจร

หน่วยวัดการทำงานของกระแสไฟฟ้าในระบบ SI: [ A ] \u003d 1 J \u003d 1A ข. ค

เรียนรู้ ไป!เมื่อคำนวณการทำงานของกระแสไฟฟ้า มักใช้หน่วยของกระแสไฟฟ้านอกระบบหลายหน่วย: 1 กิโลวัตต์ต่อชั่วโมง (กิโลวัตต์-ชั่วโมง)

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

ในอพาร์ตเมนต์แต่ละแห่ง เพื่อรองรับการใช้ไฟฟ้า จะมีการติดตั้งมิเตอร์ไฟฟ้าแบบพิเศษซึ่งแสดงการทำงานของกระแสไฟฟ้า ซึ่งเสร็จสมบูรณ์ในช่วงระยะเวลาหนึ่งเมื่อเปิดเครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือนต่างๆ มิเตอร์เหล่านี้แสดงการทำงานของกระแสไฟฟ้า (ปริมาณการใช้ไฟฟ้า) ในหน่วย "kWh"

คุณต้องเรียนรู้วิธีคำนวณค่าไฟฟ้าที่ใช้ไป! เราเข้าใจวิธีแก้ปัญหาในหน้า 122 ของตำราอย่างละเอียด (ย่อหน้า 52)!

ไฟฟ้ากระแสสลับ

กำลังของกระแสไฟฟ้าแสดงการทำงานของกระแสไฟฟ้าที่ทำต่อหน่วยเวลาและเท่ากับอัตราส่วนของงานที่ทำกับเวลาที่งานนี้เสร็จสิ้น

(อำนาจในกลศาสตร์มักจะเขียนแทนด้วยตัวอักษร นู๋, วิศวกรรมไฟฟ้า - ตามตัวอักษร R) เพราะ A = IUtแล้วกำลังของกระแสไฟฟ้าจะเท่ากับ:

หรือ

หน่วยของกระแสไฟฟ้าในระบบ SI:

[P] = 1 W (วัตต์) = 1 A. B

กฎของเคิร์ชฮอฟฟ์ – กฎที่แสดงว่ากระแสและแรงดันสัมพันธ์กันอย่างไรในวงจรไฟฟ้ากฎเหล่านี้กำหนดขึ้นโดย Gustav Kirchhoff ในปี 1845 ในวรรณคดีพวกเขามักถูกเรียกว่ากฎของ Kirchhoff แต่นี่ไม่เป็นความจริงเนื่องจากไม่ใช่กฎแห่งธรรมชาติ แต่ได้มาจากสมการที่สามของ Maxwell ที่มีสนามแม่เหล็กคงที่ แต่ถึงกระนั้นชื่อก็คุ้นเคยกับพวกเขามากกว่าดังนั้นเราจะเรียกพวกเขาตามธรรมเนียมในวรรณคดี - กฎหมายของ Kirchhoff

กฎข้อที่หนึ่งของเคิร์ชฮอฟฟ์ – ผลรวมของกระแสที่มาบรรจบกันในโหนดมีค่าเท่ากับศูนย์

ลองคิดออก โหนดเป็นจุดเชื่อมต่อสาขา สาขาคือส่วนของสายโซ่ระหว่างโหนด รูปแสดงให้เห็นว่ากระแส i เข้าสู่โหนดและกระแส i 1 และ i 2 ออกจากโหนด เราเขียนนิพจน์ตามกฎ Kirchhoff ข้อแรก เนื่องจากกระแสน้ำที่เข้าสู่โหนดมีเครื่องหมายบวก และกระแสที่ออกมาจากโหนดมีเครื่องหมายลบ i-i 1 -i 2 =0 ปัจจุบัน i กระจายออกเป็นกระแสเล็ก ๆ สองกระแสและเท่ากับผลรวมของกระแส i 1 และ i 2 i=i 1 +i 2 แต่ถ้าตัวอย่างเช่นปัจจุบัน i 2 เข้าสู่โหนดแล้วกระแส I จะถูกกำหนดเป็น i=i 1 -i 2 สิ่งสำคัญคือต้องคำนึงถึงสัญญาณเมื่อรวบรวมสมการ

กฎข้อแรกของ Kirchhoff เป็นผลมาจากกฎการอนุรักษ์ไฟฟ้า: ประจุที่มาถึงโหนดในช่วงเวลาหนึ่งจะเท่ากับประจุที่ออกจากโหนดในช่วงเวลาเดียวกันนั่นคือ ประจุไฟฟ้าในโหนดไม่สะสมและไม่หายไป

กฎข้อที่สองของ Kirchhoff – ผลรวมเชิงพีชคณิตของ EMF ที่กระทำในวงจรปิด เท่ากับผลรวมเชิงพีชคณิตของแรงดันไฟตกในวงจรนี้

แรงดันจะแสดงเป็นผลคูณของกระแสและความต้านทาน (ตามกฎของโอห์ม)

กฎหมายฉบับนี้มีกฎเกณฑ์ในการสมัครด้วย ก่อนอื่นคุณต้องกำหนดทิศทางของการบายพาสรูปร่างด้วยลูกศร จากนั้นรวม EMF และแรงดันไฟฟ้าตามลำดับ โดยใช้เครื่องหมายบวกหากค่าตรงกับทิศทางบายพาสและลบหากไม่เป็นเช่นนั้น ลองทำสมการตามกฎของ Kirchhoff ที่สองสำหรับแผนของเรา เราดูที่ลูกศรของเรา E 2 และ E 3 ตรงกับทิศทางของมัน ซึ่งหมายถึงเครื่องหมายบวก และ E 1 ถูกชี้ไปในทิศทางตรงกันข้าม ซึ่งหมายถึงเครื่องหมายลบ ตอนนี้เราดูที่แรงดันไฟฟ้า กระแส I 1 เกิดขึ้นพร้อมกันในทิศทางของลูกศร และกระแส I 2 และฉัน 3 ถูกชี้ตรงข้าม เพราะเหตุนี้:

-E 1 +อี 2 +อี 3 =ฉัน 1 R 1 -ฉัน 2 R 2 -ฉัน 3 R 3

บนพื้นฐานของกฎหมายของ Kirchhoff ได้มีการรวบรวมวิธีการวิเคราะห์วงจรกระแสสลับไซน์ วิธีกระแสวนเป็นวิธีการที่ยึดตามการประยุกต์ใช้กฎ Kirchhoff ที่สอง และวิธีการของศักย์โหนดตามการประยุกต์ใช้กฎ Kirchhoff แรก

เงื่อนไขการเกิดกระแส

และความหนาแน่นที่กำหนดโดยอัตราส่วน:

พลาสม่า.

). โดยปกติเรียกว่าอุณหภูมิต่ำเนื่องจากอุณหภูมิของอะตอมและไอออนใกล้เคียงกับอุณหภูมิห้อง พลังงานเฉลี่ยของอิเล็กตรอนที่เบากว่ามากกลับกลายเป็นว่าสูงกว่ามาก ที่. พลาสมาอุณหภูมิต่ำโดยพื้นฐานแล้วเป็นสื่อเปิดที่ไม่สมดุล ตามที่ระบุไว้ กระบวนการจัดระเบียบตนเองเป็นไปได้ในสื่อดังกล่าว ตัวอย่างที่รู้จักกันดีคือการสร้างรังสีที่มีลำดับสูงในพลาสมาของเลเซอร์แก๊ส

ไฟฟ้าในบรรยากาศ

A/) แม้ในตัวนำที่ไม่ดีเช่นอากาศ กระแสทั้งหมดที่มายังพื้นผิวโลกมีขนาดใหญ่มาก (ประมาณ A) และพลังงานที่ปล่อยออกมานั้นเทียบได้กับพลังของโรงไฟฟ้าที่สร้างขึ้นทั้งหมด (W) คำถามตามธรรมชาติเกิดขึ้นเกี่ยวกับกลไกในการรักษาความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นและเกี่ยวกับสาเหตุที่มนุษย์ยังไม่ได้ใช้การมีอยู่ของมัน

กระแสไฟฟ้าในเนื้อเยื่อที่มีชีวิต