Curent electric. Legea lui Ohm
Dacă un conductor izolat este plasat într-un câmp electric E →. atunci forța F → = q E → acționează asupra sarcinilor libere q din conductor. Ca urmare, circulația pe termen scurt a taxelor libere se face în dirijor. Acest proces se va termina atunci când câmpul electric intrinsec al sarcinilor create pe suprafața conductorului compensează complet câmpul extern. Câmpul electrostatic rezultat în interiorul conductorului va fi zero (vezi § 1.5).
Cu toate acestea, în conductori, în anumite condiții, poate apărea o mișcare comandată continuu a purtătorilor liberi de încărcare electrică. O astfel de mișcare se numește curent electric. Direcția mișcării încărcărilor libere pozitive este considerată direcția curentului electric. Pentru existența unui curent electric într-un conductor, este necesar să se creeze un câmp electric în el.
Măsura cantitativă a curentului electric este intensitatea curentă I - o cantitate fizică scalară egală cu raportul sarcinii Δq. transportată prin secțiunea transversală a conductorului (Figura 1.8.1) pe intervalul de timp Δt. la acest interval de timp: I = Δ q Δ t.
Dacă curentul și direcția sa nu se schimbă în timp, atunci un astfel de curent este numit constant.
Mișcarea comandată a electronilor într-un conductor metalic și curentul I. S este aria secțiunii transversale a conductorului, E → este câmpul electric
În sistemul internațional de unități SI curentul este măsurat în amperi (A). Unitatea de măsură a curentului 1 A este stabilită prin interacțiunea magnetică a doi conductoare paralele cu curent (vezi § 1.16).
Un curent electric constant poate fi creat numai într-un circuit închis în care purtătorii de taxe libere circulă de-a lungul traiectoriilor închise. Câmpul electric în diferite puncte ale unui astfel de lanț este invariabil în timp. În consecință, câmpul electric din circuitul DC are caracterul unui câmp electrostatic înghețat. Dar când încărcarea electrică este deplasată într-un câmp electrostatic de-a lungul unei traiectorii închise, forța forțelor electrice este zero (vezi § 1.4). Prin urmare, pentru existența unui curent direct, este necesar să se aibă în circuitul electric un aparat capabil să creeze și să mențină diferențe potențiale asupra secțiunilor circuitului datorită funcționării forțelor de origine neelectrostatică. Astfel de dispozitive sunt denumite surse DC. Forțele de origine neelectrostatică care acționează asupra unor purtători de sarcină gratuit din surse curente se numesc forțe externe.
Natura forțelor externe poate fi diferită. În celulele galvanice sau în acumulatoare apar ca urmare a proceselor electrochimice, în generatoarele de curent continuu apar forțe externe atunci când conductorii se deplasează într-un câmp magnetic. Sursa de curent din circuitul electric joacă același rol ca și pompa, necesară pentru pomparea lichidului într-un sistem hidraulic închis. Sub acțiunea forțelor exterioare, încărcăturile electrice se deplasează în interiorul sursei de curent contra forțelor câmpului electrostatic, astfel încât în circuitul închis se poate menține un curent electric constant.
Atunci când se deplasează încărcături electrice de-a lungul circuitului DC, forțele externe care acționează în interiorul surselor curente fac lucrul.
Cantitatea fizică egală cu raportul de forțe externe de funcționare Ast atunci când se deplasează q taxa pe polul negativ la sursa de curent pozitiv la amploarea acestei taxe, numita sursa electromotoare (EDS): EDS = ℰ = A v q.
Astfel, EMF este determinat de munca depusă de forțele externe atunci când se mișcă o singură sarcină pozitivă. Forța electromotive, precum și diferența de potențial, sunt măsurate în volți (V).
Atunci când se deplasează sarcina pozitivă unitate pe o operațiune cu circuit închis de curent continuu al forțelor externe este egală cu suma FME, curent în acest circuit și funcționarea câmpului electrostatic este zero.
Circuitul DC poate fi împărțit în secțiuni separate. Zonele în care forțele terțe nu acționează (adică zonele care nu conțin surse curente) sunt numite omogene. Site-urile care includ surse curente sunt numite neuniforme.
Când se deplasează o singură încărcare pozitivă pe o anumită secțiune a lanțului, lucrarea se realizează atât prin electrostatic (Coulomb), cât și prin forțe exterioare. Lucrarea forțelor electrostatice este egală cu diferența de potențial Δφ12 = φ1 - φ2 între punctele inițiale (1) și finale (2) ale secțiunii neomogene. Munca forțelor externe este, prin definiție, forța electromotoare ℰ12. care funcționează pe acest site. Prin urmare, munca totală este egală cu U12 = φ1 - φ2 + ℰ12.
Valoarea U12 este denumită de obicei tensiunea din secțiunea lanțului 1-2. În cazul unei regiuni omogene, tensiunea este egală cu diferența de potențial: U12 = φ1 - φ2.
fizician H. german 1826 Ohmi godu constatat experimental că amperajul a curentului I. conductor metalic omogen (adică conductorul, care nu operează forțe exterioare ..) proporțional cu tensiunea U la capetele conductorului: I = 1 sau RU RI = U. unde R = const.
Cantitatea R se numește rezistența electrică. Un conductor cu rezistență electrică se numește rezistor. Această relație exprimă legea lui Ohm pentru o parte omogenă a circuitului: curentul din conductor este direct proporțional cu tensiunea aplicată și invers proporțional cu rezistența conductorului.
În SI, rezistența electrică a conductorilor este ohm (Ohm). Rezistența în 1 Ohm are o astfel de secțiune a circuitului în care o tensiune de 1 V produce un curent de 1 A.
Conductorii, sub rezerva legii lui Ohm, sunt numiți liniari. Dependența grafică a curentului I de tensiunea U (astfel de grafice sunt denumite caracteristici de tensiune curentă, VAC abreviată) 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 o diodă semiconductoare sau o lampă cu descărcare în gaz. Chiar și pentru conductoarele metalice cu curenți de putere suficient de ridicată, se observă o abatere de la legea liniei Ohm, deoarece rezistența electrică a conductorilor metalici crește odată cu creșterea temperaturii.
Pentru partea din circuit care conține EMF, legea lui Ohm este scrisă în următoarea formă: IR = U12 = φ1 - φ2 + ℰ = Δφ12 + ℰ.
Această relație este numită în general legea generalizată a lui Ohm sau legea lui Ohm pentru secțiunea neomogenă a lanțului.
În Fig. 1.8.2 prezintă un circuit închis de curent continuu. Segmentul de lanț (cd) este omogen.
Circuitul DC
Prin legea lui Ohm, IR = Δφcd.
Secțiunea (ab) conține o sursă de curent cu EMF egală cu ℰ.
Conform legii lui Ohm pentru o secțiune neomogenă, Ir = Δφab + ℰ.
Adăugând ambele egalități, obținem: I (R + r) = Δφcd + Δφab + ℰ.
Această formulă exprimă legea lui Ohm pentru lanțul complet: curentul în circuit este egală cu cantitatea totală de sursă forța electromotoare, împărțită la suma rezistențelor pieselor omogene și neomogene ale circuitului.
Rezistența r a secțiunii neomogene din Fig. 1.8.2 poate fi considerată o rezistență internă a unei surse de curent. În acest caz, secțiunea (ab) din Fig. 1.8.2 este partea internă a sursei. Dacă punctele a și b sunt închise de un conductor a cărui rezistență este mică în comparație cu rezistența internă a sursei (R < Rezistența la curentul de scurtcircuit este curentul maxim care poate fi obținut de la o sursă dată cu o forță electromotoare ℰ și o rezistență internă r. Pentru sursele cu rezistență internă scăzută, curentul de scurtcircuit poate fi foarte mare și poate provoca distrugerea circuitului sau a sursei electrice. De exemplu, bateriile cu plumb utilizate în mașini pot avea un curent de scurt-circuit de câteva sute de amperi. În special periculoase sunt scurtcircuitele în rețelele de iluminat, alimentate de la substații (mii de amperi). Pentru a evita efectul distructiv al unor astfel de curenți mari, siguranțele sau întrerupătoarele speciale sunt incluse în circuit. În unele cazuri, pentru a preveni valorile periculoase ale curentului de scurtcircuit, o anumită rezistență externă este conectată în serie la sursă. Apoi rezistența r este egală cu suma rezistenței interne a sursei și a rezistenței externe, iar în cazul unui scurtcircuit, rezistența curentului nu va fi excesiv de mare. În cazul în care circuitul extern este deschis, atunci Δφba = - = Δφab ℰ, adică, diferența de potențial la polii bateriei este egală cu de-emf deschis ... Dacă rezistența externă a sarcinii R este pornită și curentul trece prin bateria I. diferența de potențial la poli se face Δφba = ℰ-Ir. În Fig. 1.8.3 o imagine schematică sursă de curent continuu cu EMF ℰ egal și r rezistența internă în trei moduri: „idle“, sarcina de lucru și modul de scurtcircuit (în s ..). Intensitatea câmpului electric E Afișate → în interiorul bateriei și forțele care acționează pe o sarcină pozitivă: F → e - forța electrică F → și v - sided forță. În modul de scurtcircuit, câmpul electric din interiorul bateriei dispare. Reprezentarea schematică a unei surse de curent continuu: 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 DC, se utilizează instrumente speciale - voltmetre și ampermetre. Voltmetrul este proiectat pentru a măsura diferența de potențial aplicată la terminalele sale. Acesta este conectat în paralel cu secțiunea circuitului pe care se măsoară diferența de potențial. Orice voltmetru are o rezistență internă RB. Pentru a voltmetru nu are nici o redistribuire semnificativă a curenților când este conectat la circuitul, rezistența internă trebuie să fie mare în comparație cu rezistența porțiunii de circuit la care este conectat. Pentru lanțul prezentat în Fig. 1.8.4, această condiție este scrisă ca: RB >> R1. Această condiție înseamnă că actuala IB = Δφcd / RB. tensiunea care curge prin voltmetru este mult mai mică decât curentul I = Δφcd / R1. care curge prin secțiunea de testare a lanțului. Deoarece nu există forțe externe care să acționeze în interiorul voltmetrului, diferența de potențial la bornele sale coincide, prin definiție, cu tensiunea. Prin urmare, putem spune că voltmetrul măsoară tensiunea. Ampermetrul este proiectat pentru a măsura curentul în circuit. Ampermetrul este conectat în serie pentru a întrerupe circuitul electric astfel încât întregul curent măsurat să treacă prin el. Ampermetrul are de asemenea o rezistență internă RA. Spre deosebire de voltmetru, rezistența internă a ampermetrului ar trebui să fie suficient de mică în comparație cu impedanța întregului circuit. Pentru lanțul din Fig. 1.8.4 Rezistența ampermetrului trebuie să satisfacă condiția RA<<(r + R1 + R2 ). чтобы при включении амперметра ток в цепи не изменялся. Instrumentele de măsură - voltmetre și ampermetre - sunt de două tipuri: săgeată (analogică) și digitală. Aparatele electrice digitale sunt dispozitive electronice sofisticate. De obicei, instrumentele digitale oferă măsurători mai precise. Comutarea ampermetrului (A) și a voltmetrului (B) într-un circuit electric
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: