Puterea și densitatea curentului

Electrodinamică - secțiunea principală a teoriei energiei electrice, care analizează fenomenul și procesele asociate cu mișcarea sarcinilor electrice sau a organismelor macroscopice încărcate.







Cel mai important concept al electrodinamicii este conceptul de curent electric.

Un curent electric este mișcarea comandată a sarcinilor electrice.

Curentul poate curge în gaze, lichide și solide.

Curentul datorat mișcării ordonate a sarcinilor libere se numește curent de conducție (curent în metale, semiconductori, electroliți, gaze).

Curentul care are loc atunci când o mișcare comandată de corpuri încărcate macroscopic (praf, picături) se numește convectivă.

În viitor, vor fi luate în considerare doar curenții de conducere.

Pentru apariția și existența unui curent este necesar să se îndeplinească două condiții:

1) prezența în acest mediu a purtătorilor liberi care se pot deplasa în întregul mediu:

în metale și semiconductori - electroni;

în electroliți - ioni ai ambelor semne;

în gaze - ioni de semne și electroni;

2) existența în mediul dat a unui câmp electric, a cărui energie este cheltuită pe mișcarea ordonată a sarcinilor electrice.

Pentru direcția curentului ia în mod condiționat direcția de mișcare a sarcinilor pozitive.

În absența unui câmp electric, toți purtătorii actuali realizează o mișcare termică haotică, a cărei viteză depinde de masa particulelor și de temperatura,

Câmpul electric este raportat purtător de curent viteza de mișcare a dispus în continuare Atunci când câmpul este suprapus peste mișcarea haotică a ordonat mișcare cu viteză. Astfel, în metale, electronii de conducere, fără a opri mișcarea lor haotică, încet încet "demolează" câmpul de-a lungul conductorului cu o viteză. și anume destul de încet. Cu toate acestea, această viteză nu are nimic de-a face cu viteza propagării actuale de-a lungul conductorului. Când circuitul electric este închis, apare o schimbare de direcție electronică, ceea ce determină propagarea unui val electromagnetic de-a lungul întregului circuit. Viteza acestui val este viteza de propagare a curentului de-a lungul conductorului.

Caracteristica cantitativă a curentului este intensitatea curentă - o cantitate fizică scalară egală cu raportul dintre sarcină. trecând prin secțiunea transversală a conductorului într-un timp scurt. la valoarea acestui decalaj

Întreaga sarcină care a trecut prin timpul t prin secțiunea transversală a conductorului poate fi determinată prin preluarea integrală a:

Curentul, a cărui forță și direcție nu se schimbă odată cu timpul, este numită constantă. Pentru curent continuu:

și anume rezistența unui curent direct este numeric egală cu sarcina care trece prin secțiunea transversală a conductorului pe unitatea de timp. În acest caz:

1A - DC curent care curge prin două conductoare infinit lungi, paralele, dispuse în vid, la o distanță de 1 m unul de altul și care cooperează cu forța de 2 × 10 -7 H pe metru de lungimea lor. Interacțiunea conductorilor se datorează câmpurilor magnetice generate de acești curenți.

Curentul electric poate fi distribuit neuniform pe secțiunea transversală a conductorului. Distribuția curentului este determinată de densitatea curentului:







Densitatea curentului este numeric egală cu raportul dintre puterea curentului printr-un element de suprafață mic, normal (adică, perpendicular) față de direcția de mișcare a încărcărilor, în zona acestui element.

Vectorul este co-direcționat cu vectorul vitezei medii a mișcării ordonate a purtătoarelor pozitive.

Cunoscând în fiecare punct al conductorului, am putea găsi I prin orice secțiune transversală a conductorului:

Pentru curent continuu:

și anume densitatea curentului direct este numeric egală cu puterea curentului care trece prin unitatea din zona secțiunii transversale a conductorului perpendicular pe direcția curentului.

Exprimăm forța și densitatea unui curent direct prin viteza medie a mișcării ordonate a sarcinilor.

Încărcarea care trece prin timpul t prin secțiunea transversală a conductorului este egală cu

unde e = 1,6 × 10 -19 Cl este sarcina electrică,

N este numărul de electroni liberi care au trecut prin timpul t prin secțiunea transversală a conductorului.

Pentru a determina N, considerăm un conductor de formă cilindrică cu o zonă a secțiunii transversale S și selectați o secțiune de lungime pe ea. și anume este calea pe care electronii trece prin timpul t, se deplasează sub acțiunea câmpului electric c. Așa cum se poate vedea din figură, acei electroni, care sunt în momentul de față pe baza stângă a cilindrului, prin t vor ajunge la baza dreaptă. În consecință, în timp, toți electronii liberi conținute în cilindrul în cauză vor trece prin baza dreaptă;

unde este concentrația de electroni,

Substituim (3) ® în (2) ® în (1)

Când doi oppositely încărcat potențialurilor j1 și j2 conductorului A și pentru a conecta conducta C, sub un câmp electric, electronii se vor deplasa în direcția DIA (adică în direcția curentului voinței BCA), atâta timp cât potențialul punctelor A și B nu vor fi aceleași, după care curentul se va opri.

Este evident că, pentru a menține legătura de curent continuu trebuie să fie J1 potențialul și J2 nu sa schimbat în timp, în ciuda faptului că în fiecare secundă a unui anumit număr de electroni merge de la punctul A și ajunge la punctul B. Pentru a face acest lucru, trebuie să aveți un dispozitiv special - o sursă de curent , care ar avea loc în separarea continuă a taxelor opuse sarcinilor negative și transferate la conductorul a, pozitiv - la un conductor W. conductorilor a și B se numesc la aceleași polii sursei de curent.

Sursa curentului este un dispozitiv în care are loc o separare continuă a încărcărilor de sarcini opuse și le transferă la stalpii corespunzători ai sursei.

Este evident că deconectarea încărcărilor, spre deosebire de încărcături, are loc sub acțiunea forțelor de origine non-electrostatică (deoarece forțele electrostatice conduc la o combinație de încărcături, spre deosebire de încărcături). Aceste forțe sunt numite forțe externe.

Forțele terțe sunt forțe de origine non-electrostatică care acționează pe sarcini în interiorul surselor curente și susțin diferența potențială dintre poli.

Natura forțelor externe în diferite surse de curent este diferită: în celulele galvanice, aceste forțe provin din energia reacției chimice dintre electrozi și electrolit; în generatoare electrice, munca forțelor externe se face în detrimentul energiei mecanice consumate pentru rotirea rotorului generatorului etc.

Forțele exterioare, încărcarea încărcăturilor electrice, nu funcționează.

O cantitate fizică egală cu forța forțelor externe în deplasarea unei încărcături pozitive unitare se numește emf. acționând în lanț sau pe site-ul său:

Această lucrare se face în detrimentul energiei consumate în sursa curentă, astfel încât valoarea e este numită emf. sursă de curent.

emf este o cantitate scalară. Dacă există mai multe emf-uri în unele lanțuri. atunci acestea pot fi pozitive și negative, adică emf este o cantitate algebrică.

Să luăm în considerare o anumită parte a lanțului care conține emf-ul. E12; R este rezistența acestei secțiuni, j1 și j2 reprezintă diferența potențială dintre capetele sale.

Lucrările privind transferul de sarcină q pe acest site sunt efectuate atât de forțele Coulomb, cât și de cele ale terților:

După cum se știe din Electrostatica, locul de muncă forțe Coulomb atunci când se deplasează taxa de la punctul J1 potențialul de la punctul de la potențialul J2 determinat de expresia:

O cantitate fizică egală cu munca efectuată de forțele electrostatice și terțe atunci când se deplasează o sarcină pozitivă a unității pe o anumită secțiune a lanțului se numește tensiune pe o anumită secțiune a lanțului:

U12 = j1 - j2 + e12 - tensiune pe partea neuniformă a circuitului.

Porțiunea lanțului pe care acționează forțele externe, adică conținând emf. se numește neomogen.

O secțiune a lanțului pe care forțele exterioare nu acționează, adică care nu conține un emf se spune că este omogenă.

U12 = j1 - j2 - tensiunea pe partea omogenă a circuitului este egală cu diferența de potențial dintre capetele sale.







Articole similare

Trimiteți-le prietenilor: