Caracteristicile curentului electric. Teoria clasică a conductivității electrice a metalelor. Legile lui Ohm și Joule-Lenz în formă diferențiată. Legi de curent continuu în formă integrală. Caracteristicile circuitului electric, emf. Conexiuni de rezistențe și emf. Regulile lui Kirchhoff.
1.
Electrodynamica este o secțiune a doctrinei energiei electrice, care se ocupă de fenomene și procese asociate cu mișcarea încărcăturilor electrice sau a corpurilor încărcate.
2.
Curentul electric este orice mișcare ordonată a sarcinilor electrice.
1.
Curentul electric în conducerea mediilor sub influența unui câmp electric este curentul de conducție.
2.
Mișcarea mecanică în spațiul obiectelor macroscopice este un curent de convecție.
3.
Direcția curentului electric este direcția de mișcare a sarcinilor pozitive.
4.
Condiții pentru existența unui curent electric în conductori:
- prezența transportatorilor liberi;
- existența în mediul conducător al unui câmp electric. a căror energie este cheltuită pe mișcarea încărcăturii și este alimentată din surse de energie electrică.
3.
Curentul electric este cantitatea scalară egală cu raportul de încărcare dq. transportat prin suprafața avută în vedere într-un interval scurt de timp dt. la valoarea acestui decalaj
Pentru curent continuu
4.
Direcția curentului electric este determinată de vectorul densității curente j. care este dirijată de-a lungul vectorului de intensitate a câmpului electric și este numeric egal cu raportul dintre puterea curentului dI și un element mic al suprafeței dS. normale la direcția de mișcare a particulelor încărcate, la magnitudinea zonei acestui element
În general, vectorul densității curente este determinat din relație
1.
Se determină curentul printr-o suprafață arbitrară S
Pentru curent continuu
2.
Densitatea curentului electric este proporțională cu puterea E a câmpului electric din conductor și coincide cu el în lungul direcției (legea lui Ohm în formă diferențială)
unde # 947; - conductivitatea specifică a mediului (conductivitate electrică specifică); # 961; Este rezistența ectrică specifică a mediului.
3.
Legea lui Ohm se bazează pe două ipoteze:
a) concentrația electronilor de conducere nu depinde de intensitatea câmpului electric din conductor;
b) viteza medie a mișcării ordonate a electronilor este de multe ori mai mică decât viteza medie a mișcării lor termice
unde este calea medie liberă a electronilor; e este încărcarea electronică.
5.
Conductibilitatea electrică a metalelor este asigurată de un număr mare de purtători de sarcină liberi - electroni de conducere - electroni colectivizați.
1.
În teoria clasică Drude-Lorentz, electronii de conducere sunt tratați ca gaz de electroni. care posedă proprietățile unui gaz ideal.
2.
Concentrarea electronilor de conducere este proporțională cu concentrația de atomi
(10 28 ÷ 10 29 m 3)
unde NA este constanta Avogadro, A este masa atomică a metalului, # 961; Densitatea sa.
3.
Energia cinetică medie a mișcării termice (haotice) a electronilor
4.
Câmpul electric determină mișcarea comandată (deriva) a electronilor. Densitatea curentului este determinată de
unde este viteza medie de derivație a electronilor (<10 -4 м/с)
5.
Curentul electric din circuit este setat în timp
unde L este lungimea lanțului, c este viteza luminii.
6.
În conformitate cu teoria clasică,
unde m este masa de electroni; u este rata medie de mișcare termică a electronilor.
6.
La calea medie liberă, un electron aflat sub influența unui câmp electric obține o viteză vmax. În coliziune cu un ion, un electron pierde această energie, care trece în energia internă a conductorului (conductorul se încălzește).
1.
Cantitatea care este numeric egală cu energia eliberată pe unitatea de volum a conductorului pe unitate de timp se numește densitatea volumică a puterii termice a curentului electric.
2.
Densitatea volumului puterii termice a curentului electric este egală cu produsul scalar al vectorilor densității de curent și intensitatea câmpului electric (legea Joule-Lenz)
densitatea volumului puterii termice a curentului electric nu depinde de natura coliziunilor electronice;
din legile conservării energiei și impulsului rezultă că în ionul de coliziune se transferă doar o mică parte din energia electronilor
- în cazul unei coliziuni inelastice;
- la o coliziune elastică.
7.
Pentru toate metalele, raportul conductivității termice # 955; la conductivitatea electrică specifică # 947; este direct proporțională cu temperatura T (legea Wiedemann-Franz)
8.
Dezavantajele teoriei clasice a conductivității electrice a metalelor:
1.
Este imposibil să se explice dependența liniară observată experimental a rezistivității la temperatură.
2.
Valoarea incorectă a capacității de căldură molară a metalelor, care ar trebui adăugată din capacitatea de căldură a rețelei cristaline (3R) și capacitatea de căldură a gazului de electroni (3R / 2). Totuși, conform legii Dulong-Petit, capacitatea molară a căldurii metalelor diferă puțin de 3R.
3.
Valorile experimentale ale rezistivității și ale valorilor teoretice ale vitezei medii a electronilor conduc la o cale medie liberă, care este de două ordine de mărime mai mare decât cea a laturii cristaline a metalului.
9.
Forțele interacțiunii Coulomb provoacă o astfel de redistribuire a încărcărilor în conductor, la care potențialele în toate punctele conductorului sunt egale, iar intensitatea câmpului din interiorul conductorului devine zero.
1.
Pentru a menține un curent constant în circuit, este necesar ca forțele Coulomb, dar și forțele non-electrostatice, să acționeze asupra transportoarelor actuale. susținând o valoare dată a intensității câmpului electric în conductor. Astfel de forțe sunt numite forțe secundare.
2.
Forțele externe acționează în interiorul surselor de energie electrică pe purtătorii actuali, care se deplasează împotriva forțelor câmpului electrostatic.
10.
Dacă conductorul conține o sursă de energie electrică, atunci la un punct arbitrar al conductorului există un câmp electrostatic al forțelor Coulomb cu intensitatea lui Ekul și un câmp de forțe exterioare cu o intensitate Et = Fstor / q. și intensitatea câmpului rezultat
1.
Conform legii lui Ohm, densitatea curentă
2.
Noi multiplicăm ambele părți prin # 961; și lungimea dl a porțiunii mici a lanțului. Pentru secțiunea lanțului dintre punctele 1 și 2 (cu I = jS)
3.
Integralul este numeric egal cu munca efectuată de forțele Coulomb asupra deplasării unei sarcini pozitive unitare de la punctul 1 la punctul 2
4.
Al doilea integral este egal numeric cu forța forțelor exterioare la deplasarea unei sarcini pozitive unitare de la punctul 1 la punctul 2. Acest integru definește conceptul de forță electromotive
5.
Tensiunea U12 pe segmentul 1 - 2 al lanțului este o cantitate fizică egală cu cea efectuată de forțele Coulomb și de terțe părți atunci când se deplasează o încărcare pozitivă unitară de la punctul 1 la punctul 2
6.
Rezistența R12 a segmentului de lanț între punctele 1 și 2 este integrala
Pentru un conductor omogen de secțiune constantă
7.
Legea generalizată a lui Ohm (legea lui Ohm în formă integrală) pentru un segment arbitrar al lanțului
8.
Într-un circuit închis, fără curent, curentul în toate secțiunile este același. Lanțul însăși este o regiune cu capete coincide.
unde # 958; Este suma algebrică a tuturor emf-urilor aplicate în circuit.
9.
Dacă un circuit închis constă dintr-o sursă de energie electrică cu un EMF # 958; și rezistența internă r. iar rezistența părții exterioare a lanțului este R. Atunci legea lui Ohm are forma
iar diferența de potențial la bornele sursei este egală cu tensiunea din exteriorul circuitului
10.
Dacă circuitul este deschis, atunci nu există curent în el și
11.
Când curentul trece prin conductor în conformitate cu legea Joule-Lenz, căldura este eliberată
11.
Calculul lanțurilor ramificate constă în găsirea curenților în diferite secțiuni ale unor astfel de circuite în funcție de valorile de rezistență date ale segmentelor de circuit și ale EMF aplicate în ele.
1.
Un nod este un punct al unui lanț ramificat în care se converg mai mult de doi conductori.
2.
Prima regulă a lui Kirchhoff (regula nodurilor). Suma algebrică a curenților care converg la nod este egală cu zero.
3.
A doua regulă este Kirchhoff (contururi regulate). în orice buclă închisă aleasă în mod arbitrar într-un lanț ramificat, suma algebrică a produselor curenților Ii de rezistențele Ri ale secțiunilor corespunzătoare ale acestui circuit este egală cu suma algebrică a emf-ului în circuit
4.
A doua regulă Kirchhoff vă permite să calculați magnitudinea curenților și a rezistențelor în secțiunile complexe ale circuitelor electrice
1.
Când conductorii sunt conectați în serie la rezistențele R1, R2 și R3, puteți scrie
ci pentru un lanț neramificat și
Aceasta înseamnă că atunci când conductorii sunt conectați în serie, rezistența circuitului este egală cu suma rezistențelor conductorilor care alcătuiesc circuitul.
2.
La conectarea paralelă a conductorilor cu rezistențe R1, R2 și R3 pot fi scrise
Dar, aplicând prima regulă Kirchhoff pentru orice nod, ajungem
Aceasta înseamnă că atunci când conductorii sunt conectați în paralel, rezistența circuitului este egală cu suma reciprocă a rezistenței conductorilor care alcătuiesc circuitul.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: