Mikä arvo toimii sähkövirran kvantitatiivisena ominaisuutena. Sähkövirran ominaisuudet ja sen olemassaolon ehdot. Sähkömoottorivoima, jännite. Klassinen elektroniikka teoria metallien sähkönjohtavuudesta
Sähköisku kutsutaan suunnatuksi (järjestetyksi) liikkeeksi sähkövaraukset(Kuva 13.1). Näitä hiukkasia itseään kutsutaan virran kantajiksi.
Virta voi virrata kiinteissä aineissa, nesteissä ja kaasuissa. Jos väliaine on johdin, jossa on suuri määrä vapaita elektroneja, sähkövirran virtaus tapahtuu näiden elektronien ajautuman vuoksi. Elektronien ajautumista johtimissa, jotka eivät liity aineen liikkeeseen, kutsutaan johtavuusvirta. Johtovirralla tarkoitetaan elektronien järjestettyä liikettä johtimissa, ionien liikettä elektrolyyteissä, elektronien ja reikien liikettä puolijohteessa, ionien ja elektronien liikettä kaasuissa. Varautuneen kappaleen liikkumiseen avaruudessa liittyvää sähkövarausten järjestettyä liikettä kutsutaan konvektiovirta.
Virran suunnalle positiivisten varausten ryömintä hyväksytään (johtavuuselektronit liikkuvat aina vastakkaiseen suuntaan kuin virran suunta ("+":sta "-")). Tämä saattaa tuntua epämukavalta, mutta nyt sinun ei enää tarvitse tehdä eroa johtimessa olevan virran suunnan ja sähköstaattinen kenttä, aiheuttaa tämän virran: nämä suunnat ovat aina samat.
Nykyinen vahvuus – skalaarisuure, joka on yhtä suuri kuin sähkömäärän dq suhde, joka ajan dt aikana siirtyy tietyn johtimen osan läpi, suhdetta aikaan dt:
Tasavirta kutsutaan sähkövirraksi, jonka voimakkuus ja suunta eivät muutu ajan kuluessa. varten tasavirta
jossa q on sähkövaraus, joka kulkee johtimen poikkileikkauksen läpi ajan t aikana.
Virran yksikkö on ampeeri (A).
Määritetään nopeus, jolla elektronit ajautuvat virtaa kuljettavassa johtimessa.
Ajan Δt aikana johtimen S poikkileikkauksen läpi kulki N elektronia, joiden kokonaisvaraus Δq = Nе. Jos elektronien suunnatun liikkeen nopeus on yhtä suuri kuin υ, niin ajassa Δt ne kaikki päätyvät pituudeltaan ℓ = υ Δt ja tilavuudeltaan V=Sℓ -osaan. Täten,
ilmaisemalla tässä virrankantajien lukumäärän niiden pitoisuuden kautta (N = nV = nSℓ)
Virran I suhde johtimen S poikkipinta-alaan kohtisuorassa virran suuntaan nähden on vektorisuure kutsutaan virrantiheydeksi.
Tällöin elektronien nopeus johtimessa voidaan kirjoittaa 
, täältä
Virran tiheys voidaan laskea kaavalla
j = ne‹υ› (13,4)
Täten, nykyinen tiheys Johtimessa on verrannollinen siinä olevien vapaiden elektronien pitoisuuteen ja niiden liikkeen nopeuteen.
Vektori j on suunnattu virran suuntaa pitkin, ts. osuu yhteen positiivisten varausten järjestetyn liikkeen suunnan kanssa.
Virran voimakkuus mielivaltaisen pinnan S läpi määritellään vektorin j virtaukseksi, ts.
(13.5)
missä dS = n∙dS (n = alueen dS normaalin yksikkövektori, mikä muodostaa kulman α vektorin j kanssa).
Tasavirtasähkökenttää kutsutaan paikallaan . Toisin kuin sähköstaattinen kenttä, paikallaan sähkökenttä luotu liikkuvien maksujen avulla. Näiden varausten jakautuminen tasavirtaa käyttävässä johtimessa ei kuitenkaan muutu ajan myötä: uudet sähkövaraukset korvaavat jatkuvasti lähtevät sähkövaraukset. Siksi näiden varausten synnyttämä sähkökenttä osoittautuu lähes samaksi kuin paikallaan olevien varausten kenttä.
Ne eroavat toisistaan siinä, että johtimien sisällä ei ole sähköstaattista kenttää, kun taas johtimien sisällä on myös kiinteä tasavirtakenttä (muuten niiden läpi ei kulje virtaa).
DC SÄHKÖVIRTA
Suunnitelma
Sähkövirran ominaisuudet ja sen olemassaolon ehdot. Sähkömotorinen voima, Jännite.
Klassinen elektroniikka teoria metallien sähkönjohtavuudesta.
Ohmin ja Joule-Lenzin lakien johtaminen elektronisista esityksistä.
Klassisen elektroniikkateorian vaikeudet.
Kirchhoffin lait.
1. Sähkövirran ominaisuudet ja sen olemassaolon ehdot.
SISÄÄN sähköstatiikka aiheuttamia ilmiöitä kiinteät lataukset. Jos jostain syystä syntyy Varausten määrätty liike ja nollasta poikkeava varaus siirtyy pinnan läpi, sitten he sanovat niin syntyy sähkövirtaa.
Sähkövirran kvantitatiivinen ominaisuus on nykyinen vahvuus – varauksen määrä, joka siirtyy tarkasteltavan pinnan läpi aikayksikköä kohti. Jos varaus siirtyy pinnan läpi ajan myötä 
, niin virran voimakkuus on:
Virran yksikkö on ampeeri (A). Takana virran suunta hyväksytään suunta, johon positiiviset varaukset liikkuvat, tai suunta, joka on vastakkainen negatiivisten varausten liikkumissuuntaan nähden. Väliaineessa liikkuvia ilmaisia maksuja kutsutaan nykyiset operaattorit.
Sähkö voidaan jakaa epätasaisesti pitkin pintaa, jonka läpi se virtaa. Virta voidaan karakterisoida tarkemmin käyttämällä virrantiheysvektoria 
. Anna varautuneiden hiukkasten liikkua tiettyyn suuntaan nopeudella 
. virrantiheysvektori kutsutaan vektoriksi, jonka suunta on sama kuin positiivisten varausten nopeuden suunta (tai negatiivisten varausten nopeuden suuntaa vastaan), ja itseisarvo yhtä suuri kuin nykyinen suhde 
perustason kautta 
, joka sijaitsee tietyssä pisteessä tilassa, joka on kohtisuorassa kantoaaltojen liikesuuntaa vastaan, sen alueelle.
Nykyisten kantoaaltojen määrä tilavuusyksikköä kohti 
nimeltään nykyinen kantoaaltotiheys. Yksittäisen liikenteenharjoittajan maksu ilmoitetaan 
.
Jos vapaat varaukset ovat esimerkiksi elektroneja ja positiiviset varaukset ovat paikallaan (tämä on tilanne metalleissa), Se Kantoaaltotiheys on sama kuin vapaiden elektronien lukumäärä tilavuusyksikköä kohti.
SISÄÄN 
Riisi. 20.1
Virtatiheysvektori voidaan ilmaista virrankantajien tiheydellä ja niiden liikkeen nopeudella. Varauksen määrä, joka siirtyy ajan kuluessa tietyn pinnan läpi 
, kohtisuorassa nopeusvektoriin nähden (kuva 20.1), on yhtä suuri kuin 
. Tänä aikana alueen läpi kulkevat kaikki vapaat panokset suuntaissärmiössä, jossa on kanta ja pituus 
. Jos alue on tarpeeksi pieni, virrantiheyttä sen rajoissa voidaan pitää vakiona ja sitten: 
.
Vektorimuodossa:
Virran voimakkuus mielivaltaisen pinnan läpi
Sähköinen ilmaisten maksujen liikkeen vuoksi erityyppisissä johtimissa kutsutaan johtavuusvirta.
Johtimen vapaat varaukset kokevat törmäyksiä johtimen atomien kanssa. "Vapaajuoksun" aikana 
kahden törmäyksen välillä johtimessa oleva varaus saa suuntanopeus ulkoa pitkin sähkökenttä:
Missä 
sähkökentän voimakkuus johtimessa. Seuraavan törmäyksen jälkeen nopeus menetetään. Sitten seuraavaan törmäykseen asti tapahtuu uusi suuntanopeuden lisäys.
Yllä olevasta seuraa, että edellytykset virran olemassaololle On:
A) Ilmaisten maksujen olemassaolo;
B) Sähkökentän läsnäolo johtimen sisällä, joka tukee varausten liikettä.
Sähkömotorinen voima, jännitys .
Jos vain sähköstaattisen kentän voimat vaikuttaisivat virran kantoaaltoon, niin näiden voimien vaikutuksesta positiiviset kantoaalit siirtyisivät korkeamman potentiaalin paikasta pienemmän potentiaalin paikasta ja negatiiviset kantoaalit vastakkaiseen suuntaan . Tämä johtaisi potentiaalien tasaamiseen ja sen seurauksena virta pysähtyisi. Tämän estämiseksi on oltava alueita, joissa positiivisten varausten siirtyminen tapahtuu kasvavaan suuntaan 
, eli sähköstaattisen kentän voimia vastaan. Median siirtäminen näillä alueilla on mahdollista vain käyttämällä ei-sähköstaattista alkuperää olevia voimia, joita kutsutaan ulkoisiksi voimiksi. Ulkoisten voimien fyysinen luonne voi vaihdella. Esimerkiksi kemialliset (kuten akut), mekaaniset, magneettiset ja muut.
Arvoa, joka on yhtä suuri kuin ulkoisten voimien työn suhde varauksen siirtämiseksi tämän varauksen suuruuteen, kutsutaan sähkömotorinen voima(EMF).
EMF mitataan samoissa yksiköissä kuin potentiaali, ts. voltteina (V).
Varaukseen vaikuttava ulkoinen voima voidaan esittää muodossa 
, Missä 
- ulkoisten voimien kentänvoimakkuus. Ulkoisten voimien työ varauksella tietyllä alueella 1-2:
Jakamalla molemmat osat emf:n määritelmän mukaan maksulla, saadaan:
Suljetussa piirissä:
EMF toimii suljetussa piirissä, Voi olla määritellään ulkoisten voimien jännitysvektorin kiertämiseksi.
Varaukseen kohdistuvien ulkoisten voimien lisäksi sähköstaattiset kenttävoimat vaikuttavat 
. Tuloksena oleva voima, vaikuttaa varaukseen jokaisessa piirin kohdassa on yhtä suuri kuin:
Tämän voiman tekemä työ latauksella 
ketjun osassa 1-2, määritetään lausekkeella 
. Koska 
, A 
, niin työ on yhtä suuri kuin .
R 
Jaetaan molemmat puolet arvolla. Vasemmalla puolella suhde 
merkitään 
. Arvoa, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin työn ja sähköstaattisten ja kolmannen osapuolen voimien suhde varauksen siirtämiseksi tämän varauksen arvoon, kutsutaan jännitehäviöksi tai yksinkertaisesti jännitteeksi tietyssä piirin osassa. .
Siten (kuva 20.2),
Riisi. 20.2
Huomautus, että jos alueella ei ole EMF:ää, niin 
. (Suljetussa piirissä kohdat 1 ja 2 ovat samat, 
ja sitten 
.) Se voidaan osoittaa 
, Missä 
- impedanssi ketjut ja sitten
Tämä yhtälö ilmaisee Ohmin lain piirin epätasaiselle osalle (EMF:n kanssa).
2. Klassinen elektroniikkateoria metallien sähkönjohtavuudesta ja sen riittämättömyydestä.
Metallien sisäinen rakenne luonnehdittu kristallihila. Positiivisia ioneja on kidehilan solmukohdissa; Niiden välisessä tilassa sosiaalistuneet elektronit liikkuvat lähes vapaasti. Saksalainen fyysikko P. Drude ehdotti sitä elektronit lyijyä itsensä ihanteellisen kaasun hiukkasina, Ja ehdotti käyttöä kuvailemaan heidän käyttäytymistään tunnetut kaasujen kineettisen teorian kaavat.
Ilmainen järjestelmä sosialisoitui kristallihilassa elektroneja kutsutaan elektronikaasuksi. Toisin kuin kaasumolekyylit, joiden alue määräytyi molekyylien törmäyksestä keskenään, elektroneja törmätä pääosin ei keskenään, ja ionien kanssa muodostaen metallikidehilan. Nämä aiheuttamia törmäyksiä erityisesti, metallin kestävyys sähkövirralle.
Kaoottinen lämpöliike metallien elektroneja voidaan luonnehtia keskinopeudella 
(huoneenlämpötiloihin 
). Ulkoisen kentän läsnä ollessa elektroneissa on vielä jonkin verran keskimääräinen suuntanopeus. Yleensä 
, tuo on 
.
3. Ohmin ja Joule-Lenzin lakien johtaminen elektronisista esityksistä.
Ohmin laki.
Vapaasti liikkuvien elektronien keskimääräinen matka kahden peräkkäisen törmäyksen välillä hila-ionien kanssa kutsutaan keskimääräinen vapaa polku 
. Keskimääräinen aika kahden törmäyksen välillä 
(määräytyy kaoottisen liikkeen nopeuden mukaan). Jos on kenttä suuntanopeus elektroneja kertyy vapaan juoksun aikana ja seuraavan törmäyksen aikana saavuttaa maksimiarvonsa:
.
Nopeus muuttuu juoksun aikana lineaarinen. Siksi häntä keskiverto kilometriä kohden arvo on puolet enimmäisarvosta.
Nykyinen tiheys:
Suhteellisuuskerroin välillä ja on merkitty 
(
- johtavuus). Tuloksena saamme Ohmin laki paikallisessa muodossa(parametrit viittaavat johtimen poikkileikkauksen tiettyyn pisteeseen).
Johtimen virrantiheys on verrannollinen sähkökentän voimakkuuteen. Suhteellisuustekijä on johtavuus. (Huomautus: Verrataan saatua kaavaa tunnettuun 
. Johtavuus on kääntäen verrannollinen resistiivisyyteen 
. Nykyinen tiheys 
. Kentän voimakkuus 
(
- johtimen pituus). Sitten 
, tai 
, mitä vaadittiin.)
Joule-Lenzin laki.
Vapaan polun loppuun mennessä elektroni hankkii lisää kineettistä energiaa, jonka keskiarvo on yhtä suuri:
(Muistaa: 
).
Törmäys atomin, elektronin kanssa oletuksena täysin lähettää hänen ostamansa kidehilan energia. Hilaan välitetty energia menee lisäämään sisäistä energiaa metalli, joka ilmenee sen lämmitys.
Jokainen elektroni käy läpi sekunnissa keskiverto 
törmäyksiä. Merkitään sitten johtavuuselektronien lukumäärä tilavuusyksikköä kohti elektronien siirtämä kokonaisenergia aikayksikköä kohti tilavuusyksikköä kohti on yhtä suuri kuin:
Sen tietäen 
Tämän seurauksena saamme Joule–Lenzin lain paikallisessa muodossa:
Sähkövirran aikana tilavuusyksikköä kohti vapautuva lämpöteho on verrannollinen kentänvoimakkuuden neliöön.
Siirtyminen paikasta ja 
Vastaanottaja 
Ja 
: (, 
), saamme 
, tai
Sain toinen Joule-Lenzin lain muoto. (Bulkkitiheys lämpöteho on yhtä suuri kuin resistiivisyyden ja virrantiheyden neliön tulo).
4. Metallien sähkönjohtavuuden klassisen elektroniikkateorian vaikeudet.
Klassinen teoria pystyi selittämään saatu aiemmin kokeellisesti Ohmin ja Joule-Lenzin lait, mutta on myös merkittäviä vaikeuksia. Tärkeimmät ovat seuraavat: 
On muitakin vaikeuksia, ja tämä on klassisen teorian riittämättömyys.
Moderni kvanttiteoria metallien sähkönjohtavuus osoittaa, että kaikki klassisen teorian vaikeudet liittyvät siihen tosiasiaan, että ajatus asiasta elektronit kuten ihanteellinen kaasu On karkea likiarvo. Itse asiassa metallin sisällä olevat elektronit eivät ole niin vapaita kuin klassinen teoria ehdottaa.
Nykyaikainen kvanttiteoria osoittaa, että metallin sisällä olevilla elektroneilla, kuten atomin elektroneilla, ei voi olla energiaa, vaan vain kokonaan diskreetit energiaarvot – elektronienergia kvantisoidaan.
5. Kirchhoffin lait
Huomaa, että solmu on piste, jossa kolme tai useampi virtaa konvergoi. Esimerkiksi kuviolle 20.3 ensimmäinen laki kirjoitetaan näin:
.
2. Kirchhoffin toinen laki(se viittaa mihin tahansa eristettyyn suljettuun piiriin piirissä):
Satunnaisen suljetun silmukan yksittäisten osien virranvoimakkuuksien tulojen algebrallinen summa ja niiden vastus(jännitehäviöiden summa) yhtä suuri kuin tässä piirissä toimivan emf:n algebrallinen summa.
Sovellus Käsittelemme näitä lakeja seuraavaksi esimerkki. Sähköpiiri on annettu (kuva 20.4)
 | Annettu:
Edellytetään löytää virtoja Laaditaan solmulle A yhtälöt Kirchhoffin ensimmäisen lain mukaan:
Piirille I kirjoitetaan yhtälö Kirchhoffin 2. lain mukaisesti. |
| Riisi. 20.4 |
SISÄÄN, 
SISÄÄN, 
SISÄÄN,
Om, 
Om…. 
Ohm.
.
Lisäksi jännitehäviöt ja EMF otetaan "+"-merkillä, jos virrat ja EMF ovat samat kuin ohituksen suunta (piirille I valitsimme ohituksen suunnan "myötäpäivään". EMF:n suunta on osoitettu kaaviossa nuolilla
). Täten: Olkoon toinen piiri yhtenevä piirin ulkoisen ohituksen kanssa ja ohituksen suunta on myös myötäpäivään. Sitten Kirchhoffin 2. laki piirille II:
Joten saimme yhtälöjärjestelmän:
Ratkaisemme tämän lineaarisen yhtälöjärjestelmän determinanttien avulla (Cramerin menetelmä).
,
,
.
(A); 
(A).
Negatiivinen tulos tarkoittaa, että virtojen todellinen suunta on 
Ja 
päinvastoin kuin kuvassa näkyvät. 20.4.
Kysymyksiä itsehillintää varten.
Mitä kutsutaan sähkövirraksi ja mitkä ovat johtovirran olemassaolon ehdot?
Nimeä sähkövirran ominaisuudet.
Mihin käsityksiin klassinen metallien elektroniikkateoria perustuu?
Mitä eroa on Ohmin ja Joule-Lenzin lakien paikallisten ja integraalimuotojen välillä?
Mikä on kolmannen osapuolen voima? Anna esimerkkejä EMF-lähteistä, joissa erilaiset ulkoiset voimat vaikuttavat.
Muotoile yleistetty Ohmin laki piirin osalle, jossa on EMF.
Mitä tarkoittaa EMF, jännite ja potentiaaliero?
Muotoile Kirchhoffin säännöt. Kuinka merkit valitaan Kirchhoffin säännöissä? Poistamme molemmat osat mennessä
Sähkövirta on vapaiden sähköisesti varautuneiden hiukkasten määrättyä liikettä sähkökentän vaikutuksesta. Tällaisia hiukkasia voivat olla: johtimissa - elektroneja,
elektrolyyteissä - ionit (kationit ja anionit), puolijohteissa - elektronit ja aukot (elektroni-reikäjohtavuus).
Sähkövirtaa tutkittaessa löydettiin monia sen ominaisuuksia, jotka mahdollistivat sen löytämisen käytännön käyttöä ihmisen toiminnan eri aloilla.
Historiallisesti hyväksyttiin, että virran suunta on sama kuin positiivisten varausten liikesuunta johtimessa. Lisäksi, jos ainoat virran kantajat ovat negatiivisesti varautuneita hiukkasia (esimerkiksi metallissa olevat elektronit), virran suunta on vastakkainen elektronien liikesuuntaan nähden.
Hiukkasten suunnatun liikkeen nopeus johtimissa riippuu johtimen materiaalista, hiukkasten massasta ja varauksesta, ympäröivästä lämpötilasta ja käytetystä erosta.
On olemassa vaihto-, tasa- ja sykkiviä virtoja sekä niiden erilaisia yhdistelmiä.
1) Tasavirta- virta, jonka suunta ja suuruus vaihtelevat hieman ajan myötä.
2) Vaihtovirta on virta, jonka suuruus ja (tai) suunta muuttuvat ajan myötä. Vaihtovirroista tärkein on virta, jonka arvo vaihtelee sinimuotoisen lain mukaan. Tässä tapauksessa johtimen kummankin pään potentiaali muuttuu suhteessa johtimen toisen pään potentiaaliin vuorotellen positiivisesta negatiiviseksi ja päinvastoin kulkien kaikkien välipotentiaalien (mukaan lukien nollapotentiaali) läpi. Tuloksena on virta, joka muuttaa jatkuvasti suuntaa. Aikaa, jonka aikana yksi tällainen jakso tapahtuu (aika, joka sisältää virran muutoksen molempiin suuntiin), kutsutaan jaksoksi vaihtovirta. Virran suorittamien jaksojen lukumäärää aikayksikköä kohti kutsutaan taajuudeksi. Taajuus mitataan hertseinä, yksi hertsi vastaa yhtä jaksoa sekunnissa.
Virran voimakkuutta kutsutaan fyysinen määrä, joka on sama kuin johtimen poikkileikkauksen läpi tietyn ajanjakson aikana kulkevan varauksen määrän suhde tämän ajanjakson arvoon.
Virran voimakkuus mitataan ampeereina.
Kun johtimessa on virtaa, työtä tehdään vastusvoimia vastaan. Tämä työ vapautuu lämmön muodossa. Lämpöhäviöteho on arvo, joka vastaa aikayksikköä kohti vapautuvan lämmön määrää. Teho mitataan watteina.
Ihmiskeho on sähkövirran johdin. Ihmisen vastustuskyky kuivalla ja ehjällä iholla on 3-100 kOhm.
Ihmisen tai eläimen kehon läpi kulkeva virta saa aikaan seuraavat vaikutukset:
Lämpö (palovammat, lämmitys);
Elektrolyyttinen (veren hajoaminen);
Biologinen.
Päätekijä, joka määrää sähköiskun tuloksen, on ihmiskehon läpi kulkevan virran määrä. Turvallinen Tarkastellaan virtaa, jonka arvo ei ylitä 50 μA.
Mitä teemme saadulla materiaalilla:
Jos tämä materiaali oli sinulle hyödyllistä, voit tallentaa sen sivullesi sosiaalisissa verkostoissa:
| Tweet |
Sähköisku jota kutsutaan varattujen hiukkasten tai varautuneiden makroskooppisten kappaleiden järjestetyksi liikkeeksi. Niitä on kahta tyyppiä sähkövirrat– johtavuusvirrat ja konvektiovirrat.
Johtovirta kutsutaan järjestetyksi liikkeeksi aineessa tai vapaiden varautuneiden hiukkasten tyhjiössä - johtavuuselektronien (metalleissa), positiivisten ja negatiivisten ionien (elektrolyyteissä), elektronien ja positiivisten ionien (kaasuissa), johtavuuselektronien ja reikien (puolijohteissa), elektronisäteiden ( tyhjiössä). Tämä virta johtuu siitä, että vapaat sähkövaraukset liikkuvat johtimessa käytetyn sähkökentän voimakkuuden vaikutuksesta (kuva 2.1, A).
Konvektio sähkövirta kutsutaan virraksi, joka aiheutuu varautuneen makroskooppisen kappaleen liikkeestä avaruudessa (kuva 2.1, b).
Sähkönjohtavuusvirran esiintyminen ja ylläpito edellyttää seuraavia ehtoja:
1) ilmaisten nykyisten operaattorien olemassaolo (ilmaiset maksut);
2) sähkökentän olemassaolo, joka luo vapaiden varausten järjestetyn liikkeen;
3) ilmaisten maksujen on toimittava Coulombin joukkojen lisäksi ulkopuoliset voimat ei-sähköinen luonne; nämä voimat ovat erilaisten luomia nykyiset lähteet(galvaanikennot, akut, sähkögeneraattorit jne.);
4) sähkövirtapiirin on oltava suljettu.
Sähkövirran suunnaksi katsotaan perinteisesti tämän virran muodostavien positiivisten varausten liikesuunta.
Määrällinen mitta sähkövirta on nykyinen I- skalaarinen fyysinen määrä, jonka määrittää poikkileikkauksen läpi kulkeva sähkövaraus S johdin aikayksikköä kohti:
Virtaa, jonka voimakkuus ja suunta eivät muutu ajan kuluessa, kutsutaan pysyvä(Kuva 2.2, A). DC:lle
Ajan myötä muuttuvaa sähkövirtaa kutsutaan muuttujia. Esimerkki tällaisesta virrasta on sähkö- ja energiatekniikassa käytetty sinimuotoinen sähkövirta (kuva 2.2, b).
Virran yksikkö - ampeeri(A). SI:ssä virran yksikön määritelmä on muotoiltu seuraavasti: 1 A- tämä on sellaisen tasavirran voimakkuus, joka virtaa kahden rinnakkaisen suoran johtimen läpi, joiden pituus on äärettömän pieni ja poikkileikkaus on mitättömän pieni ja jotka sijaitsevat tyhjiössä etäisyyden päässä 1 m muodostaa näiden johtimien väliin voiman, joka vastaa jokaista pituutta metriä.
Sähkönjohtavuusvirran suunnan karakterisoimiseksi johtimen pinnan eri kohdissa ja virran voimakkuuden jakautumista tällä pinnalla otetaan käyttöön virrantiheys.
Nykyinen tiheys kutsutaan vektorifysikaaliseksi suureksi, joka on sama kuin virran suunta tarkasteltavassa pisteessä ja on numeerisesti yhtä suuri kuin virran voimakkuuden suhde dI kulkee peruspinnan läpi, joka on kohtisuorassa virran suuntaan tämän pinnan alueelle:
Virran tiheyden yksikkö - ampeeri per neliömetri (A/m 2).
Tasasähkövirran tiheys on sama homogeenisen johtimen koko poikkileikkauksella. Siksi tasavirralle homogeenisessa johtimessa, jonka poikkipinta-ala on S virta on yhtä suuri kuin
Työ loppu -
Tämä aihe kuuluu osioon:
YLEINEN FYSIIKAN KURSSI FYSIKAALISET PERUSTEET
Osavaltio oppilaitos... korkeammalle ammatillinen koulutus... Vladimirin osavaltion yliopisto...
Jos tarvitset lisämateriaalia tästä aiheesta tai et löytänyt etsimääsi, suosittelemme käyttämään hakua teostietokannassamme:
Mitä teemme saadulla materiaalilla:
Jos tämä materiaali oli sinulle hyödyllistä, voit tallentaa sen sivullesi sosiaalisissa verkostoissa:
| Tweet |
Kaikki tämän osion aiheet:
Sähköstaattisen peruslaki
Ranskalainen fyysikko C. Coulomb vahvisti kiinteiden pistesähkövarausten vuorovaikutuksen lain kokeellisesti vuonna 1785 käyttämällä vääntövaakaa. Siksi sähkövoimat
Sähköstaattinen kenttä. Kentän voimakkuus
Jos sähkövarausta ympäröivään tilaan tuodaan toinen varaus, syntyy niiden välille Coulombin vuorovaikutus. Näin ollen sähköä ympäröivässä tilassa
Kentät. Kenttäpotentiaali
Jos se on sähköstaattisessa kentässä pistemaksu liikkuu pisteestä 1 pisteeseen 2 mielivaltaista lentorataa pitkin
Sähköstaattinen kenttä
Jännitys ja potentiaali - erilaisia ominaisuuksia sama kohta kentällä. Siksi niiden välillä on oltava yksiselitteinen yhteys. Työskentele yksikön siirtämiseksi
Gaussin lause sähköstaattisesta kentästä tyhjiössä
Suuren sähkövarausjärjestelmän kentänvoimakkuuden laskeminen sähköstaattisten kenttien superpositioperiaatteella
Gaussin lause dielektrisen sähköstaattisen kentän osalta
Dielektrikot ovat aineita, jotka normaaleissa olosuhteissa eivät käytännössä johda sähkövirtaa. Klassisen fysiikan käsitteiden mukaan dielektriikassa päinvastoin
Johtimet sähköstaattisessa kentässä. Kondensaattorit
Jos asetat johtimen ulkoiseen sähköstaattiseen kenttään, tämä kenttä vaikuttaa johtimen vapaisiin varauksiin, minkä seurauksena ne alkavat liikkua - positiivinen
Sähköstaattisen kentän energia
Sähköstaattiset vuorovaikutusvoimat ovat konservatiivisia, joten varausjärjestelmällä on potentiaalienergiaa. Olkoon yksittäinen johdin, kapasitiivinen varaus
1. Varausten ja välinen etäisyys on 10 cm. Määritä siihen vaikuttava voima
Ohmin laki differentiaalimuodossa
Jos piirissä vain sähköstaattisen kentän voimat vaikuttavat virrankantajiin, niin varaukset siirtyvät korkeapotentiaalisista pisteistä pienempipotentiaalisiin pisteisiin. Tämä on kun
Sähköiset mittauslaitteet
Sähköpiiri on kokoelma erilaisia johtimia ja virtalähteitä. Yleensä piiri on haarautunut ja sisältää osia, joihin johtimet voivat kytkeytyä
Työ ja nykyinen teho. Joule-Lenzin laki
Tarkastellaan homogeenista johdinta, jonka päitä pitkin syötetään jännite. Ajan dt aikana langan poikkileikkauksen läpi
Ohmin laki integraalimuodossa
+ Ketjun homogeeniselle osalle, ts. alueelle, jolla ei toimi puolueita
Haaroittuneiden DC-piirien laskenta
Ohmin laki integraalimuodossa antaa sinun laskea melkein minkä tahansa virtapiiri. Suljettuja silmukoita sisältävien haaroittuneiden piirien suora laskeminen riittää kuitenkin
Ongelmia ratkaista itsenäisesti
1. Mikä varaus kulkee johtimen poikkileikkauksen läpi ajassa 5 s - 10 s, jos virran voimakkuus muuttuu ajan myötä lain mukaan
Magneettikenttä ja sen ominaisuudet
I kokemus näyttää
Biot-Savart-Laplacen laki
Oerstedin kokeiden jälkeen alkoi intensiivinen tutkimus magneettikenttä tasavirta. Ranskalaiset fyysikot Biot ja Savard 1800-luvun ensimmäisellä neljänneksellä. tutki luotuja magneettikenttiä
Liikkuvan varauksen magneettikenttä. Lorentzin voima
Mikä tahansa virtaa kuljettava johdin luo magneettikentän ympäröivään tilaan. Virta puolestaan on sähkövarausten järjestettyä liikettä. Tästä seuraa, että kaikki muuttavat sisään
Johdin, jolla on virta magneettikentässä. Amperen laki
Yhteenvetona magneettikentän vaikutuksen tuloksista eri virtaa kuljettaviin johtimiin A. Ampere totesi, että voima, jolla magneettikenttä vaikuttaa
Magneettikentän induktiovektorin kierto tyhjiössä
Samalla tavalla kuin sähköstaattisen kentänvoimakkuusvektorin kierto magneettikentässä, otetaan käyttöön magneettisen induktiovektorin kierron käsite
Gaussin lause magneettikentästä tyhjiössä
Magneettisen induktiovektorin tai magneettivuon virta pienen pinta-alan dS läpi on skalaarinen fysikaalinen suure
Aineen magneettiset ominaisuudet
Kaikki aineet eivät toimi samalla tavalla sähkölinjat magneettikenttä. Esimerkiksi magneettiset voimalinjat kulkevat raudan läpi monta kertaa helpommin kuin ilman läpi. Toisin sanoen hyytelön kyky
Ongelmia ratkaista itsenäisesti
1. Pitkän suoran johdon läpi kulkee 60 A:n virta. Määritä magneettikentän induktio pisteessä, joka on 5 cm:n päässä johtimesta (Vastaus: 0,24 mT).
Sähkömagneettisen induktion laki
Kuten todettiin, magneettikenttä syntyy minkä tahansa sähkövirtaa kuljettavan johtimen ympärille. Englantilainen fyysikko M. Faraday uskoi, että sähköisten ja magneettisten ilmiöiden välillä on läheinen suhde.
Itseinduktion ilmiö. Silmukan induktanssi
Suljetussa piirissä kulkeva sähkövirta muodostaa ympärilleen magneettikentän, jonka induktio B Bio-Savart-Laplacen lain mukaan on verrannollinen virranvoimakkuuteen (B~I
Keskinäinen induktio
Jos kaksi piiriä sijaitsevat vierekkäin ja virran voimakkuus kummassakin muuttuu, ne vaikuttavat toisiinsa. Muuttaa
Magneettikentän energia
Magneettikenttä, kuten sähkökenttä, on energian kantaja. On luonnollista olettaa, että magneettikentän energia on yhtä suuri kuin työ, jonka sähkövirta käyttää luomiseen
Sähkömagneettisen induktion käytännön sovellus
Sähkömagneettisen induktion ilmiötä käytetään ensisijaisesti mekaanisen energian muuntamiseen sähköenergiaksi. Tähän tarkoitukseen käytetään muuttujageneraattoreita.
Ongelmia ratkaista itsenäisesti
1. Tasaisessa magneettikentässä, jossa on induktio, pituusjohdin liikkuu kohtisuorassa kenttään nähden
Vortex-sähkökenttä
XIX vuosisadan 60-luvulla. Englantilainen tiedemies J. Maxwell (1831-1879) yleisti kokeellisesti vahvistetut sähkö- ja magneettikenttien lait ja loi täydellisen yhtenäisen teorian sähkömagneettisista kentistä
Bias-virta
Maxwell otti käyttöön siirtymävirran luodakseen kvantitatiivisia suhteita vaihtosähkökentän ja aiheuttaman
Maxwellin yhtälöt sähkömagneettiselle kentälle
Maxwellin luoma yhtenäinen makroskooppinen teoria sähkömagneettisesta kentästä teki mahdolliseksi yhtenäisestä näkökulmasta ei vain selittää sähköisiä ja magneettisia ilmiöitä, vaan myös ennustaa uusia
Muutamia merkittäviä tapahtumia sähködynamiikan kehityksen historiassa
Vuosi Tapahtuma Tutkijoiden kokeet alkoivat, jotka johtivat sähkövirran löytämiseen (kokeet on kuvattu vuonna
Vektorikentän ero
Vektorikentän divergenssi (merkitty) on seuraava derivaatta
Bibliografia
1. Saveljev I.V. Yleisen fysiikan kurssi: 3 osassa - M.: Nauka, 1989. 2. Detlaf A.A., Yavorsky B.M. Fysiikan kurssi. – M.: Korkeampi. koulu, 1989. – 608 s. 3. Fysiikan kurssi: Oppikirja. yliopistoille: 2 osana /
Luennon hahmotelma
1. Sähkövirta. Sähkövirran ominaisuudet
2. Ohmin lait piirin osuudelle
2.1. Ohmin laki integraalimuodossa
2.2. Ohmin laki differentiaalimuodossa
3. Esimerkki virranvoimakkuuden laskemisesta johtavassa väliaineessa
4. Joule-Lenzin laki differentiaali- ja integraalimuodoissa
Sähkö. Sähkövirran ominaisuudet
Sähkövirta on varautuneiden hiukkasten järjestettyä liikettä, jonka aikana tapahtuu sähkövarauksen siirto.
Esimerkiksi metallijohtimessa tällaiset hiukkaset ovat vapaita elektroneja. Ne ovat jatkuvassa lämpöliikkeessä. Tämä liike tapahtuu suurella keskinopeudella, mutta sen kaoottisuuden vuoksi siihen ei liity varauksen siirtoa. Valitaan johtimesta henkisesti pintaelementti dS: minkä tahansa ajanjakson ajan tämän pinnan vasemmalta oikealle ylittäneiden elektronien määrä on täsmälleen sama kuin hiukkasten määrä, jotka ovat kulkeneet tämän pinnan läpi vastakkaiseen suuntaan. Siksi tämän pinnan läpi siirretty varaus on yhtä suuri kuin nolla.
Tilanne muuttuu, jos johtimeen ilmaantuu sähkökenttä. Nyt varauksenkantajat osallistuvat paitsi lämpöön, myös järjestettyyn, suunnattuun liikkeeseen. Positiivisesti varautuneet kantajat liikkuvat kentän suuntaan ja negatiiviset vastakkaiseen suuntaan.
Yleensä varauksensiirto voi sisältää molempien merkkien kantajia (esimerkiksi positiivisia ja negatiivisia ioneja elektrolyytissä).
Tällaisten hiukkasten liikenopeus on niiden lämpö- ja suuntaliikkeiden nopeuden summa:
Keskiarvo hiukkasnopeus osoittautuu yhtä suureksi kuin suuntaliikkeen keskimääräinen nopeus:
Lämpöliikkeen satunnaisuus johtaa siihen, että keskiarvo vektori tämän liikkeen nopeus on nolla. Korostetaan vielä kerran, että puhumme keskiarvosta vektori, mutta ei moduuli varautuneiden hiukkasten lämpöliikkeen nopeus.
Sähkövirran tärkein kvantitatiivinen ominaisuus on nykyinen vahvuus. Johtimen virranvoimakkuus on numeerisesti yhtä suuri kuin varauksen määrä, joka siirtyy johtimen koko poikkileikkauksen läpi aikayksikköä kohti:
SI-järjestelmän virta mitataan ampeereina. Tämä on skalaariominaisuus. Virran voimakkuus voi olla joko positiivinen tai negatiivinen. Jos virran suunta on sama kuin tavanomaisesti hyväksytty positiivinen suunta johtimessa, niin tällaisen virran voimakkuus minä> 0. Muussa tapauksessa virta on negatiivinen.
Usein positiiviseksi suunnaksi johdinta pitkin pidetään suuntaa, johon positiiviset varauksenkantajat liikkuvat (tai liikkuisivat).
Toinen tärkeä ominaisuus sähkövirta on virrantiheys. Valitaan johtimessa oleva pinta henkisesti S, kohtisuorassa varauksenkuljettajien suunnatun liikkeen nopeuteen nähden. Rakennetaan tälle pinnalle suuntaissärmiö, jonka korkeus on numeerisesti yhtä suuri kuin nopeus V n (kuva 6.1.). Kaikki tämän suuntaissärmiön sisällä sijaitsevat hiukkaset kulkevat pinnan läpi yhdessä sekunnissa S. Tällaisten hiukkasten lukumäärä:
Missä n- hiukkaspitoisuus, eli hiukkasten lukumäärä tilavuusyksikköä kohti. Varaus, jonka nämä hiukkaset kuljettavat pinnan läpi S, määrittää virranvoimakkuuden:
.
Tässä q 1 - yhden operaattorin lataus. Virran jakaminen poikkipinta-alalla S, saamme varauksen, joka virtaa aikayksikköä kohti pinta-alayksikön pinnan läpi. Tämä on virran tiheys:
, . (6.2)
Koska varautuneiden hiukkasten suunnatun liikkeen nopeus on vektorisuure, tämä lauseke kirjoitetaan vektorimuodossa:
Pinta-alan pienentäminen S, saavutamme sähkövirran paikallisen ominaisuuden - virrantiheyden pisteessä:
Tämä on virrantiheyden moduuli, ja virrantiheysvektorin suunta tietyssä pisteessä osuu yhteen hiukkasnopeuden suunnan tai sähkökentän voimakkuuden suunnan kanssa tietyssä pisteessä. Alkeisalueen läpi kulkevan virran voimakkuus dS voidaan nyt kirjoittaa kahden vektorin skalaaritulona (kuva 6.2.):
Poikkileikkauksen läpi kulkevan virran voimakkuuden laskemiseksi S, sinun on laskettava yhteen kaikki tämän osan elementtien läpi kulkevat virrat, eli otettava integraali:
. (6.6)
Integraali edustaa virrantiheysvektorin virtausta, joten sähkövirran kaksi pääominaisuutta yhdistetään joskus sellaiseen helposti muistettavaan lauseeseen : virran voimakkuus on yhtä suuri kuin virrantiheysvektorin vuo.
Jatketaan puhumista vektorivirtauksesta. Nyt valitsemme johtavassa välineessä suljettu pinta S(Kuva 6.3.). Jos virrantiheysvektori tämän pinnan jokaisessa pisteessä tunnetaan, on helppo laskea varaus, joka jättää tämän pinnan rajoittaman tilavuuden aikayksikköä kohti:
Anna pinnan sisään S on maksu q, sitten aikayksikköä kohti t= 1 se pienenee määrällä 
. Varauksen muutos liittyy sen ulosvirtaukseen tilavuudesta, eli:
Tätä yhtälöä kutsutaan jatkuvuusyhtälöksi. Se edustaa matemaattinen merkintä sähkövarauksen säilymisen laki.