Koja svojstva ima istosmjerna električna struja? Istosmjerna struja, njezine karakteristike. Uvjeti potrebni za postojanje električne struje

Usmjereno (uređeno) kretanje slobodnih nabijenih čestica pod utjecajem električno polje zove električna struja.

Uvjeti za postojanje struje:

1. Prisutnost besplatnih naknada.

2. Prisutnost električnog polja, t.j. potencijalne razlike. Postoje besplatni troškovi u kondukterima. Električno polje stvoreni trenutnim izvorima.

Kada struja prolazi kroz vodič, ima sljedeće učinke:

· Toplinski (zagrijavanje vodiča strujom). Na primjer: posao kuhalo za vodu, željezo itd.).

Magnetski (izgled magnetsko polje oko vodiča kojim teče struja). Na primjer: rad elektromotora, električni mjerni instrumenti).

· Kemijski (kemijske reakcije kada struja prolazi kroz određene tvari). Na primjer: elektroliza.

Također možemo razgovarati o

· Svjetlo (prati toplinsko djelovanje). Na primjer: sjaj žarne niti električne žarulje.

· Mehanički (popraćen magnetskim ili toplinskim). Na primjer: deformacija vodiča pri zagrijavanju, rotacija okvira s strujom u magnetskom polju).

· Biološki (fiziološki). Na primjer: strujni udar osobe, uporaba električne struje u medicini.

Osnovne veličine koje opisuju proces prolaska struje kroz vodič.

1. Jakost struje I- skalarna veličina jednaka omjeru naboja koji prolazi kroz presjek vodiča i vremenskog razdoblja tijekom kojeg je struja tekla. Jakost struje pokazuje koliko naboja prođe kroz presjek vodiča u jedinici vremena. Struja se zove trajnog, ako se struja ne mijenja s vremenom. Da bi struja kroz vodič bila konstantna, potrebno je da razlika potencijala na krajevima vodiča bude konstantna.

2. Napon U. Napon je numerički jednak radu električnog polja za pomicanje jediničnog pozitivnog naboja električni vodovi polja unutar vodiča.

3. Električni otpor R- fizikalna veličina brojčano jednaka omjeru napona (razlike potencijala) na krajevima vodiča i jakosti struje koja prolazi kroz vodič.

60. Ohmov zakon za dio strujnog kruga.

Jačina struje u dijelu strujnog kruga izravno je proporcionalna naponu na krajevima ovog vodiča i obrnuto proporcionalna njegovom otporu:

I = U/R;

Ohm je utvrdio da je otpor izravno proporcionalan duljini vodiča i obrnuto proporcionalan površini njegova presjeka te ovisi o tvari vodiča.

gdje je ρ otpor, l je duljina vodiča, S je površina poprečnog presjeka vodiča.

61. Otpor kao električna karakteristika otpornik. Ovisnost otpora metalnih vodiča o vrsti materijala i geometrijske dimenzije.

Električni otpor- fizikalna veličina koja karakterizira svojstva vodiča da sprječava prolaz električne struje i jednaka je omjeru napona na krajevima vodiča i jakosti struje koja njime teče. Otpor za krugove naizmjenična struja a za izmjenična elektromagnetska polja opisuje se pojmovima impedancije i valnog otpora.

Otpor (često označen slovom R ili r) smatra se, unutar određenih granica, konstantnom vrijednošću za dati vodič; može se izračunati kao

Gdje je R otpor; U je električna razlika potencijala na krajevima vodiča; I je jakost struje koja teče između krajeva vodiča pod utjecajem potencijalne razlike.

Otpor vodiča ista je karakteristika vodiča kao i njegova masa. Otpor vodiča ne ovisi ni o jakosti struje u vodiču ni o naponu na njegovim krajevima, već ovisi samo o vrsti tvari od koje je vodič izrađen i njegovim geometrijskim dimenzijama: , gdje je: l duljina vodiča, S površina poprečnog presjeka vodiča, ρ je otpor vodiča, koji pokazuje koliki otpor ima vodič duljine 1 m i površine poprečnog presjeka ​​1 m2, izrađen od datog materijala, imat će.

Vodiči koji poštuju Ohmov zakon nazivaju se linearnim. Postoje mnogi materijali i uređaji koji se ne pokoravaju Ohmovom zakonu, npr. poluvodička dioda ili plinska svjetiljka. Čak i za metalne vodiče, pri dovoljno velikim strujama, uočava se odstupanje od Ohmovog linearnog zakona, jer električni otpor metalnih vodiča raste s povećanjem temperature.

Ovisnost otpora vodiča o temperaturi izražava se formulom: , gdje je: R otpor vodiča na temperaturi T, R 0 otpor vodiča na temperaturi 0ºS, α je temperaturni koeficijent otpora.

Konstantno struja, njegove karakteristike i uvjete postojanja. Jačina električne struje. Vektor gustoće struje. Električni otpor vodiča. Vanjske sile. Elektromotorna sila. Razlika električnog potencijala, električni napon. Ohmov i Joule-Lenzov zakon u integralnom i diferencijalnom obliku. Električna struja u neprekidnom mediju. Kirchhoffova pravila.

U dirigenti (kruto, tekuće i plinovito) postavljeno u električno polje, pojavljuje se struja .

Struja - Ovo usmjereno, uređeno kretanje električki nabijenih čestica . Takve čestice mogu biti elektroni ili ioni (elektronska ili ionska vodljivost). Iza smjer električni Trenutno prihvaćeno smjer kretanja pozitivan električni naboji . Konstantno struja je struja pri kojoj po jedinici vremena kroz bilo koji presjek vodiča teče isti električni naboj .

Prisutnost električne struje u krugu procjenjuje se neizravnim znakovima - po magnetsko, toplinsko ili kemijsko djelovanje ovu struju. Kemijski akcijski ne pojavljuje se samo u metalima , toplinski akcija - samo u supravodičima . Uvijek se pojavljuje magnetski učinak struje . Faraday je rekao: "Ne postoji djelovanje koje je karakterističnije za struju od njezinog magnetskog djelovanja." Ovaj fenomen je u osnovi rada električnih mjernih instrumenata.

Uvjeti za postojanje električne struje - prisutnost električnog polja i slobodnih nositelja naboja.

Za održavanje kontinuirane struje mora postojati zatvoreni krug i uređaj koji odvaja naboje i održava napon u strujnom krugu . Ovi uređaji se nazivaju izvori ili generatori struje .

Električno polje odmiče naboje od višeg potencijala  1 na manje  2 ( 1 >  2 ). U zatvorenom krugu, potencijalne sile koje izvode to kretanje ne mogu održavati konstantnu električnu struju, jer = 0 (ovdje je jakost elektrostatskog polja, element je duljine kruga). Držati u lancu istosmjerna struja u nekom njegovom dijelu naboji se moraju kretati iz manjeg potencijala 2 više 1 . To se može dogoditi unutar izvora struje i samo pod utjecajem sila koje imaju ne potencijalna priroda, tzv vanjske sile . Karakterizira se djelovanje vanjskih sila elektromotorni (električno odvajanje) na silu - EMF . Mjera EMF-a je razlika potencijala na otvorenim terminalima izvora struje . EMF je označen  i mjeri se u voltima [  ] = 1 V. U zatvorenom vodljivom krugu, EMF je jednak radu vanjskih sila za pomicanje jednog pozitivnog naboja duž cijelog kruga:

 = , (1)

gdje je jakost polja vanjskih sila, je element duljine konture.

Vanjske sile mogu imati kemijski priroda - galvanski članci, baterije, elektromagnetski priroda - električni generatori, fotonaponski- fotoćelije, itd.

Fizička veličina koja karakterizira rad i električnih i vanjskih sila za pomicanje jednog pozitivnog naboja duž zatvorenog kruga naziva se napon:

U = ( 1 -  2 )   . (2)

Kvantitativne karakteristike električna struja su jakost struje I gustoća struje .

Jakost struje je skalarna veličina jednaka naboju prenesenom kroz poprečni presjek vodiča u jedinici vremena:

ja = . (3)

U SI struja se mjeri u amperima: [ ja] = 1A.

Gustoća struje je vektorska veličina određena jakošću struje koja prolazi kroz jedinicu površine poprečnog presjeka s  dirigent :

J= . (4)

Vektor gustoće struje orijentiran prema smjer uređenog kretanja pozitivnih naboja i jednaka je

Gdje n- koncentracija nositelja naboja, e- njihov naboj (elementarni naboj), - vektor brzine uređenog kretanja naboja u vodiču. U SI, gustoća struje se mjeri u amperima podijeljenim s kvadratnim metrom: = 1A/m 2 .

Istosmjerna električna struja nastaje pod utjecajem Istosmjerni napon i može postojati samo u zatvorenom krugu . pri čemu jai ne mijenjaju se tijekom vremena .

U homogena okoliš - I = J s  , (6)

V heterogena - ja = . (7)

Elektro šok Svako uređeno (usmjereno) kretanje električnih naboja naziva se.

Za nastanak i postojanje električne struje potrebno je, s jedne strane, prisustvo slobodne nosioci struje- nabijene čestice koje se mogu gibati na uredan način, a s druge strane - prisutnost električnog polja,čija bi se energija, nekako obnovljena, trošila na njihovo uredno kretanje. Za smjer struje uvjetno uzeti smjer kretanja pozitivni naboji.

Kvantitativna mjera električne struje je jakost struje ja skalarna fizikalna veličina određena električnim nabojem koji prolazi kroz presjek vodiča u jedinici vremena:

Ako se jakost struje i njezin smjer ne mijenjaju s vremenom, tada se takva struja naziva trajnog. Za DC

Gdje Q- električni naboj koji prolazi kroz vrijeme t kroz presjek vodiča. Jedinica struje je amper (A).

Fizička količina, određena jakošću struje koja prolazi kroz jedinicu površine poprečnog presjeka vodiča okomito na smjer struje, naziva se gustoća struje:

Izrazimo jakost i gustoću struje preko brzine b v ñ uređeno kretanje naboja u vodiču. Ako je koncentracija nositelja struje n a svaki nositelj ima elementarni naboj e(što nije potrebno za ione), zatim u vremenu dt kroz presjek S vodič nosi naboj dQ=neá v ñ S d t. Snaga struje

i gustoća struje

(96.1)

Gustoća struje - vektor, orijentiran u smjeru struje, odnosno smjeru vektora j poklapa se sa smjerom uređenog kretanja pozitivnih naboja. Jedinica za gustoću struje je amper po kvadratnom metru (A/m2).

Jačina struje kroz proizvoljnu površinu S definiran kao tok vektora j, tj.

gdje d S=n d S (n- jedinični normalni vektor na površinu d S, komponenta s vektorom j kut a).

2. Vanjske sile. Elektromotorna sila i napon

Ako u strujnom krugu na nositelje struje djeluju samo sile elektrostatičko polje, tada se nositelji pomiču (pretpostavlja se da su pozitivni) od točaka s visokim potencijalom do točaka s nižim potencijalom. To će dovesti do izjednačavanja potencijala u svim točkama kruga i do nestanka električnog polja. Dakle, za postojanje istosmjerne struje potrebno je u strujnom krugu imati uređaj koji je sposoban stvarati i održavati razliku potencijala uslijed rada sila neelektrostatskog podrijetla. Takvi uređaji nazivaju se izvori struje. Ovlasti neelektrostatskog porijekla, koji djeluju na temelju naknada iz trenutnih izvora nazivaju se treće strane.

Priroda vanjskih sila može varirati. Na primjer, u galvanskim ćelijama nastaju zbog energije kemijskih reakcija između elektroda i elektrolita; u generatoru - zbog mehaničke energije rotacije rotora generatora itd. Pod utjecajem stvorenog polja vanjskih sila, električni naboji se gibaju unutar izvora struje protivno silama elektrostatskog polja, zbog čega nastaje razlika potencijala. održava se na krajevima kruga i u krugu teče stalna električna struja.

Vanjske sile rade na pomicanju električnih naboja. Naziva se fizikalna veličina određena radom vanjskih sila pri pomicanju jediničnog pozitivnog naboja elektromotorna sila(emf) koja djeluje u krugu:

Taj rad nastaje zbog energije utrošene u izvoru struje, pa se veličina može nazvati i elektromotornom silom izvora struje uključenog u krug.

Sila treće strane F st. djelujući na naboj Q 0 , može se izraziti kao

Gdje E– jakost polja vanjskih sila. Rad vanjskih sila za pomicanje naboja Q 0 u zatvorenom dijelu kruga jednako je

izraz za e. d.s. koji djeluje u krugu:

tj. EMF koja djeluje u zatvorenom krugu može se definirati kao kruženje vektora jakosti polja vanjskih sila. E.m.f. koji djeluje na mjestu 1 -2 , je jednako

Po naplati Q 0 vanjskim silama djeluju i sile elektrostatskog polja F e = Q 0 E. Dakle, rezultantna sila koja djeluje na naboj u krugu je Q 0, jednako