Federalna Agencja Łączności

PAŃSTWOWY UNIWERSYTET TELEKOMUNIKACJI W Petersburgu

ich. prof. M. A. BONCH-BRUEVICH

PIEKŁO. Andreev, L.M. Czarny

Prąd elektryczny

Notatki z wykładów

Sankt Petersburg

Andreev A.D., Czernych L.M. Fizyka. Prąd elektryczny: Notatki z wykładów / Państwowy Uniwersytet Technologiczny w Petersburgu. Petersburg, 2005.

Zawiera materiał teoretyczny z części „Prąd elektryczny” ogólnego kursu fizyki.

Zaprojektowany, aby pomóc studentom kierunków technicznych wszystkich form kształcenia w niezależna praca a także w przygotowaniu do ćwiczeń, kolokwiów i egzaminów.

Redaktor naczelny L.N. Recenzent Savushkin V.A. Podchalyuzin

© Andreev A.D., Czernych L.M., 2005.

© Petersburg uniwersytet państwowy telekomunikacja nazwana na cześć. prof. MA Bonch-Bruevich, 2005.

Wprowadzenie…………………………………………………………………………………………………..4

1. Podstawowe prawa prąd elektryczny……………………………………………………………4 1.1.

Charakterystyka prądu elektrycznego………………………………………………………………….4

1.2. Związek pomiędzy gęstością prądu a stężeniem i prędkością uporządkowanego ruchu nośników ładunku…………………………………………………………………………………………… ………………….................5

1.3. Warunek konieczny istnienia prądu elektrycznego w obwodzie zamkniętym. Spadek napięcia………………………………………………………………………………………………………...6

1.4. Prawo Joule’a-Lenza. Prawo Ohma .................................................. .................................................... ..................................
1,5. Prąd quasi-stacjonarny............................................ ...................................................... .................................................. ....
1.6. Prawo Ohma i prawo Joule’a–Lenza w postaci różniczkowej............................ ............. ..................................
1.7. Równanie ciągłości	……………………………………………………………………...10
2. Prąd elektryczny w różnych środowiskach..............................................................................................................
2.1. Klasyczny teoria elektronów metale .................................................. .............. .................................. ............. ......
2.2. Niesamodzielny wypływ gazu .................................................. .................................................. ............... ..............
2.3. Samopodtrzymujący się wypływ gazu............................................ ............... ............... .................................. .............. ..
2.4.Rodzaje emisji. Prąd elektryczny w próżni............................................ .............. .................................. .........................
2.5. Mechanizm przewodnictwa elektrycznego w półprzewodnikach. .................................................. ......................................
2.6. Osocze................................................. .................................................. ...................................................... ............... ..............
Literatura................................................. .................................................. ...................................................... ............... ..............

WSTĘP

Ważną rolę odgrywa prąd elektryczny nowoczesna technologia i w życiu codziennym. Silniki elektryczne, oprawy oświetleniowe, różne elektronarzędzia i sprzęt AGD– te i wiele innych urządzeń działają wykorzystując prąd elektryczny. Za pomocą prądu elektrycznego najwygodniejszy do wykorzystania we współczesnym społeczeństwie rodzaj energii – energia elektryczna – jest przesyłany i dystrybuowany pomiędzy odbiorcami.

Ta część kursu obejmuje podstawowe pojęcia i studiuje podstawowe prawa prądu elektrycznego. Pierwsze szeroko znane eksperymenty z prądem elektrycznym przeprowadzili Włosi

fizyk Galvani pod koniec XVIII wieku. Inny włoski fizyk Volta stworzył pierwsze urządzenie zdolne do wytwarzania długotrwałego prądu elektrycznego - ogniwo galwaniczne. Pierwsze najważniejsze prawo prądu elektrycznego – prawo Ohma – zostało ustalone w 1827 r. W połowie XIX wieku. Sformułowano prawo przemiany energii w obwodach z prądem elektrycznym – prawo Joule’a-Lenza. Do chwili obecnej stworzono wiele urządzeń wykorzystujących prąd elektryczny i opracowano metody ich obliczania.

1. PODSTAWOWE PRAWA PRĄDU ELEKTRYCZNEGO

1.1. Charakterystyka prądu elektrycznego

Prąd elektryczny to uporządkowany ruch nośników ładunku.

Aby prąd elektryczny mógł istnieć, w ośrodku muszą znajdować się nośniki ładunku swobodnego oraz siły, które wprawiają te nośniki w uporządkowany ruch.

Za kierunek prądu przyjmuje się kierunek uporządkowanego ruchu dodatnio naładowanych nośników.

Gdy natężenie pola wynosi zero (E = 0), następuje jedynie chaotyczny ruch ładunków związany z ich ruchem termicznym. Gdy natężenie pola nie jest równe zeru (E ≠ 0), chaotyczny ruch ładunków nakłada się na ich uporządkowany ruch.

Linie prądu to trajektorie uporządkowanego ruchu ładunków.

Rura strumieniowa to powierzchnia ograniczona liniami strumienia.

(ryc. 1).

Jeżeli naładowany q przechodzi przez pewną powierzchnię S w czasie t, to

przez powierzchnię S płynie prąd I(t) zmienny w czasie i należy znaleźć ładunek q, który przepłynął przez tę powierzchnię w przedziale czasu od chwili t 1 do chwili t 2. Podzielmy ten przedział na tak małe odcinki dt, aby w każdym z nich natężenie prądu można było uznać za stałe. Ładunek przeniesiony w czasie od chwili t do chwili t + dt jest równy dq = I(t)dt. Ładunek przeszedł w przedziale czasu od t 1 do

moment t 2:

q = ∫ I(t) dt.

Niech prąd I przepływa przez powierzchnię S w jakimś ośrodku przewodzącym. Podzielmy S na obszary elementarne dS i rozważmy jeden z nich (rys. 2, 3). Niech n będzie wektorem normalnym do dS, dl będzie prądem płynącym przez dS. W czasie dt platformy dS i dS przetną ten sam ładunek dq.

Gęstość prądu to stosunek prądu dl przepływającego przez obszar elementarny dS prostopadły do ​​linii prądu do jego pola:

kierunek wektora prędkości uporządkowanego ruchu ładunków dodatnich

kontrola υ (ryc. 3). Niech α będzie kątem pomiędzy	j i wektor normalny n do obszaru dS . Wtedy j dS = j (cosα )dS = j n dS , gdzie
j n – rzut j na kierunek normalnej n. Natężenie prądu przez powierzchnię S (ryc. 2)
	I = ∫ jn dS.
Wynika z tego, że obecna siła	I = ∫ j n dS jest strumieniem wektora gęstości prądu przez powierzchnię S.

1.2. Zależność gęstości prądu od stężenia i prędkości uporządkowanego ruchu nośników ładunku

Rozważmy ośrodek przewodzący z jednym rodzajem nośników swobodnego ładunku, w którym występuje prąd. Niech q + będzie wartością ładunku jednego nośnika, n + będzie koncentracją nośników (liczbą nośników na jednostkę objętości), υ + będzie średnią prędkością uporządkowanego ruchu nośników.

Rozważmy w tym środowisku elementarną rurkę prądową w postaci prostego walca o powierzchni dS i długości υ + dt, gdzie dt jest czasem, w którym cały ładunek znajdujący się wewnątrz tej rurki przejdzie przez powierzchnię dS

(ryc. 4). Elementarna rura prądowa ma tak małą długość i pole przekroju poprzecznego, że w jej obrębie gęstość prądu j można uznać za taką samą.

Ładunek wewnątrz tej rurki jest równy dq = q + n + dV, gdzie dV = υ + dtdS jest objętością rurki elementarnej

Z definicji gęstości prądu wynika:

q+ n+ υ + dtdS

W konsekwencji j = q + n + υ + jest gęstością prądu w przypadku jednego rodzaju swobodnych nośników prądu.

Rozważmy

sytuacja, kiedy w

podstawowy

są darmowe

nośniki opłat

dwa typy: q

w tym przypadku

j = q+ n+ υ + +

q-

n − υ − – gęstość prądu dla dwóch typów bezpłatnych nośników ładunku. Ten

wyrażenie można przedstawić w postaci wektorowej

−r −

W tym przypadku powinno

Ryc.5

j = q

pamiętaj, że ładunki q + i q – mają różne znaki, a wektory prędkości υ r + i υ r − są różnymi kierunkami.

1.3. Warunek konieczny istnienia prądu elektrycznego w obwodzie zamkniętym. Spadek napięcia

Rozważmy najprostszy obwód składający się z przewodnika, pomiędzy którego końcami powstaje różnica potencjałów ϕ 1 −ϕ 2 ≠ 0. Pod wpływem pola sił Coulomba zaczną się przemieszczać nośniki ładunku swobodnego: tzw

na przykład ładunki dodatnie przesuną się z „+” na „-”. Jak wiadomo, stan równowagi przewodnika odpowiada brakowi pola w przewodniku (E = 0). Prąd elektryczny to stan nierównowagowy przewodnika. Aby utrzymać ten stan nierównowagowy, tj. prąd stacjonarny wymagany jest dodatkowy mechanizm zapewniający przeniesienie ładunków dodatnich z „–” do „+”, tj. względem pola sił Coulomba (rys. 6). Wymaga to źródła sił zewnętrznych (sił o charakterze innym niż kulombowski). Siły zewnętrzne powodujące oddzielenie dodatniego i

Ładunki ujemne mogą mieć różny charakter. Zatem rys. 6 w ogniwach galwanicznych i akumulatorach na granicach styku powstają siły zewnętrzne o charakterze chemicznym

elektrolit i umieszczone w nim elektrody. W generatorze elektrowni ładunki oddzielają się pod wpływem działających na nie sił pole magnetyczne. W ogniwach fotowoltaicznych rozdział ładunku następuje pod wpływem światła. Urządzenia, w których działają siły zewnętrzne, nazywane są źródłami prądu. Zatem, niezbędne warunki istnienie prądu w obwodzie zamkniętym to, po pierwsze, obecność wolnych nośników ładunku, a po drugie, istnienie pole elektryczne, wprowadzenie przewoźników w uporządkowany ruch i, po trzecie, obecność źródła sił zewnętrznych.

Rozważmy odcinek przewodnika, na który działają siły zewnętrzne i Coulomba (ryc. 7).

Niech strona F będzie wypadkową wszystkich sił zewnętrznych działających na swobodny ładunekq w odcinku łańcucha od ()1

do ()2, F r fajny. – wypadkowa wszystkich sił Coulomba działających na ładunekq w tym samym odcinku obwodu.

Wynikowa siła F jest równa F = strona F + F coul.

Pomnóżmy skalarnie lewą i prawą stronę tego wyrażenia przez elementarne przemieszczenie wzdłuż odcinka łańcucha dl i całkujmy od ()1 do ()2:

Po lewej stronie tej równości znajduje się praca wypadkowej siły A 1 → 2, pierwszy człon po prawej stronie to praca sił zewnętrznych strona A, a drugi człon to praca sił Coulomba.

Podzielmy lewą i prawą stronę wynikowego wyrażenia przez q:

			Na bok		Super
	1→ 2			+ ∫		dł.

W dziale „Elektrostatyka” wyznaczono natężenie pola elektrycznego i ustalono jego związek z różnicą potencjałów:

fa fajny = mi r ; (2 ∫ ) mi r dl r = ϕ 1 -ϕ 2 .

q(1)

Biorąc pod uwagę te wyrażenia, poprzednia równość przyjmuje postać

ZA 1 q → 2 = bok q +(ϕ1 −ϕ2 ).

Wartość równa pracy wszystkich sił (Coulomba i strony trzeciej) powodujących przemieszczenie ładunku w odcinku obwodu, podzielona przez ilość ładunku, nazywana jest spadkiem napięcia w tym odcinku obwodu:

U 12= ZA 1 q → 2.

Nazywa się wartość równą pracy sił zewnętrznych potrzebnych do przemieszczenia ładunku w odcinku obwodu, podzieloną przez ilość ładunku siła elektromotoryczna(EMF) ε 12 działający na rozważany odcinek obwodu:

ε 12 = A bok

Zatem U 12 = ε 12 + (ϕ 1 −ϕ 2 ).

Odcinek obwodu, w którym działają siły zewnętrzne, tj. ε 12 ≠ 0, nazywamy niejednorodnym. Jeśli ε 12 = 0, to jest to jednorodny odcinek łańcucha (nie ma źródeł sił zewnętrznych).

1.4. Prawo Joule’a-Lenza. Prawo Ohma

Odkryte eksperymentalnie prawo Joule'a-Lenza stwierdza, że ​​ilość ciepła wydzielanego przez prąd stały jest proporcjonalna do iloczynu kwadratu natężenia prądu i czasu jego przepływu:

Q = RI2t,

gdzie R jest współczynnikiem proporcjonalności, który nazywany jest rezystancją przewodnika i jest jego charakterystyką.

W przypadku, gdy natężenie prądu zmienia się w czasie, należy uwzględnić krótki okres czasu dt, podczas którego natężenie prądu można uznać za stałe. W tym przypadku uwalniana jest ilość ciepła dQ = RI 2 dt. Wynika z tego, że w czasie t = t 2 – t 1 w przewodniku wydziela się ilość ciepła równa:

Q = ∫ RI2 dt.

Załóżmy, że w rozważanym odcinku łańcucha nie ma praca mechaniczna i nie zdarza się reakcje chemiczne. Następnie praca powstałych sił zewnętrznych i kulombowskich na przeniesienie ładunku dq z ()1 do ()2 ośrodka przewodzącego, zgodnie z prawem zachowania energii, jest równa energii cieplnej, której wartość jest określona przez Joule’a –

Lenz: U 12 dq = RI 2 dt. Stąd

U12 dq dt = U12 I= RI2 .

Zatem

ja = U 12= ε 12+ (ϕ 1−ϕ 2) .

Ta równość nazywa się prawem Ohma dla niejednorodnego odcinka łańcucha.

Dla obwodu zamkniętego, gdy ϕ 1 = ϕ 2, ε 12 = ε, otrzymujemy następującą postać prawa Ohma:

ja = R ε .

Dla jednorodnego odcinka łańcucha ε 12 = 0 i prawo Ohma przyjmuje postać

ja =ϕ 1 - R ϕ 2 = U R .

Opór jednorodnego przewodnika o tym samym przekroju na całej jego długości jest wprost proporcjonalny do długości przewodnika l i odwrotnie proporcjonalny

jego pole przekroju poprzecznego S:

R = ρ S l , (1,2)

gdzie ρ jest rezystywnością przewodnika, w zależności od jego materiału.

Odwrotność rezystywności nazywa się przewodnością elektryczną przewodnika: σ = ρ 1. W całkiem

w szerokim zakresie temperatur dalekich od zera absolutnego rezystywność przewodników metalowych jest liniową funkcją temperatury.

Jeżeli pole przekroju poprzecznego przewodnika zmienia się na jego długości l, to w celu określenia rezystancji takiego przewodnika postępujemy w następujący sposób. Podzielmy przewodnik na odcinki o tak małej długości dl, aby w każdym odcinku uwzględnić pole przekroju poprzecznego S

stała (ryc. 8). Opór takiego przekroju, zgodnie z (1.2), jest równy dR = ρ dl S. (1.3)

Ponieważ cały dyrygent jest połączenie szeregowe sekcje, wówczas jego rezystancja jest równa sumie rezystancji tych sekcji:

R = ∫ dR= ∫ ρ

Jako przykład zastosowania (1.4) znajdźmy rezystancję upływu kabla koncentrycznego. Kabel taki składa się z dwóch przewodzących cylindrów o promieniach r 1 i r 2, długości b, mających wspólną oś. Cylindry są oddzielone niedoskonałym dielektrykiem o dużej, ale skończonej rezystywności ρ. Prąd upływowy przepływa z jednego cylindra do drugiego prostopadle

powierzchnie tych cylindrów tak, aby linie prądu były skierowane wzdłuż współrzędnej r (ryc. 9). Podzielmy przestrzeń pomiędzy cylindrami na cienkie współosiowe warstwy cylindryczne. Na ryc. Rysunek 9 przedstawia jedną z tych warstw o ​​promieniu r i grubości dr. Jego opór jest określony przez (1.3). Dla uproszczenia założymy, że ρ = const. Biorąc pod uwagę, że pole przekroju takiego cylindra (poprzeczne do kierunku prądu upływu) S = 2π rb,

otrzymujemy dR = ρ 2 π dr rb .

Całkując teraz od r =r 1 do r =r 2, znajdujemy rezystancję upływu kabla

		r 2dr
	2π b				2π b

1,5. Prąd quasi-stacjonarny

Omówione powyżej prawa Ohma i Joule'a-Lenza nie mają już zastosowania do prądów przemiennych, które szybko zmieniają się w czasie, a także w obwodach zawierających kondensatory i cewki indukcyjne. Jednak pod pewnymi warunkami prawa te można uogólnić dla takich obwodów, jeśli AC nie zmienia się zbyt szybko. Można dokonać takiego uogólnienia

prądy quasi-stacjonarne. To uogólnienie zostanie omówione w części „Oscylacje”. Znajdźmy warunek, aby prąd był quasi-stacjonarny.

Rozważmy najprostszy obwód składający się ze źródła Napięcie prądu przemiennego i rezystancji obciążenia (ryc. 10). Długość (wymiary liniowe łańcucha) będzie charakteryzowana parametrem l (długość łańcucha). Zmiana

napięcie w źródle dotrze do najdalszego odcinka obwodu w czasie τ = c l , gdzie c jest prędkością propagacji

pole elektryczne równe prędkości światła 3 108 m s. Niech ν będzie częstotliwością napięcia w źródle, T = ν 1 będzie okresem oscylacji napięcia. Prąd nazywa się quasi-stacjonarnym, jeśli w tym samym momencie w dowolnym odcinku obwodu natężenie prądu jest takie samo. Dzieje się tak, jeśli<> ν .

Pytanie: Czy prąd zmienny przy częstotliwości 106 Hz jest quasi-stacjonarny? Zakładając około 1 m, otrzymujemy

3 108 Hz >> 106 Hz. Odpowiedź: tak, jest. W przypadku, gdy l= 103 m,

3 105 Hz, odpowiedź jest negatywna.

1.6. Prawo Ohma i prawo Joule’a-Lenza w postaci różniczkowej

Rozważmy elementarną rurkę prądową w jednorodnym ośrodku przewodzącym

(Rys. 11) i zastosuj do niego prawo Ohma dla jednorodnego odcinka łańcucha:

dI = ϕ 1 −ϕ 2

= ϕ 1 −ϕ 2

ϕ 1 −ϕ 2 dS

Ryż. 11

ρ dł

Weźmy to pod uwagę

= σ,

ϕ1 −ϕ2

E, gdzie E jest natężeniem pola elektrycznego.

Otrzymujemy:

J = σE.

Równanie (1.5) jest prawem Ohma w postaci różniczkowej, które pozwala wyznaczyć rozkład gęstości prądu, jeśli natężenie pola elektrycznego jest znane jako funkcja współrzędnych:

mi (x, y, z) → r jot (x, y, z). Z tego prawa wynika, że ​​​​w przewodniku linie prądu pokrywają się linie energetyczne pole elektryczne.

W przypadku dwóch rodzajów przewoźników bezpłatnych:

j = q+ n+ υ + +

q-

n −υ −.

Doświadczenie pokazuje, że średnia prędkość uporządkowanego ruchu jest proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego: υ + = μ + E ,υ − = μ − E , gdzie μ + i μ – to ruchliwość nośników dodatnich i ujemnych

opłaty. Numerycznie ruchliwość μ jest równa średniej prędkości uporządkowanego ruchu nośnika ładunku, gdy E = 1 V m.

Porównując (1.5) i (1.6) otrzymujemy, że σ = q + n + μ + + q – n – μ – .

Jeśli n + = n – = n i q + = q − = q, to ​​σ = qn (μ + +μ − ).

Rozważmy elementarną lampę prądową i zastosujmy do niej prawo Joule’a-Lenza:

dQ = RI2 dt = ρ		(jdS) 2 dt= ρ			σ 2 E2 dS2 dt= σ E2 dldS dt.
Weźmy pod uwagę, że dldS = dV			– objętość elementarnej lampy prądowej. Wtedy dQ = σ E 2 dVdt.

Wartość w = dtdV dQ, gdzie dQ jest ilością ciepła wydzielanego podczas przepływu prądu w objętości przewodnika dV

w czasie dt nazywa się mocą prądu właściwego.

Dla określonej mocy prądu otrzymujemy równość w = σ E 2, która w postaci różniczkowej nazywa się prawem Joule'a-Lenza. Biorąc pod uwagę prawo Ohma w postaci różniczkowej j = σ E = E ρ , prawo Joule’a – Lenza w

postać różniczkową można również zapisać jako w = ρ j 2.

Jako przykład zastosowania prawa Ohma rozważ obliczenie rezystancji uziemienia w liniach komunikacyjnych. Na ryc. 12 przedstawia linię komunikacyjną. W tej linii nadajnik P 1 i odbiornik P 2 są połączone przewodem P. Dolne zaciski nadajnika i odbiornika podłączone są do blach3 zakopanych w ziemi. Masa w tej linii pełni rolę przewodu powrotnego.

Dowiedzmy się, jakie czynniki wpływają na rezystancję uziemienia. Aby to zrobić, rozważ uproszczony problem obliczenia rezystancji między dwiema metalowymi kulkami o promieniu r umieszczonymi w nieskończonym ośrodku przewodzącym o przewodności elektrycznej σ (ryc. 13).

Zakładamy, że odległość między kulkami jest znacznie większa niż ich promień, co zawsze ma miejsce w przypadku rzeczywistych linii komunikacyjnych. Biorąc pod uwagę ostatni warunek, możemy pominąć wpływ jednej piłki na pole elektryczne Na

	powierzchnię innej piłki. Następnie ładunek q na powierzchni każdej kulki
			równomiernie				i potencjały ϕ 1	i ϕ 2	σ, ε
	pierwsza i druga kula będą odpowiednio równe (patrz):
	ϕ = k		, ϕ		= −k				Ryż. 13
		ε r				ε r

gdzie k = 4 πε 1 0 , ε jest stałą dielektryczną ośrodka pomiędzy kulkami.

Potencjalna różnica między kulkami

S = 4 π k

U = ϕ −ϕ
				σ q
		ε r 2

gdzie bierze się pod uwagę, że powierzchnia kuli wynosi S = 4π r 2.

Korzystając z prawa Ohma, znajdziemy rezystancję uziemienia, biorąc pod uwagę (1.7) i (1.8)

				2 πr σ

Jak wynika z (1.9), w rozważanym przybliżeniu rezystancja uziemienia nie zależy od odległości między kulkami, ale jest określona przez ich rozmiary i przewodność elektryczną ośrodka między nimi.

1.7. Równanie ciągłości

Rozważmy zamkniętą powierzchnię S, wewnątrz której znajduje się objętość V. Narysujmy wektor normalny n na zewnątrz powierzchni S. Niech przez tę powierzchnię S przepłynie prąd siły I. Wówczas ładunek dq ′, który przeszedł przez powierzchnię S w czasie dt, jest równy Idt. Zgodnie z prawem konserwatorskim ładunek elektryczny, zmiana ładunku wewnątrz objętości V jest równa dq = –Idt. Znak „–” oznacza tutaj, że przy dodatnim prądzie I, tj. prąd płynący z objętości przez powierzchnię S, ładunek q w objętości V maleje, a przy prądzie ujemnym, tj. prąd wpływający do objętości V przez powierzchnię S, ładunek ten wzrasta (ryc. 14). W ten sposób dochodzimy do następującego równania:

ja = −

Natężenie prądu I płynącego przez dowolną zamkniętą stałą powierzchnię S jest równe szybkości zmiany ładunku q w objętości V oznaczonej znakiem „-”

wewnątrz tej powierzchni. Biorąc pod uwagę, że I = ∫ jot n dS , i

q = ∫ ρ dV, gdzie j jest gęstością		prąd, ρ –		wolumetryczny
gęstość ładunku, widzimy, że (1.10) można zapisać
następująco:
	jn ds= - re		ρ dV.
Pochodną można wprowadzić pod znakiem całki,
ponieważ tom V nie zmienia się w czasie:
				jn ds= −		∂t
						∂ρ dV .
Równanie (1.11) nazywane jest równaniem ciągłości. Należy zauważyć, że przejście do pochodnej cząstkowej w
Równanie to wynika z faktu, że ρ może zależeć nie tylko od czasu, ale także od współrzędnych przestrzennych.
W przypadku stacjonarnym, tj. przy prądzie stałym,							∂ρ = 0 .	Zatem ∫ jot n ds = 0 . To znaczy, ile
							∂t

Istnieje tyle samo linii prądu, które wchodzą do dowolnej zamkniętej powierzchni i z niej wychodzą. Więc linie DC Nigdzie się nie zaczynają i nigdzie nie kończą – są zamknięte.

Pole elektryczne występujące w ośrodku, gdy przepływa w nim prąd stały, jest podobne do pola elektrostatycznego, tj. pole utworzone przez nieruchome ciała naładowane. Podobieństwo to objawia się przede wszystkim tym, że oba te pola okazują się potencjalne. Do ich opisu można wykorzystać zarówno natężenie pola, jak i potencjał, a także pojęcia związane z potencjałem, np. powierzchnie ekwipotencjalne.

Istnieją również znaczne różnice między polem elektrycznym prądu stałego a polem elektrostatycznym. Jak wiadomo napięcie pole elektrostatyczne wewnątrz

Wiesz już, że naładowane ciała (czyli w skrócie ładunki) w polu elektrycznym posiadają energię, którą można przekształcić w inny rodzaj energii: cieplną, świetlną lub kinetyczną, jak na przykład w eksperymencie z kłębkiem waty (patrz §8 -e). Podczas którejkolwiek z tych przemian musi nastąpić prąd elektryczny. Podajmy definicję.
Prąd elektryczny - jest to ukierunkowany (uporządkowany) ruch naładowanych cząstek: elektronów i/lub jonów.

Na przykład w eksperymencie z krążkami i kłębkiem waty, kierunkowy ruch elektronów: z dolnego dysku na górny. Noszono je za pomocą kłębka waty (patrz §8).
W poprzednim eksperymencie z dyskami pionowymi elektrony nie potrzebowały nawet „nośnika”, ponieważ gaz elektronowy pod wpływem sił pola sam płynął z prawego dysku wzdłuż drutu do elektroskopu. To znaczy w drucie prąd elektryczny istniał przez krótki czas, utworzone przez poruszające się elektrony.
Zapoznajmy się teraz z urządzenia przeznaczone do długotrwałego wytwarzania prądu elektrycznego - źródła energii elektrycznej (czasami mówią – źródła aktualne, ale to określenie mniej pożądane).

Istnieje wiele rodzajów źródeł energii elektrycznej. Najprostsze z nich to ogniwa galwaniczne(1, 2, 3). Przekształcają swoją energię wewnętrzną (chemiczną) w energię elektryczną. Podobna przemiana energii zachodzi w baterie(4). Kiedy jednak bateria się wyczerpie, można ją ponownie naładować i znów będzie służyć jako źródło energii elektrycznej. Mówiąc obrazowo, konwencjonalne ogniwa galwaniczne są „jednorazowego użytku”, a baterie to źródła energii „wielokrotnego użytku”.
Oprócz pojedynczych akumulatorów i ogniw galwanicznych często się je spotyka baterie to kilka elementów połączonych ze sobą. Liczba 2 oznacza baterię ogniw galwanicznych - „baterię płaską”, a cyfra 4 - baterię akumulatorów do samochodu. Cyfra 5 wskazuje prostownik lub jednostka napędowa, służąc jako źródło energii elektrycznej dla urządzenia elektroniczne- laptopy, telefony. Pobiera energię z domowej sieci elektrycznej.
Każde źródło energii elektrycznej musi mieć co najmniej dwa słupy- przewody metalowe przeznaczone do łączenia odbiorców energii elektrycznej. Na przykład akumulator lub „bateria” ma zawsze dwa bieguny: dodatni i ujemny, oznaczone znakami „+” i „-”. Na biegunie dodatnim brakuje elektronów, na biegunie ujemnym jest ich nadmiar. Cel źródła zasilania - utworzenie i długotrwałe utrzymanie nierównej elektryfikacji jej biegunów. Spójrzmy na to konkretny przykład(patrz zdjęcie).

Podłączmy żarówkę z latarki do „akumulatora”. Nadmiar elektronów, zawsze obecny na biegunie ujemnym, po połączeniu styków przesunie się na biegun dodatni akumulatora. Doprowadzi to do częściowej neutralizacji ładunków na biegunach. Dlatego też, jeśli elektrony wewnątrz baterii są pod wpływem jakichkolwiek siły zewnętrzne nie osiągnie ponownie bieguna ujemnego, prąd szybko się zatrzyma, a żarówka zgaśnie. Ale tak się nie dzieje, co oznacza, że ​​​​w akumulatorze jest prąd.
Uwaga: poza źródłem elektrony przemieszczają się od „-” do „+”, tak jak powinny poruszać się cząstki ujemne w polu elektrycznym. Jednak wewnątrz źródła elektrony przemieszczają się z „+” do „-”. Taki ruch pomimo działania sił pola elektrycznego jest możliwy jedynie pod wpływem tzw siły zewnętrzne , które nie są związane z siłami pola elektrycznego; powstają i wykonują pracę dzięki wewnętrznej (chemicznej) energii akumulatora.
Historycznie tak się złożyło Prądowi przypisuje się kierunek od źródła „+” do jego „-” za pośrednictwem konsumentów. Fizycy zgodzili się z tym kilka wieków temu, kiedy nie wiedzieli o istnieniu elektronów. Jednocześnie pojawiła się niezbyt udana nazwa „źródło prądu”, ponieważ teraz wiemy, że prąd elektryczny nie ma „źródeł” i „upływa”: prąd krąży w przewodnikach, jak woda w zamkniętej rurze z pompą.

Pamiętajmy, że celem każdego źródła prądu jest długotrwałe utrzymanie nierównej elektryfikacji swoich biegunów, tak, aby istniało między nimi pole elektryczne (patrz § 8-g). Tylko ona może sprawić, że elektrony poruszają się w przewodach i odbiornikach, co prowadzi do bieżących działań, których potrzebujemy.
Przejdźmy do doświadczenia (patrz rysunek). Przez obie lampy przepływa prąd o tym samym natężeniu: 0,4 A. Ale duża lampa świeci jaśniej, to znaczy działa z większą mocą niż mała. Okazuje się, moc może być różna przy tym samym prądzie.

Jest to prawdą, ponieważ Oprócz prądu moc zależy od jeszcze jednej rzeczy wielkość fizyczna - napięcie elektryczne . Wiadomo, że napięcie wytwarzane przez „akumulator” jest mniejsze niż napięcie wytwarzane przez sieć w gniazdku. Oznacza to, że pole pomiędzy biegunami baterii, przemieszczając elektrony wzdłuż przewodów i lampą po lewej stronie, wytwarza prąd o mniejszej mocy niż pole pomiędzy stykami w gnieździe, przemieszczając elektrony wzdłuż przewodów i lampą po lewej stronie Prawidłowy. Dlatego jasność lamp jest inna.
W fizyce Zależność mocy elektrycznej od prądu i napięcia jest reprezentowana przez iloczyn:

Zgodnie z umową międzynarodową jednostką napięcia elektrycznego jest 1 wolt (1 V) to napięcie, które przy prądzie 1 A wytwarza prąd o mocy 1 W.
Do pomiaru napięcia służy urządzenie woltomierz. Podłączany jest zawsze równolegle do odcinka obwodu, w którym mierzone jest napięcie.
Aby się dowiedzieć prawa rozkładu naprężeń w obwodach z inne połączenie dyrygenci, zróbmy eksperymenty.
Zmierzmy napięcie w różnych częściach obwodu składającego się z reostatu i lampy, połączone szeregowo. Najpierw zmierz napięcie na całym połączeniu: Uogólnie= 5 V (patrz wykres „a”). Następnie - na lampie: U1 = 4 V (obwód „b”). I na koniec napięcie na reostacie: U2 = 1 V (obwód „c”).



w obwodzie z szeregowym połączeniem przewodów napięcie na całym połączeniu jest równe sumie napięć na poszczególnych przewodach:

Zmierzmy napięcie w różnych częściach obwodu za pomocą połączenie równoległe dwie lampy (uwaga: niekoniecznie są takie same). Na wykresie „d” woltomierz mierzy napięcie całkowite: Uogólnie= 5 V. Na schematach „d” i „e” - napięcie na każdej z lamp: U1 = 5 V, U2 = 5 V.



Te i podobne pomiary to pokazują w obwodzie z równoległym połączeniem przewodów napięcie na każdym z przewodów jest równe napięciu na całym połączeniu: