Struja i napon. Vrste i pravila. Rad i karakteristike. Definicija električne struje

". Danas se želim dotaknuti takve teme kao što je električna struja. Što je? Pokušajmo se prisjetiti školskog programa.

Električna struja je uređeno kretanje nabijenih čestica u vodiču.

Ako se sjećate, da bi se nabijene čestice kretale, (nastala električna struja) potrebno je stvoriti električno polje. Da biste stvorili električno polje, možete provesti takve elementarne eksperimente kao što je trljanje plastične ručke o vunu i neko će vrijeme privlačiti lagane predmete. Tijela koja nakon trljanja mogu privući predmete nazivamo naelektrizirana. Možemo reći da tijelo u tom stanju ima električne naboje, a sama tijela nazivamo nabijenima. Iz školskog programa znamo da su sva tijela sastavljena od sitnih čestica (molekula). Molekula je čestica tvari koja se može odvojiti od tijela i imat će sva svojstva svojstvena ovom tijelu. Molekule složenih tijela nastaju iz različitih kombinacija atoma jednostavnih tijela. Na primjer, molekula vode sastoji se od dvije jednostavne: atoma kisika i jednog atoma vodika.

Atomi, neutroni, protoni i elektroni - što su oni?

Zauzvrat, atom se sastoji od jezgre i okreće se oko nje elektroni. Svaki elektron u atomu ima mali električni naboj. Na primjer, atom vodika sastoji se od jezgre elektrona koji se okreće oko njega. Jezgra atoma sastoji se, pak, od protona i neutrona. Jezgra atoma pak ima električni naboj. Protoni koji čine jezgru imaju iste električne naboje i elektrone. Ali protoni, za razliku od elektrona, su neaktivni, ali njihova masa je mnogo puta veća od mase elektrona. Čestica neutrona, koja je dio atoma, nema električni naboj, neutralna je. Elektroni koji kruže oko jezgre atoma i protoni koji čine jezgru su nositelji jednakih električnih naboja. Između elektrona i protona uvijek postoji sila međusobnog privlačenja, a između samih elektrona i između protona sila međusobnog odbijanja. Zbog toga elektron ima negativan električni naboj, a proton pozitivan. Iz ovoga možemo zaključiti da postoje 2 vrste elektriciteta: pozitivni i negativni. Prisutnost jednako nabijenih čestica u atomu dovodi do činjenice da između pozitivno nabijene jezgre atoma i elektrona koji rotiraju oko nje postoje sile međusobnog privlačenja koje drže atom na okupu. Atomi se međusobno razlikuju po broju neutrona i protona u jezgri, zbog čega pozitivni naboj jezgri atoma raznih tvari nije isti. U atomima različitih tvari broj rotirajućih elektrona nije isti i određen je pozitivnim nabojem jezgre. Atomi nekih tvari čvrsto su vezani za jezgru, dok kod drugih ta veza može biti mnogo slabija. Ovo objašnjava različite snage tijela. Čelična žica je puno jača od bakrene žice, što znači da se čestice čelika jače privlače jedna drugoj nego čestice bakra. Privlačenje između molekula posebno je vidljivo kada su one blizu jedna drugoj. Najviše vrhunski primjer Dvije kapi vode pri dodiru se spajaju u jednu.

Električno punjenje

U atomu bilo koje tvari, broj elektrona koji kruže oko jezgre jednak je broju protona sadržanih u jezgri. Električni naboj elektrona i protona jednak je po veličini, što znači da je negativni naboj elektrona jednak pozitivnom naboju jezgre. Ti se naboji međusobno uravnotežuju, a atom ostaje neutralan. U atomu elektroni stvaraju elektronsku ljusku oko jezgre. Elektronski omotač i jezgra atoma su u neprekidnom oscilatornom gibanju. Kada se atomi kreću, sudaraju se jedan s drugim i iz njih izleti jedan ili više elektrona. Atom prestaje biti neutralan i postaje pozitivno nabijen. Pošto je njegov pozitivni naboj postao negativniji (slaba veza između elektrona i jezgre – metala i ugljena). U drugim tijelima (drvo i staklo), elektroničke ljuske nisu slomljene. Nakon odvajanja od atoma, slobodni elektroni se kreću nasumično i mogu ih uhvatiti drugi atomi. Proces pojavljivanja i nestajanja u tijelu je kontinuiran. S porastom temperature povećava se brzina vibracijskog gibanja atoma, sudari postaju sve češći, jači, povećava se broj slobodnih elektrona. Međutim, tijelo ostaje električki neutralno, jer se broj elektrona i protona u tijelu ne mijenja. Ako se određena količina slobodnih elektrona ukloni iz tijela, tada pozitivni naboj postaje veći od ukupnog naboja. Tijelo će biti pozitivno nabijeno i obrnuto. Ako se u tijelu stvori manjak elektrona, onda se ono dodatno puni. Ako je eksces negativan. Što je taj manjak ili višak veći, to je veći električni naboj. U prvom slučaju (više pozitivno nabijenih čestica) tijela se nazivaju vodičima (metali, vodene otopine soli i kiselina), a u drugom (nedostatak elektrona, negativno nabijene čestice) dielektricima ili izolatorima (jantar, kvarc, ebonit). Za kontinuirano postojanje električne struje potrebno je stalno održavati razliku potencijala u vodiču.

Pa, to je mali tečaj fizike gotov. Mislim da ste se uz moju pomoć sjetili školskog programa za 7. razred, a koja je potencijalna razlika analizirat ćemo u mom sljedećem članku. Do ponovnog susreta na stranicama stranice.

Struja

Prije svega, vrijedi saznati što čini električnu struju. Električna struja je uređeno kretanje nabijenih čestica u vodiču. Da bi on nastao potrebno je prvo stvoriti električno polje pod čijim će se utjecajem spomenute nabijene čestice početi gibati.

Prve informacije o elektricitetu, koje su se pojavile prije mnogo stoljeća, odnosile su se na električne "naboje" dobivene trenjem. Već u davna vremena ljudi su znali da jantar, nošen na vuni, stječe sposobnost privlačenja lakih predmeta. Ali samo u krajem XVI stoljeća engleski doktor Gilbert je detaljno proučavao ovaj fenomen i otkrio da mnoge druge tvari imaju potpuno ista svojstva. Tijela sposobna, poput jantara, nakon trljanja privući lagane predmete, nazvao je naelektriziranima. Ova riječ je izvedena iz grčkog elektrona - "jantar". Trenutno kažemo da postoje električni naboji na tijelima u ovom stanju, a sama tijela se nazivaju "nabijena".

Električni naboji uvijek nastaju kada su različite tvari u bliskom kontaktu. Ako su tijela čvrsta, tada je njihov bliski kontakt onemogućen mikroskopskim izbočinama i nepravilnostima koje postoje na njihovoj površini. Stiskanjem i trljanjem takvih tijela zbližavamo njihove površine koje bi se bez pritiska dodirivale samo na nekoliko točaka. U nekim se tijelima električni naboji mogu slobodno kretati između razne dijelove dok kod drugih to nije moguće. U prvom slučaju, tijela se nazivaju "vodiči", au drugom - "dielektrici ili izolatori". Vodiči su svi metali, vodene otopine soli i kiselina itd. Primjeri izolatora su jantar, kvarc, ebonit i svi plinovi koji su u normalnim uvjetima.

Ipak, treba napomenuti da je podjela tijela na vodiče i dielektrike vrlo proizvoljna. Sve tvari u većoj ili manjoj mjeri provode struju. Električni naboji su pozitivni ili negativni. Ovakva struja neće dugo trajati, jer će naelektrizirano tijelo ostati bez naboja. Za kontinuirano postojanje električne struje u vodiču potrebno je održavati električno polje. U tu svrhu koriste se izvori električne struje. Najjednostavniji slučaj nastanka električne struje je kada je jedan kraj žice spojen na naelektrisano tijelo, a drugi na masu.

Električni krugovi koji opskrbljuju strujom žarulje i elektromotore pojavili su se tek nakon izuma baterija, koji datira iz otprilike 1800. godine. Nakon toga, razvoj doktrine o elektricitetu je išao tako brzo da je za manje od jednog stoljeća postao ne samo dio fizike, već je činio osnovu nove električne civilizacije.

Glavne veličine električne struje

Količina elektriciteta i jakost struje. Djelovanje električne struje može biti jako ili slabo. Jakost električne struje ovisi o količini naboja koja protječe strujnim krugom u određenoj jedinici vremena. Što se više elektrona pomakne s jednog pola izvora na drugi, to je veći ukupni naboj koji nose elektroni. Ovaj ukupni naboj naziva se količina elektriciteta koja prolazi kroz vodič.

Konkretno, kemijski učinak električne struje ovisi o količini elektriciteta, tj. što je više naboja prošlo kroz otopinu elektrolita, to će se više tvari taložiti na katodi i anodi. S tim u vezi, količina elektriciteta može se izračunati vaganjem mase tvari nataložene na elektrodi i poznavanjem mase i naboja jednog iona te tvari.

Jakost struje je veličina koja je jednaka omjeru električnog naboja koji je prošao kroz poprečni presjek vodiča i vremena njegovog protoka. Jedinica za naboj je kulon (C), vrijeme se mjeri u sekundama (s). U ovom slučaju jedinica jakosti struje izražava se u C/s. Ova jedinica se naziva amper (A). Za mjerenje jakosti struje u strujnom krugu koristi se električni mjerni uređaj koji se naziva ampermetar. Za uključivanje u krug, ampermetar je opremljen s dva terminala. U krug je uključen u seriju.

električni napon. Već znamo da je električna struja uređeno kretanje nabijenih čestica – elektrona. Ovo kretanje nastaje uz pomoć električnog polja koje obavlja određeni rad. Ova pojava se naziva rad električne struje. Kako bi kroz električni krug u 1 sekundi prenijelo više naboja, električno polje mora izvršiti veći rad. Na temelju toga proizlazi da bi rad električne struje trebao ovisiti o jakosti struje. Ali postoji još jedna vrijednost o kojoj ovisi rad struje. Ova vrijednost se naziva napon.

Napon je omjer rada struje u određenom dijelu električnog kruga i naboja koji teče kroz isti dio kruga. Trenutni rad se mjeri u džulima (J), naboj se mjeri u privjescima (C). S tim u vezi, mjerna jedinica napona bit će 1 J/C. Ova jedinica se naziva volt (V).

Da bi se u električnom krugu pojavio napon, potreban je izvor struje. U otvorenom krugu napon je prisutan samo na stezaljkama izvora struje. Ako je ovaj izvor struje uključen u krug, napon će se također pojaviti u određenim dijelovima kruga. U tom smislu, također će biti struje u krugu. Odnosno, ukratko možemo reći sljedeće: ako u krugu nema napona, nema ni struje. Za mjerenje napona koristi se električni mjerni uređaj koji se zove voltmetar. Izgledom podsjeća na prije spomenuti ampermetar, s tom razlikom što se na skali voltmetra nalazi slovo V (umjesto A na ampermetru). Voltmetar ima dvije stezaljke, uz pomoć kojih se spaja paralelno na električni krug.

Električni otpor. Nakon spajanja svih vrsta vodiča i ampermetra u električni krug, možete vidjeti da kada koristite različite vodiče, ampermetar proizvodi različite indikacije, tj. u ovom slučaju, struja dostupna u električnom krugu je drugačija. Ovaj fenomen se može objasniti činjenicom da različiti vodiči imaju različite električni otpor, što je fizikalna veličina. U čast njemačkog fizičara nazvana je Ohm. U fizici se u pravilu koriste veće jedinice: kiloohm, megaohm itd. Otpor vodiča obično se označava slovom R, duljina vodiča je L, površina presjeka je S. U tom slučaju otpor se može napisano kao formula:

gdje se koeficijent p naziva otpornost. Ovaj koeficijent izražava otpor vodiča duljine 1 m s površinom poprečnog presjeka jednakom 1 m2. Otpornost izraženo u Ohm x m. Budući da žice, u pravilu, imaju prilično mali presjek, njihova se površina obično izražava u kvadratnim milimetrima. U tom će slučaju jedinica otpora biti Ohm x mm2/m. U tablici ispod. 1 prikazuje otpornost nekih materijala.

Tablica 1. Električni otpor nekih materijala

Materijal

p, Ohm x m2/m

Materijal

p, Ohm x m2/m

Legura platine iridija

Metal ili legura

Manganin (legura)

Aluminij

Konstantan (legura)

Volfram

Nikrom (legura)

Nikal (legura)

Fehral (legura)

krom (legura)

Prema tablici. 1, postaje jasno da bakar ima najmanji električni otpor, a legura metala ima najveći. Osim toga, dielektrici (izolatori) imaju visoku otpornost.

Električni kapacitet. Već znamo da dva vodiča izolirana jedan od drugog mogu akumulirati električne naboje. Ovu pojavu karakterizira fizička veličina, koja se naziva električni kapacitet. Električni kapacitet dva vodiča nije ništa drugo nego omjer naboja jednog od njih i potencijalne razlike između ovog vodiča i susjednog. Što je niži napon kada vodiči primaju naboj, to je veći njihov kapacitet. Farad (F) se uzima kao jedinica za električni kapacitet. U praksi se koriste razlomci ove jedinice: mikrofarad (µF) i pikofarad (pF).

Yandex.DirectAll oglasiApartmani za dnevni najam Kazan! Apartmani od 1000 rubalja. dnevno. Mini-hoteli. Izvještajni dokumenti16.forguest.ru Apartmani za dnevni najam u Kazanu Udobni apartmani u svim četvrtima Kazana. Brzi najam stanova.fatyr.ru Novi Yandex.Browser! Zgodne oznake i pouzdana zaštita. Preglednik za ugodne šetnje internetom!browser.yandex.ru 0+

Ako uzmete dva vodiča izolirana jedan od drugog, postavite ih na malu udaljenost jedan od drugog, dobit ćete kondenzator. Kapacitet kondenzatora ovisi o debljini njegovih ploča te o debljini dielektrika i njegovoj propusnosti. Smanjenjem debljine dielektrika između ploča kondenzatora, moguće je znatno povećati kapacitet potonjeg. Na svim kondenzatorima, osim njihovog kapaciteta, mora biti naznačen napon za koji su ti uređaji predviđeni.

Rad i snaga električne struje. Iz prethodnog je jasno da električna struja obavlja određeni rad. Kada se spoje elektromotori, električna struja pokreće sve vrste opreme, pokreće vlakove po tračnicama, osvjetljava ulice, grije dom, a proizvodi i kemijski učinak, odnosno omogućuje elektrolizu itd. Možemo reći da rad struje u određenom dijelu strujnog kruga jednak je umnošku struje, napona i vremena u kojem je rad obavljen. Rad se mjeri u džulima, napon u voltima, struja u amperima, a vrijeme u sekundama. S tim u vezi, 1 J = 1V x 1A x 1s. Iz ovoga proizlazi da za mjerenje rada električne struje treba koristiti tri uređaja odjednom: ampermetar, voltmetar i sat. Ali ovo je glomazno i ​​neučinkovito. Stoga se obično rad električne struje mjeri električnim brojilima. Uređaj ovog uređaja sadrži sve gore navedene uređaje.

Snaga električne struje jednaka je omjeru rada struje i vremena u kojem je izvršen. Snaga se označava slovom "P" i izražava se u vatima (W). U praksi se koriste kilovati, megavati, hektovi itd. Za mjerenje snage strujnog kruga potrebno je uzeti vatmetar. Električni rad izražava se u kilovat-satima (kWh).

Osnovni zakoni električne struje

Ohmov zakon. Napon i struja smatraju se najprikladnijim karakteristikama električnih krugova. Jedna od glavnih značajki korištenja električne energije je brz transport energije s jednog mjesta na drugo i prijenos do potrošača u željeni oblik. Umnožak razlike potencijala i jakosti struje daje snagu, tj. količinu energije koja se preda u strujnom krugu u jedinici vremena. Kao što je gore spomenuto, za mjerenje snage u električnom krugu bila bi potrebna 3 uređaja. Je li moguće napraviti s jednim i izračunati snagu iz njegovih očitanja i neke karakteristike kruga, kao što je njegov otpor? Mnogima se ova ideja svidjela, smatrali su je plodnom.

Dakle, koliki je otpor žice ili kruga u cjelini? Ima li žica, poput vodovodnih cijevi ili cijevi u vakuumskom sustavu, konstantno svojstvo koje bi se moglo nazvati otporom? Na primjer, u cijevima, omjer razlike tlaka koji stvara protok podijeljen s brzinom protoka obično je konstantna karakteristika cijevi. Na isti način, protok topline u žici podložan je jednostavnom odnosu, koji uključuje temperaturnu razliku, površinu poprečnog presjeka žice i njezinu duljinu. Otkriće takvog odnosa za električne krugove bilo je rezultat uspješne potrage.

1820-ih njem školski učitelj Georg Ohm prvi je počeo tražiti navedeni omjer. Prije svega, težio je slavi i slavi, koja bi mu omogućila da predaje na sveučilištu. To je bio jedini razlog zašto je odabrao smjer studija koji je nudio posebne prednosti.

Om je bio sin bravara, pa je znao izvući metalnu žicu različitih debljina, koja mu je trebala za pokuse. Budući da je u to vrijeme bilo nemoguće kupiti odgovarajuću žicu, Om ju je napravio vlastitim rukama. Tijekom pokusa isprobavao je različite duljine, različite debljine, različite metale, pa čak i različite temperature. Sve te faktore on je redom mijenjao. U Ohmovo vrijeme, baterije su još uvijek bile slabe, dajući struju promjenjive veličine. U tom smislu, istraživač je koristio termoelement kao generator, čiji je vrući spoj stavljen u plamen. Uz to, koristio je grubi magnetski ampermetar i mjerio potencijalne razlike (Ohm ih je nazvao "naponi") mijenjajući temperaturu ili broj toplinskih spojeva.

Doktrina električnih krugova tek je dobila svoj razvoj. Nakon izuma baterija oko 1800. godine, počeo se puno brže razvijati. Dizajnirani su i proizvedeni razni uređaji (nerijetko ručno), otkriveni su novi zakoni, pojavili su se koncepti i termini itd. Sve je to dovelo do dubljeg razumijevanja električni fenomeni i čimbenici.

Osavremenjavanje znanja o elektricitetu, s jedne strane, uzrokovalo je nastanak novog područja fizike, as druge strane, bilo je temelj za nagli razvoj elektrotehnike, odnosno baterija, generatora, sustava za napajanje rasvjete i električnih pogona. , električne peći, električni motori itd. su izumljeni , ostalo.

Ohmova otkrića bila su od velike važnosti kako za razvoj teorije elektriciteta tako i za razvoj primijenjene elektrotehnike. Olakšali su predviđanje svojstava električnih krugova za istosmjernu, a kasnije i za izmjeničnu struju. Godine 1826. Ohm je objavio knjigu u kojoj je iznio teorijske zaključke i eksperimentalne rezultate. Ali njegove nade nisu bile opravdane, knjiga je dočekana s podsmijehom. To se dogodilo jer se metoda grubog eksperimentiranja činila malo privlačnom u doba kada su mnogi ljudi voljeli filozofiju.

Omu nije imao izbora nego napustiti mjesto učitelja. Iz istog razloga nije dobio imenovanje na sveučilištu. Znanstvenik je 6 godina živio u siromaštvu, bez povjerenja u budućnost, doživljavajući osjećaj gorkog razočaranja.

Ali postupno su njegova djela stekla slavu prvo izvan Njemačke. Om je bio cijenjen u inozemstvu, njegova su istraživanja korištena. S tim u vezi, sunarodnjaci su ga bili prisiljeni prepoznati u svojoj domovini. Godine 1849. dobio je mjesto profesora na Sveučilištu u Münchenu.

Ohm je otkrio jednostavan zakon koji uspostavlja odnos između struje i napona za komad žice (za dio kruga, za cijeli krug). Osim toga, napravio je pravila koja vam omogućuju da odredite što će se promijeniti ako uzmete žicu druge veličine. Ohmov zakon formuliran je na sljedeći način: jakost struje u dijelu strujnog kruga izravno je proporcionalna naponu u tom dijelu i obrnuto proporcionalna otporu odjeljka.

Joule-Lenzov zakon. Električna struja u bilo kojem dijelu kruga obavlja određeni rad. Na primjer, uzmimo neki dio kruga, između čijih krajeva postoji napon (U). Prema definiciji električnog napona, rad obavljen pri pomicanju jedinice naboja između dvije točke jednak je U. Ako je jakost struje u danom dijelu strujnog kruga i, tada će naboj proći u vremenu t, i stoga rad električne struje u ovom dijelu bit će:

Ovaj izraz vrijedi za istosmjernu struju u svakom slučaju, za bilo koji dio strujnog kruga, koji može sadržavati vodiče, elektromotore itd. Trenutna snaga, tj. rad u jedinici vremena, jednak je:

Ova se formula koristi u SI sustavu za određivanje jedinice napona.

Pretpostavimo da je dio kruga nepomični vodič. U tom će se slučaju sav rad pretvoriti u toplinu, koja će se osloboditi u ovom vodiču. Ako je vodič homogen i poštuje Ohmov zakon (ovo uključuje sve metale i elektrolite), tada:

gdje je r otpor vodiča. U ovom slučaju:

Taj je zakon prvi empirijski izveo E. Lenz i, neovisno o njemu, Joule.

Treba napomenuti da zagrijavanje vodiča nalazi brojne primjene u tehnici. Najčešće i najvažnije među njima su žarulje sa žarnom niti.

Zakon elektromagnetske indukcije. U prvoj polovici 19. stoljeća engleski fizičar M. Faraday otkrio je pojavu magnetske indukcije. Ova činjenica, koja je postala vlasništvo mnogih istraživača, dala je snažan poticaj razvoju elektrotehnike i radiotehnike.

Tijekom pokusa Faraday je otkrio da kad se promijeni broj linija magnetske indukcije koje prodiru kroz površinu omeđenu zatvorenom petljom, u njoj nastaje električna struja. To je osnova možda i najvažnijeg zakona fizike – zakona elektromagnetske indukcije. Struja koja se javlja u krugu naziva se induktivna. Zbog činjenice da se električna struja javlja u krugu samo u slučaju vanjskih sila koje djeluju na slobodne naboje, tada se s promjenjivim magnetskim tokom koji prolazi preko površine zatvorenog kruga u njemu pojavljuju te iste vanjske sile. Djelovanje vanjskih sila u fizici se naziva elektromotorna sila ili indukcijski EMF.

Elektromagnetska indukcija se također pojavljuje u otvorenim vodičima. U slučaju kada vodič siječe silnice magnetskog polja, na njegovim se krajevima javlja napon. Razlog za pojavu takvog napona je indukcijski EMF. Ako se magnetski tok koji prolazi kroz zatvoreni krug ne mijenja, induktivna struja se ne pojavljuje.

Koristeći koncept "EMF indukcije", može se govoriti o zakonu elektromagnetske indukcije, tj. EMF indukcije u zatvorenoj petlji jednak je u apsolutnoj vrijednosti brzini promjene magnetskog toka kroz površinu ograničenu petlja.

Lenzovo pravilo. Kao što već znamo, u vodiču se javlja induktivna struja. Ovisno o uvjetima njegovog izgleda, ima drugačiji smjer. Tom je prilikom ruski fizičar Lenz formulirao sljedeće pravilo: indukcijska struja koja se javlja u zatvorenom krugu uvijek ima takav smjer da magnetsko polje koje stvara ne dopušta promjenu magnetskog toka. Sve to uzrokuje pojavu indukcijske struje.

Indukcijska struja, kao i svaka druga, ima energiju. To znači da se u slučaju indukcijske struje javlja električna energija. Prema zakonu održanja i transformacije energije, navedena energija može nastati samo zbog količine energije neke druge vrste energije. Dakle, Lenzovo pravilo u potpunosti odgovara zakonu održanja i transformacije energije.

Osim indukcije, u zavojnici se može pojaviti i tzv. Njegova suština je sljedeća. Ako se u zavojnici pojavi struja ili se njezina jakost promijeni, tada se pojavljuje promjenjivo magnetsko polje. A ako se mijenja magnetski tok koji prolazi kroz zavojnicu, u njemu se javlja elektromotorna sila, koja se naziva EMF samoindukcije.

Prema Lenzovom pravilu, EMF samoindukcije kada je krug zatvoren ometa jakost struje i ne dopušta joj da se poveća. Kada je EMF krug isključen, samoindukcija smanjuje jakost struje. U slučaju kada jakost struje u zavojnici dosegne određenu vrijednost, magnetsko polje se prestaje mijenjati i EMF samoindukcije postaje nula.

Električna struja je uredno kretanje nabijenih čestica.

2. U kojim uvjetima nastaje električna struja?

Električna struja nastaje ako postoje slobodni naboji, kao i kao rezultat djelovanja vanjskog električnog polja. Da bi se dobilo električno polje, dovoljno je stvoriti razliku potencijala između neke dvije točke vodiča.

3. Zašto je gibanje nabijenih čestica u vodiču u odsutnosti vanjskog električnog polja kaotično?

Ako nema vanjskog električnog polja, tada nema dodatne komponente brzine usmjerene duž jakosti električnog polja, što znači da su svi smjerovi gibanja čestica jednaki.

4. Koja je razlika između gibanja nabijenih čestica u vodiču u odsutnosti i u prisutnosti vanjskog električnog polja?

U odsutnosti električnog polja kretanje nabijenih čestica je kaotično, a u njegovoj prisutnosti kretanje čestica rezultat je kaotičnog i translatornog gibanja.

5. Kako se odabire smjer električne struje? U kojem smjeru se gibaju elektroni u metalnom vodiču kroz koji teče električna struja?

Za smjer električne struje uzima se smjer gibanja pozitivno nabijenih čestica. U metalnom vodiču elektroni se kreću u smjeru suprotnom od smjera struje.

Prije svega, vrijedi saznati što čini električnu struju. Električna struja je uređeno kretanje nabijenih čestica u vodiču. Da bi on nastao potrebno je prvo stvoriti električno polje pod čijim će se utjecajem spomenute nabijene čestice početi gibati.

Prve informacije o elektricitetu, koje su se pojavile prije mnogo stoljeća, odnosile su se na električne "naboje" dobivene trenjem. Već unutra drevna vremena ljudi su znali da jantar, nošen na vuni, stječe sposobnost privlačenja lakih predmeta. No tek krajem 16. stoljeća engleski liječnik Gilbert detaljno je proučio ovaj fenomen i otkrio da mnoge druge tvari imaju potpuno ista svojstva. Tijela sposobna, poput jantara, nakon trljanja privući lagane predmete, nazvao je naelektriziranima. Ova riječ je izvedena iz grčkog elektrona - "jantar". Trenutno kažemo da postoje električni naboji na tijelima u ovom stanju, a sama tijela se nazivaju "nabijena".

Električni naboji uvijek nastaju kada su različite tvari u bliskom kontaktu. Ako su tijela čvrsta, tada je njihov bliski kontakt onemogućen mikroskopskim izbočinama i nepravilnostima koje postoje na njihovoj površini. Stiskanjem i trljanjem takvih tijela zbližavamo njihove površine koje bi se bez pritiska dodirivale samo na nekoliko točaka. Kod nekih se tijela električni naboji mogu slobodno kretati između različitih dijelova, dok kod drugih to nije moguće. U prvom slučaju, tijela se nazivaju "vodiči", au drugom - "dielektrici ili izolatori". Vodiči su svi metali, vodene otopine soli i kiselina itd. Primjeri izolatora su jantar, kvarc, ebonit i svi plinovi koji su u normalnim uvjetima.

Ipak, treba napomenuti da je podjela tijela na vodiče i dielektrike vrlo proizvoljna. Sve tvari u većoj ili manjoj mjeri provode struju. Električni naboji su pozitivni ili negativni. Ovakva struja neće dugo trajati, jer će naelektrizirano tijelo ostati bez naboja. Za kontinuirano postojanje električne struje u vodiču potrebno je održavati električno polje. U tu svrhu koriste se izvori električne struje. Najjednostavniji slučaj nastanka električne struje je kada je jedan kraj žice spojen na naelektrisano tijelo, a drugi na masu.

Električni krugovi koji opskrbljuju strujom žarulje i elektromotore pojavili su se tek nakon izuma baterija, koji datira iz otprilike 1800. godine. Nakon toga, razvoj doktrine o elektricitetu je išao tako brzo da je za manje od jednog stoljeća postao ne samo dio fizike, već je činio osnovu nove električne civilizacije.

Glavne veličine električne struje

Količina elektriciteta i jakost struje. Djelovanje električne struje može biti jako ili slabo. Jakost električne struje ovisi o količini naboja koja protječe strujnim krugom u određenoj jedinici vremena. Što se više elektrona pomakne s jednog pola izvora na drugi, to je veći ukupni naboj koji nose elektroni. Ovaj ukupni naboj naziva se količina elektriciteta koja prolazi kroz vodič.

Konkretno, kemijski učinak električne struje ovisi o količini elektriciteta, tj. što je više naboja prošlo kroz otopinu elektrolita, to će se više tvari taložiti na katodi i anodi. S tim u vezi, količina elektriciteta može se izračunati vaganjem mase tvari nataložene na elektrodi i poznavanjem mase i naboja jednog iona te tvari.

Jakost struje je veličina koja je jednaka omjeru električnog naboja koji je prošao kroz poprečni presjek vodiča i vremena njegovog protoka. Jedinica za naboj je kulon (C), vrijeme se mjeri u sekundama (s). U ovom slučaju jedinica jakosti struje izražava se u C/s. Ova jedinica se naziva amper (A). Za mjerenje jakosti struje u strujnom krugu koristi se električni mjerni uređaj koji se naziva ampermetar. Za uključivanje u krug, ampermetar je opremljen s dva terminala. U krug je uključen u seriju.

električni napon. Već znamo da je električna struja uređeno kretanje nabijenih čestica – elektrona. Ovo kretanje nastaje uz pomoć električnog polja koje obavlja određeni rad. Ova pojava se naziva rad električne struje. Kako bi kroz električni krug u 1 sekundi prenijelo više naboja, električno polje mora izvršiti veći rad. Na temelju toga proizlazi da bi rad električne struje trebao ovisiti o jakosti struje. Ali postoji još jedna vrijednost o kojoj ovisi rad struje. Ova vrijednost se naziva napon.

Napon je omjer rada struje u određenom dijelu električnog kruga i naboja koji teče kroz isti dio kruga. Trenutni rad se mjeri u džulima (J), naboj se mjeri u privjescima (C). S tim u vezi, mjerna jedinica napona bit će 1 J/C. Ova jedinica se naziva volt (V).

Da bi se u električnom krugu pojavio napon, potreban je izvor struje. U otvorenom krugu napon je prisutan samo na stezaljkama izvora struje. Ako je ovaj izvor struje uključen u krug, napon će se također pojaviti u određenim dijelovima kruga. U tom smislu, također će biti struje u krugu. Odnosno, ukratko možemo reći sljedeće: ako u krugu nema napona, nema ni struje. Za mjerenje napona koristi se električni mjerni uređaj koji se zove voltmetar. Izgledom podsjeća na prije spomenuti ampermetar, s tom razlikom što se na skali voltmetra nalazi slovo V (umjesto A na ampermetru). Voltmetar ima dvije stezaljke, uz pomoć kojih se spaja paralelno na električni krug.

Električni otpor. Nakon spajanja svih vrsta vodiča i ampermetra u električni krug, možete primijetiti da kada koristite različite vodiče, ampermetar daje različita očitanja, odnosno u ovom slučaju je struja dostupna u električnom krugu različita. Ovaj fenomen se može objasniti činjenicom da različiti vodiči imaju različit električni otpor, što je fizikalna veličina. U čast njemačkog fizičara nazvana je Ohm. U fizici se u pravilu koriste veće jedinice: kiloohm, megaohm itd. Otpor vodiča obično se označava slovom R, duljina vodiča je L, površina presjeka je S. U tom slučaju otpor se može napisano kao formula:

R = R * L/S

gdje se koeficijent p naziva otpornost. Ovaj koeficijent izražava otpor vodiča duljine 1 m s površinom poprečnog presjeka jednakom 1 m2. Otpornost se izražava u Ohm x m. Budući da žice, u pravilu, imaju prilično mali presjek, njihova se površina obično izražava u kvadratnim milimetrima. U tom će slučaju jedinica otpora biti Ohm x mm2/m. U tablici ispod. 1 prikazuje otpornost nekih materijala.

Tablica 1. Električni otpor nekih materijala

Materijal p, Ohm x m2/m Materijal p, Ohm x m2/m
Bakar 0,017 Legura platine iridija 0,25
Zlato 0,024 Grafit 13
Mjed 0,071 Ugljen 40
Kositar 0,12 Porculan 1019
voditi 0,21 Ebonit 1020
Metal ili legura
Srebro 0,016 Manganin (legura) 0,43
Aluminij 0,028 Konstantan (legura) 0,50
Volfram 0,055 Merkur 0,96
Željezo 0,1 Nikrom (legura) 1,1
Nikal (legura) 0,40 Fehral (legura) 1,3
krom (legura) 1,5

Prema tablici. 1, postaje jasno da bakar ima najmanji električni otpor, a legura metala ima najveći. Osim toga, dielektrici (izolatori) imaju visoku otpornost.

Električni kapacitet. Već znamo da dva vodiča izolirana jedan od drugog mogu akumulirati električne naboje. Ovu pojavu karakterizira fizička veličina, koja se naziva električni kapacitet. Električni kapacitet dva vodiča nije ništa drugo nego omjer naboja jednog od njih i potencijalne razlike između ovog vodiča i susjednog. Što je niži napon kada vodiči primaju naboj, to je veći njihov kapacitet. Farad (F) se uzima kao jedinica za električni kapacitet. U praksi se koriste razlomci ove jedinice: mikrofarad (µF) i pikofarad (pF).

Ako uzmete dva vodiča izolirana jedan od drugog, postavite ih na malu udaljenost jedan od drugog, dobit ćete kondenzator. Kapacitet kondenzatora ovisi o debljini njegovih ploča te o debljini dielektrika i njegovoj propusnosti. Smanjenjem debljine dielektrika između ploča kondenzatora, moguće je znatno povećati kapacitet potonjeg. Na svim kondenzatorima, osim njihovog kapaciteta, mora biti naznačen napon za koji su ti uređaji predviđeni.

Rad i snaga električne struje. Iz prethodnog je jasno da električna struja obavlja određeni rad. Kada se spoje elektromotori, električna struja pokreće sve vrste opreme, pokreće vlakove po tračnicama, osvjetljava ulice, grije dom, a proizvodi i kemijski učinak, odnosno omogućuje elektrolizu itd. Možemo reći da rad struje u određenom dijelu strujnog kruga jednak je umnošku struje, napona i vremena u kojem je rad obavljen. Rad se mjeri u džulima, napon u voltima, struja u amperima, a vrijeme u sekundama. S tim u vezi, 1 J = 1V x 1A x 1s. Iz ovoga proizlazi da za mjerenje rada električne struje treba koristiti tri uređaja odjednom: ampermetar, voltmetar i sat. Ali ovo je glomazno i ​​neučinkovito. Stoga se obično rad električne struje mjeri električnim brojilima. Uređaj ovog uređaja sadrži sve gore navedene uređaje.

Snaga električne struje jednaka je omjeru rada struje i vremena u kojem je izvršen. Snaga se označava slovom "P" i izražava se u vatima (W). U praksi se koriste kilovati, megavati, hektovi itd. Za mjerenje snage strujnog kruga potrebno je uzeti vatmetar. Električni rad izražava se u kilovat-satima (kWh).

Osnovni zakoni električne struje

Ohmov zakon. Napon i struja smatraju se najprikladnijim karakteristikama električnih krugova. Jedna od glavnih značajki korištenja električne energije je brz transport energije s jednog mjesta na drugo i prijenos do potrošača u željenom obliku. Umnožak razlike potencijala i jakosti struje daje snagu, tj. količinu energije koja se preda u strujnom krugu u jedinici vremena. Kao što je gore spomenuto, za mjerenje snage u električnom krugu bila bi potrebna 3 uređaja. Je li moguće napraviti s jednim i izračunati snagu iz njegovih očitanja i neke karakteristike kruga, kao što je njegov otpor? Mnogima se ova ideja svidjela, smatrali su je plodnom.

Dakle, koliki je otpor žice ili kruga u cjelini? Ima li žica, poput vodovodnih cijevi ili cijevi u vakuumskom sustavu, konstantno svojstvo koje bi se moglo nazvati otporom? Na primjer, u cijevima, omjer razlike tlaka koji stvara protok podijeljen s brzinom protoka obično je konstantna karakteristika cijevi. Na isti način, protok topline u žici podložan je jednostavnom odnosu, koji uključuje temperaturnu razliku, površinu poprečnog presjeka žice i njezinu duljinu. Otkriće takvog odnosa za električne krugove bilo je rezultat uspješne potrage.

Dvadesetih godina 19. stoljeća njemački učitelj Georg Ohm prvi je počeo tražiti navedeni omjer. Prije svega, težio je slavi i slavi, koja bi mu omogućila da predaje na sveučilištu. To je bio jedini razlog zašto je odabrao smjer studija koji je nudio posebne prednosti.

Om je bio sin bravara, pa je znao izvući metalnu žicu različitih debljina, koja mu je trebala za pokuse. Budući da je u to vrijeme bilo nemoguće kupiti odgovarajuću žicu, Om ju je napravio vlastitim rukama. Tijekom pokusa isprobavao je različite duljine, različite debljine, različite metale, pa čak i različite temperature. Sve te faktore on je redom mijenjao. U Ohmovo vrijeme, baterije su još uvijek bile slabe, dajući struju promjenjive veličine. U tom smislu, istraživač je koristio termoelement kao generator, čiji je vrući spoj stavljen u plamen. Uz to, koristio je grubi magnetski ampermetar i mjerio potencijalne razlike (Ohm ih je nazvao "naponi") mijenjajući temperaturu ili broj toplinskih spojeva.

Doktrina električnih krugova tek je dobila svoj razvoj. Nakon izuma baterija oko 1800. godine, počeo se puno brže razvijati. Dizajnirali su se i izrađivali razni uređaji (nerijetko i ručno), otkrivali su se novi zakoni, pojavljivali pojmovi i termini itd. Sve je to dovelo do dubljeg razumijevanja električnih pojava i čimbenika.

Osavremenjavanje znanja o elektricitetu, s jedne strane, uzrokovalo je nastanak novog područja fizike, as druge strane, bilo je temelj za nagli razvoj elektrotehnike, odnosno baterija, generatora, sustava za napajanje rasvjete i električnih pogona. , električne peći, električni motori itd. su izumljeni , ostalo.

Ohmova otkrića bila su od velike važnosti kako za razvoj teorije elektriciteta tako i za razvoj primijenjene elektrotehnike. Olakšali su predviđanje svojstava električnih krugova za istosmjernu, a kasnije i za izmjeničnu struju. Godine 1826. Ohm je objavio knjigu u kojoj je iznio teorijske zaključke i eksperimentalne rezultate. Ali njegove nade nisu bile opravdane, knjiga je dočekana s podsmijehom. To se dogodilo jer se metoda grubog eksperimentiranja činila malo privlačnom u doba kada su mnogi ljudi voljeli filozofiju.

Omu nije imao izbora nego napustiti mjesto učitelja. Iz istog razloga nije dobio imenovanje na sveučilištu. Znanstvenik je 6 godina živio u siromaštvu, bez povjerenja u budućnost, doživljavajući osjećaj gorkog razočaranja.

Ali postupno su njegova djela stekla slavu prvo izvan Njemačke. Om je bio cijenjen u inozemstvu, njegova su istraživanja korištena. S tim u vezi, sunarodnjaci su ga bili prisiljeni prepoznati u svojoj domovini. Godine 1849. dobio je mjesto profesora na Sveučilištu u Münchenu.

Ohm je otkrio jednostavan zakon koji uspostavlja odnos između struje i napona za komad žice (za dio kruga, za cijeli krug). Osim toga, napravio je pravila koja vam omogućuju da odredite što će se promijeniti ako uzmete žicu druge veličine. Ohmov zakon formuliran je na sljedeći način: jakost struje u dijelu strujnog kruga izravno je proporcionalna naponu u tom dijelu i obrnuto proporcionalna otporu odjeljka.

Joule-Lenzov zakon. Električna struja u bilo kojem dijelu kruga obavlja određeni rad. Na primjer, uzmimo neki dio kruga, između čijih krajeva postoji napon (U). Prema definiciji električnog napona, rad obavljen pri pomicanju jedinice naboja između dvije točke jednak je U. Ako je jakost struje u danom dijelu strujnog kruga i, tada će naboj proći u vremenu t, i stoga rad električne struje u ovom dijelu bit će:

A = Uit

Ovaj izraz vrijedi za istosmjernu struju u svakom slučaju, za bilo koji dio strujnog kruga, koji može sadržavati vodiče, elektromotore itd. Trenutna snaga, tj. rad u jedinici vremena, jednak je:

P \u003d A / t \u003d Ui

Ova se formula koristi u SI sustavu za određivanje jedinice napona.

Pretpostavimo da je dio kruga nepomični vodič. U tom će se slučaju sav rad pretvoriti u toplinu, koja će se osloboditi u ovom vodiču. Ako je vodič homogen i poštuje Ohmov zakon (ovo uključuje sve metale i elektrolite), tada:

U=ir

gdje je r otpor vodiča. U ovom slučaju:

A = rt2i

Taj je zakon prvi empirijski izveo E. Lenz i, neovisno o njemu, Joule.

Treba napomenuti da zagrijavanje vodiča nalazi brojne primjene u tehnici. Najčešće i najvažnije među njima su žarulje sa žarnom niti.

Zakon elektromagnetske indukcije. U prvoj polovici 19. stoljeća engleski fizičar M. Faraday otkrio je pojavu magnetske indukcije. Ova činjenica, koja je postala vlasništvo mnogih istraživača, dala je snažan poticaj razvoju elektrotehnike i radiotehnike.

Tijekom pokusa Faraday je otkrio da kad se promijeni broj linija magnetske indukcije koje prodiru kroz površinu omeđenu zatvorenom petljom, u njoj nastaje električna struja. To je osnova možda i najvažnijeg zakona fizike – zakona elektromagnetske indukcije. Struja koja se javlja u krugu naziva se induktivna. Zbog činjenice da se električna struja javlja u krugu samo u slučaju vanjskih sila koje djeluju na slobodne naboje, tada se s promjenjivim magnetskim tokom koji prolazi preko površine zatvorenog kruga u njemu pojavljuju te iste vanjske sile. Djelovanje vanjskih sila u fizici se naziva elektromotorna sila ili indukcijski EMF.

Elektromagnetska indukcija se također pojavljuje u otvorenim vodičima. U slučaju kada vodič siječe silnice magnetskog polja, na njegovim se krajevima javlja napon. Razlog za pojavu takvog napona je indukcijski EMF. Ako se magnetski tok koji prolazi kroz zatvoreni krug ne mijenja, induktivna struja se ne pojavljuje.

Koristeći koncept "EMF indukcije", može se govoriti o zakonu elektromagnetske indukcije, tj. EMF indukcije u zatvorenoj petlji jednak je u apsolutnoj vrijednosti brzini promjene magnetskog toka kroz površinu ograničenu petlja.

Lenzovo pravilo. Kao što već znamo, u vodiču se javlja induktivna struja. Ovisno o uvjetima njegovog izgleda, ima drugačiji smjer. Tim povodom formulirao je ruski fizičar Lenz sljedeće pravilo: indukcijska struja koja se javlja u zatvorenom krugu uvijek ima takav smjer da magnetsko polje koje stvara ne dopušta promjenu magnetskog toka. Sve to uzrokuje pojavu indukcijske struje.

Indukcijska struja, kao i svaka druga, ima energiju. To znači da se u slučaju indukcijske struje javlja električna energija. Prema zakonu održanja i transformacije energije, navedena energija može nastati samo zbog količine energije neke druge vrste energije. Dakle, Lenzovo pravilo u potpunosti odgovara zakonu održanja i transformacije energije.

Osim indukcije, u zavojnici se može pojaviti i tzv. Njegova suština je sljedeća. Ako se u zavojnici pojavi struja ili se njezina jakost promijeni, tada se pojavljuje promjenjivo magnetsko polje. A ako se mijenja magnetski tok koji prolazi kroz zavojnicu, u njemu se javlja elektromotorna sila, koja se naziva EMF samoindukcije.

Prema Lenzovom pravilu, EMF samoindukcije kada je krug zatvoren ometa jakost struje i ne dopušta joj da se poveća. Kada je EMF krug isključen, samoindukcija smanjuje jakost struje. U slučaju kada jakost struje u zavojnici dosegne određenu vrijednost, magnetsko polje se prestaje mijenjati i EMF samoindukcije postaje nula.


U vodičima se pod određenim uvjetima može dogoditi kontinuirano uređeno kretanje slobodnih nositelja električnog naboja. Takvo kretanje se zove elektro šok. Za smjer električne struje uzima se smjer kretanja pozitivnih slobodnih naboja, iako se u većini slučajeva kreću elektroni – negativno nabijene čestice.

Kvantitativna mjera električne struje je jakost struje ja je skalarna fizikalna veličina, jednaka omjeru naplatiti q, prenesen kroz poprečni presjek vodiča za određeni vremenski interval t, na ovaj vremenski interval:

Ako struja nije konstantna, tada se za pronalaženje količine naboja koja prolazi kroz vodič izračunava površina figure ispod grafikona ovisnosti jačine struje o vremenu.

Ako se jakost struje i njezin smjer ne mijenjaju s vremenom, tada se takva struja naziva trajnog. Jakost struje mjeri se ampermetrom koji je serijski spojen na strujni krug. U međunarodni sustav SI jedinica jakost struje mjeri se u amperima [A]. 1 A = 1 C/s.

Nalazi se kao omjer ukupnog naboja i ukupnog vremena (tj., prema istom principu kao Prosječna brzina ili bilo koji drugi Prosječna vrijednost u fizici):

Ako se struja jednoliko mijenja u vremenu od vrijednosti ja 1 za vrijednost ja 2, tada se vrijednost prosječne struje može pronaći kao aritmetička sredina ekstremnih vrijednosti:

gustoća struje- jakost struje po jedinici poprečnog presjeka vodiča izračunava se po formuli:

Kada struja teče kroz vodič, struja doživljava otpor vodiča. Razlog otpora je međudjelovanje naboja s atomima tvari vodiča i međusobno. Jedinica otpora je 1 ohm. Otpor vodiča R određuje se formulom:

Gdje: l- duljina vodiča, S je površina njegovog presjeka, ρ - otpornost materijala vodiča (pazite da posljednju vrijednost ne pomiješate s gustoćom tvari), koja karakterizira sposobnost materijala vodiča da se odupre prolazu struje. Odnosno, ovo je ista karakteristika tvari, kao i mnoge druge: određena toplina, gustoća, talište itd. Mjerna jedinica otpora je 1 Ohm m. Specifična otpornost tvari je tablična vrijednost.

Otpor vodiča također ovisi o njegovoj temperaturi:

Gdje: R 0 – otpor vodiča na 0°S, t je temperatura izražena u stupnjevima Celzija, α je temperaturni koeficijent otpora. On je jednak relativna promjena otpornost, s povećanjem temperature za 1 ° C. Za metale je uvijek veći od nule, za elektrolite, naprotiv, uvijek je manji od nule.

Dioda u istosmjernom krugu

Dioda- Ovo je nelinearni element kruga, čiji otpor ovisi o smjeru protoka struje. Dioda je označena na sljedeći način:

Strelica u shematskom simbolu diode pokazuje u kojem smjeru prolazi struja. U ovom slučaju, njegov otpor je nula, a dioda se može jednostavno zamijeniti vodičem s nultim otporom. Ako struja teče kroz diodu u suprotnom smjeru, tada dioda ima beskonačno veliki otpor, odnosno uopće ne propušta struju i predstavlja prekid u strujnom krugu. Tada se dio strujnog kruga s diodom može jednostavno prekrižiti, jer kroz njega ne teče struja.

Ohmov zakon. Serijski i paralelni spoj vodiča

Njemački fizičar G. Ohm 1826. eksperimentalno je utvrdio da jakost struje ja, koja teče kroz homogeni metalni vodič (tj. vodič u kojem ne djeluju vanjske sile) s otporom R, proporcionalan naponu U na krajevima provodnika:

vrijednost R nazvao električni otpor. Vodič s električnim otporom naziva se otpornik. Ovaj omjer izražava Ohmov zakon za homogeni dio kruga: Jakost struje u vodiču izravno je proporcionalna primijenjenom naponu i obrnuto proporcionalna otporu vodiča.

Vodiči koji poštuju Ohmov zakon nazivaju se linearni. Grafička ovisnost jakosti struje ja od napona U(takvi se grafikoni nazivaju strujno-naponskim karakteristikama, skraćeno VAC) prikazana je ravnom linijom koja prolazi kroz ishodište. Treba napomenuti da postoje mnogi materijali i uređaji koji ne poštuju Ohmov zakon, poput poluvodičke diode ili svjetiljke s izbojem u plinu. Čak i za metalne vodiče pri dovoljno velikim strujama, opaža se odstupanje od Ohmovog linearnog zakona, budući da se električni otpor metalnih vodiča povećava s povećanjem temperature.

Vodiči u električnim krugovima mogu se spojiti na dva načina: serijski i paralelno. Svaka metoda ima svoje obrasce.

1. Obrasci serijske veze:

Formula za ukupni otpor serijski spojenih otpornika vrijedi za bilo koji broj vodiča. Ako je krug spojen u seriju n isti otpor R, To ukupni otpor R 0 se nalazi po formuli:

2. Obrasci paralelne veze:

Formula za ukupni otpor paralelno spojenih otpornika vrijedi za bilo koji broj vodiča. Ako je krug spojen paralelno n isti otpor R, zatim ukupni otpor R 0 se nalazi po formuli:

Električni mjerni instrumenti

Za mjerenje napona i struja u istosmjernim električnim krugovima koriste se posebni uređaji - voltmetri I ampermetri.

Voltmetar dizajniran za mjerenje potencijalne razlike primijenjene na njegove priključke. Spojen je paralelno s dijelom kruga na kojem se mjeri razlika potencijala. Svaki voltmetar ima neki unutarnji otpor. R b. Kako voltmetar ne bi unio zamjetnu preraspodjelu struja kada je priključen na mjereni krug, njegov unutarnji otpor mora biti velik u usporedbi s otporom dijela kruga na koji je spojen.

Ampermetar dizajniran za mjerenje struje u krugu. Ampermetar se serijski spaja na prekid u električnom krugu tako da kroz njega prolazi cjelokupna izmjerena struja. Ampermetar također ima neki unutarnji otpor. R A. Za razliku od voltmetra, unutarnji otpor ampermetra mora biti dovoljno mali u usporedbi s ukupnim otporom cijelog kruga.

EMF. Ohmov zakon za kompletan krug

Za postojanje istosmjerne struje potrebno je u zatvorenom električnom krugu imati uređaj koji može stvarati i održavati razlike potencijala u dijelovima strujnog kruga djelovanjem sila neelektrostatskog podrijetla. Takvi uređaji se nazivaju istosmjerni izvori struje. Nazivaju se sile neelektrostatskog podrijetla koje djeluju na slobodne nositelje naboja iz izvora struje vanjske sile.

Priroda vanjskih sila može biti različita. U galvanskim ćelijama ili baterijama nastaju kao rezultat elektrokemijskih procesa, u istosmjernim generatorima vanjske sile nastaju kada se vodiči kreću u magnetskom polju. Pod djelovanjem vanjskih sila električni se naboji kreću unutar izvora struje protivno silama elektrostatskog polja, zbog čega se u zatvorenom strujnom krugu može održavati stalna električna struja.

Kada se električni naboji kreću duž istosmjernog kruga, vanjske sile koje djeluju unutar izvora struje djeluju. Fizička količina, jednako omjeru rada A st. vanjske sile pri kretanju naboja q od negativnog pola izvora struje prema pozitivnom na vrijednost ovog naboja, naziva se izvor elektromotorne sile (EMF):

Dakle, EMF je određen radom vanjskih sila pri pomicanju jednog pozitivnog naboja. Elektromotorna sila, kao i razlika potencijala, mjeri se u voltima (V).

Ohmov zakon za potpuni (zatvoreni) krug: jakost struje u zatvorenom krugu jednaka je elektromotornoj sili izvora podijeljenoj s ukupnim (unutarnjim + vanjskim) otporom kruga:

Otpornost r– unutarnji (intrinzični) otpor izvora struje (ovisi o unutarnja struktura izvor). Otpornost R– otpor opterećenja (vanjski otpor strujnog kruga).

Pad napona u vanjskom krugu dok je jednak (također se naziva napon na stezaljkama izvora):

Važno je razumjeti i zapamtiti: EMF i unutarnji otpor izvora struje ne mijenjaju se kada su različita opterećenja povezana.

Ako je otpor opterećenja jednak nuli (izvor se sam zatvara) ili mnogo manji od otpora izvora, tada će krug teći struja kratkog spoja:

Struja kratkog spoja – najveća struja koja se može dobiti iz dati izvor s elektromotornom silom ε i unutarnji otpor r. Za izvore s malim unutarnjim otporom, struja kratkog spoja može biti vrlo velika i uzrokovati uništenje električnog kruga ili izvora. Na primjer, olovne baterije koje se koriste u automobilima mogu imati struju kratkog spoja od nekoliko stotina ampera. Osobito su opasni kratki spojevi u rasvjetnim mrežama koje napajaju trafostanice (tisuće ampera). Kako bi se izbjegao razorni učinak tako velikih struja, osigurači ili specijalni strojevi mrežna zaštita.

Više izvora EMF u krugu

Ako sklop sadrži nekoliko ems spojenih u seriju, to:

1. S pravilnim (pozitivni pol jednog izvora spojen je s negativnim drugog) spojem izvora, ukupni EMF svih izvora i njihov unutarnji otpor mogu se pronaći po formulama:

Na primjer, takvo povezivanje izvora provodi se u daljinskim upravljačima, kamerama i dr Kućanski aparati radi na više baterija.

2. Ako su izvori neispravno spojeni (izvori su spojeni istim polovima), njihov ukupni EMF i otpor izračunavaju se po formulama:

U oba slučaja povećava se ukupni otpor izvora.

Na paralelna veza ima smisla povezivati ​​izvore samo s istim EMF-om, inače će se izvori ispuštati jedan u drugi. Dakle, ukupni EMF će biti isti kao EMF svakog izvora, to jest, uz paralelnu vezu, nećemo dobiti bateriju s velikim EMF-om. Istodobno se smanjuje unutarnji otpor baterije izvora, što omogućuje dobivanje velika snaga struja i snaga u krugu:

To je smisao paralelne veze izvora. U svakom slučaju, kod rješavanja zadataka prvo treba pronaći ukupni EMF i ukupni unutarnji otpor rezultirajućeg izvora, a zatim napisati Ohmov zakon za cijeli krug.

Rad i strujna snaga. Joule-Lenzov zakon

Posao A električna struja ja koja teče kroz nepomični vodič s otporom R, pretvoreno u toplinu Q, koji se ističe na dirigentu. Ovaj se rad može izračunati pomoću jedne od formula (uzimajući u obzir Ohmov zakon, svi slijede jedan iz drugog):

Zakon pretvorbe strujnog rada u toplinu pokusno su neovisno ustanovili J. Joule i E. Lenz i naziva se Joule–Lenzov zakon. Snaga električne struje jednaka omjeru rada struje A na vremenski interval Δ t, za koju je rađen ovaj rad, pa se može izračunati pomoću sljedećih formula:

Rad električne struje u SI, kao i obično, izražava se u džulima (J), snaga - u vatima (W).

Energetska bilanca zatvorenog kruga

Razmotrimo sada kompletan istosmjerni krug koji se sastoji od izvora s elektromotornom silom ε i unutarnji otpor r a vanjsko homogeno područje s otporom R. U ovom slučaju, korisna snaga ili snaga oslobođena u vanjskom krugu je:

Najveća moguća korisna snaga izvora postiže se ako R = r i jednako je:

Ako, kada je spojen na isti izvor struje različitih otpora R 1 i R Dodijeljene su im 2 jednake snage, tada se unutarnji otpor ovog izvora struje može pronaći formulom:

Gubitak snage ili snaga unutar izvora struje:

Ukupna snaga koju razvija trenutni izvor:

Učinkovitost trenutnog izvora:

Elektroliza

elektroliti Uobičajeno je nazivati ​​vodljive medije u kojima je protok električne struje popraćen prijenosom tvari. Nositelji slobodnih naboja u elektrolitima su pozitivno i negativno nabijeni ioni. U elektrolite spadaju mnogi spojevi metala s metaloidima u rastaljenom stanju, kao i neki čvrste tvari. Međutim, glavni predstavnici elektrolita koji se široko koriste u tehnici su vodene otopine anorganske kiseline, soli i baze.

Prolazak električne struje kroz elektrolit popraćen je oslobađanjem tvari na elektrodama. Ova pojava je nazvana elektroliza.

Električna struja u elektrolitima je kretanje iona oba predznaka u suprotnim smjerovima. Pozitivni ioni kreću se prema negativnoj elektrodi ( katoda), negativni ioni - na pozitivnu elektrodu ( anoda). Ioni oba znaka pojavljuju se u vodene otopine soli, kiseline i lužine kao rezultat cijepanja nekih neutralnih molekula. Ova pojava se zove elektrolitička disocijacija.

zakon elektrolize eksperimentalno je utvrdio engleski fizičar M. Faraday 1833. godine. Faradayev zakon određuje količinu primarnih proizvoda koji se oslobađaju na elektrodama tijekom elektrolize. Dakle, masa m tvar koja se oslobađa na elektrodi izravno je proporcionalna naboju Q prolazi kroz elektrolit:

vrijednost k nazvao elektrokemijski ekvivalent. Može se izračunati pomoću formule:

Gdje: n je valencija tvari, N A je Avogadrova konstanta, Mmolekulska masa tvari e je elementarni naboj. Ponekad se uvodi i sljedeća oznaka za Faradayevu konstantu:

Električna struja u plinovima i vakuumu

Električna struja u plinovima

U normalnim uvjetima plinovi ne provode struju. To je zbog električne neutralnosti molekula plina i, posljedično, nepostojanja nositelja električnog naboja. Da bi plin postao vodič, jedan ili više elektrona moraju biti odvojeni od molekula. Tada će postojati slobodni nositelji naboja - elektroni i pozitivni ioni. Ovaj proces se zove ionizacija plina.

Moguće je ionizirati molekule plina vanjskim utjecajem - ionizator. Ionizatori mogu biti: struja svjetlosti, X-zrake, struja elektrona ili α -čestice. Molekule plina također su ionizirane kada visoka temperatura. Ionizacija dovodi do pojave slobodnih nositelja naboja u plinovima - elektrona, pozitivnih iona, negativnih iona (elektron u kombinaciji s neutralnom molekulom).

Ako se u prostoru koji zauzima ionizirani plin stvori električno polje, tada će se nositelji električnih naboja početi kretati na uredan način - tako nastaje električna struja u plinovima. Ako ionizator prestane raditi, tada plin ponovno postaje neutralan, jer rekombinacija– stvaranje neutralnih atoma ionima i elektronima.

Električna struja u vakuumu

Vakuum je takav stupanj razrijeđenosti plina pri kojem se može zanemariti sudar između njegovih molekula i pretpostaviti da srednji slobodni put premašuje linearne dimenzije posude u kojoj se plin nalazi.

Električna struja u vakuumu naziva se vodljivost međuelektrodnog raspora u vakuumskom stanju. U ovom slučaju postoji toliko malo molekula plina da procesi njihove ionizacije ne mogu osigurati toliki broj elektrona i iona koji su potrebni za ionizaciju. Vodljivost međuelektrodnog razmaka u vakuumu može se osigurati samo uz pomoć nabijenih čestica koje su nastale uslijed pojava emisije na elektrodama.

  • leđa
  • Naprijed

Kako se uspješno pripremiti za CT iz fizike i matematike?

Za uspješnu pripremu za CT iz fizike i matematike, između ostalog, moraju biti zadovoljena tri ključna uvjeta:

  1. Proučite sve teme i ispunite sve testove i zadatke dane u materijalima za učenje na ovoj stranici. Da biste to učinili, ne trebate baš ništa, naime: posvetiti tri do četiri sata svaki dan pripremi za CT iz fizike i matematike, proučavanju teorije i rješavanju zadataka. Činjenica je da je CT ispit na kojem nije dovoljno samo znati fiziku ili matematiku, već treba znati brzo i bez grešaka riješiti veliki broj zadaci za različite teme i različite složenosti. Ovo posljednje se može naučiti samo rješavanjem tisuća problema.
  2. Naučite sve formule i zakone u fizici, te formule i metode u matematici. Zapravo, to je također vrlo jednostavno učiniti, postoji samo oko 200 potrebnih formula u fizici, a još nešto manje u matematici. Svaki od ovih predmeta ima oko desetak standardne metode rješavanje problema osnovne razine složenosti koje je također sasvim moguće naučiti, te ih tako potpuno automatski i bez poteškoća riješiti u pravom trenutku najviše CT. Nakon toga ćete morati razmišljati samo o najtežim zadacima.
  3. Prisustvujte svim trima fazama probnog testiranja iz fizike i matematike. Svaki RT može se posjetiti dva puta kako bi se riješile obje opcije. Opet, na CT-u, osim sposobnosti brzog i učinkovitog rješavanja zadataka, te poznavanja formula i metoda, potrebno je i znati pravilno planirati vrijeme, rasporediti snage i što je najvažnije ispravno ispuniti obrazac za odgovore , bez brkanja ni brojeva odgovora i zadataka, ni vlastitog imena. Također, tijekom RT-a važno je naviknuti se na stil postavljanja pitanja u zadacima, koji se nespremnoj osobi na DT-u može učiniti vrlo neobičnim.

Uspješno, marljivo i odgovorno provođenje ove tri točke omogućit će vam da pokažete odličan rezultat na CT-u, maksimum onoga za što ste sposobni.

Pronašli ste grešku?

Ako mislite da ste pronašli grešku u materijali za obuku, onda pišite, molim vas, o tome poštom. Također možete prijaviti grešku u društvena mreža(). U pismu navedite predmet (fizika ili matematika), naziv ili broj teme ili testa, broj zadatka ili mjesto u tekstu (stranici) na kojem je po vašem mišljenju greška. Također opišite što je navodna pogreška. Vaše pismo neće proći nezapaženo, pogreška će biti ispravljena ili će vam biti objašnjeno zašto nije pogreška.

Udio: