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Corrente e tensione. Tipi e regole. Lavoro e caratteristiche. Definizione di corrente elettrica

". Oggi voglio toccare un argomento come la corrente elettrica. Che cos'è? Proviamo a ricordare il curriculum scolastico.

La corrente elettrica è il movimento ordinato di particelle cariche in un conduttore.

Se ricordi, affinché le particelle cariche si muovano (si forma una corrente elettrica) devi creare un campo elettrico. Per creare un campo elettrico, puoi eseguire esperimenti elementari come strofinare un manico di plastica sulla lana e per qualche tempo attirerà oggetti leggeri. I corpi in grado di attrarre oggetti dopo lo sfregamento sono chiamati elettrizzati. Possiamo dire che il corpo in questo stato ha cariche elettriche e i corpi stessi sono chiamati carichi. Dal curriculum scolastico sappiamo che tutti i corpi sono costituiti da minuscole particelle (molecole). Una molecola è una particella di una sostanza che può essere separata da un corpo e avrà tutte le proprietà inerenti a questo corpo. Le molecole di corpi complessi sono formate da varie combinazioni di atomi di corpi semplici. Ad esempio, una molecola d'acqua è composta da due molecole semplici: un atomo di ossigeno e un atomo di idrogeno.

Atomi, neutroni, protoni ed elettroni: cosa sono?

A sua volta, un atomo è costituito da un nucleo e ruota attorno ad esso elettroni. Ogni elettrone in un atomo ha una piccola carica elettrica. Ad esempio, un atomo di idrogeno è costituito da un nucleo di un elettrone che ruota attorno ad esso. Il nucleo di un atomo è costituito, a sua volta, da protoni e neutroni. Il nucleo di un atomo, a sua volta, ha una carica elettrica. I protoni che compongono il nucleo hanno le stesse cariche elettriche ed elettroni. Ma i protoni, a differenza degli elettroni, sono inattivi, ma la loro massa è molte volte maggiore della massa di un elettrone. La particella neutrone, che fa parte dell'atomo, non ha carica elettrica, è neutra. Gli elettroni che ruotano attorno al nucleo di un atomo ei protoni che compongono il nucleo sono portatori di cariche elettriche uguali. Tra l'elettrone e il protone c'è sempre una forza di mutua attrazione, e tra gli stessi elettroni e tra i protoni, la forza di mutua repulsione. Per questo motivo, l'elettrone ha una carica elettrica negativa e il protone è positivo. Da ciò possiamo concludere che esistono 2 tipi di elettricità: positiva e negativa. La presenza di particelle ugualmente cariche in un atomo porta al fatto che tra il nucleo caricato positivamente dell'atomo e gli elettroni che ruotano attorno ad esso, ci sono forze di attrazione reciproca che tengono insieme l'atomo. Gli atomi differiscono l'uno dall'altro nel numero di neutroni e protoni nei nuclei, motivo per cui la carica positiva dei nuclei degli atomi di varie sostanze non è la stessa. Negli atomi di sostanze diverse, il numero di elettroni rotanti non è lo stesso ed è determinato dalla carica positiva del nucleo. Gli atomi di alcune sostanze sono saldamente legati al nucleo, mentre in altre questo legame può essere molto più debole. Questo spiega i diversi punti di forza dei corpi. Il filo di acciaio è molto più resistente del filo di rame, il che significa che le particelle di acciaio sono più fortemente attratte l'una dall'altra rispetto alle particelle di rame. L'attrazione tra le molecole è particolarmente evidente quando sono vicine l'una all'altra. Maggior parte un ottimo esempio Due gocce d'acqua si fondono in una al contatto.

Carica elettrica

Nell'atomo di qualsiasi sostanza, il numero di elettroni che ruotano attorno al nucleo è uguale al numero di protoni contenuti nel nucleo. La carica elettrica di un elettrone e di un protone sono uguali in grandezza, il che significa che la carica negativa degli elettroni è uguale alla carica positiva del nucleo. Queste cariche si bilanciano a vicenda e l'atomo rimane neutrale. In un atomo, gli elettroni creano un guscio di elettroni attorno al nucleo. Il guscio elettronico e il nucleo di un atomo sono in continuo movimento oscillatorio. Quando gli atomi si muovono, entrano in collisione tra loro e uno o più elettroni volano fuori da essi. L'atomo cessa di essere neutro e si carica positivamente. Poiché la sua carica positiva è diventata più negativa (debole connessione tra l'elettrone e il nucleo - metallo e carbone). In altri corpi (legno e vetro), i gusci elettronici non sono rotti. Dopo essersi staccati dagli atomi, gli elettroni liberi si muovono in modo casuale e possono essere catturati da altri atomi. Il processo di apparizioni e sparizioni nel corpo è continuo. All'aumentare della temperatura, aumenta la velocità del movimento vibrazionale degli atomi, le collisioni diventano più frequenti, diventano più forti, aumenta il numero di elettroni liberi. Tuttavia, il corpo rimane elettricamente neutro, poiché il numero di elettroni e protoni nel corpo non cambia. Se una certa quantità di elettroni liberi viene rimossa dal corpo, la carica positiva diventa maggiore della carica totale. Il corpo sarà caricato positivamente e viceversa. Se si crea una mancanza di elettroni nel corpo, viene caricata ulteriormente. Se l'eccesso è negativo. Maggiore è questa carenza o eccesso, maggiore è la carica elettrica. Nel primo caso (particelle più caricate positivamente), i corpi sono chiamati conduttori (metalli, soluzioni acquose di sali e acidi), e nel secondo (mancanza di elettroni, particelle caricate negativamente) dielettrici o isolanti (ambra, quarzo, ebanite). Per l'esistenza continua di una corrente elettrica, è necessario mantenere costantemente una differenza di potenziale nel conduttore.

Bene, questo è un piccolo corso di fisica che è finito. Penso che tu, con il mio aiuto, ti sia ricordato del curriculum scolastico per la seconda media e analizzeremo qual è la potenziale differenza nel mio prossimo articolo. Fino a quando non ci ritroveremo sulle pagine del sito.

Elettricità

Prima di tutto, vale la pena scoprire cosa costituisce una corrente elettrica. La corrente elettrica è il movimento ordinato di particelle cariche in un conduttore. Affinché possa sorgere, deve prima essere creato un campo elettrico, sotto l'influenza del quale le suddette particelle cariche inizieranno a muoversi.

Le prime informazioni sull'elettricità, apparse molti secoli fa, erano relative a "cariche" elettriche ottenute per attrito. Già nell'antichità si sapeva che l'ambra, indossata sulla lana, acquisisce la capacità di attrarre oggetti leggeri. Ma solo dentro tardo XVI secolo medico inglese Gilbert ha studiato questo fenomeno in dettaglio e ha scoperto che molte altre sostanze hanno esattamente le stesse proprietà. Corpi capaci, come l'ambra, dopo essere stati sfregati di attrarre oggetti leggeri, li chiamava elettrizzati. Questa parola deriva dall'elettrone greco - "ambra". Al momento, diciamo che ci sono cariche elettriche sui corpi in questo stato, e i corpi stessi sono chiamati "carici".

Le cariche elettriche si formano sempre quando diverse sostanze sono a stretto contatto. Se i corpi sono solidi, il loro stretto contatto è impedito da microscopiche sporgenze e irregolarità che esistono sulla loro superficie. Schiacciando tali corpi e strofinandoli insieme, avviciniamo le loro superfici, che senza pressione si toccherebbero solo in pochi punti. In alcuni corpi, le cariche elettriche possono muoversi liberamente tra loro varie parti mentre in altri non è possibile. Nel primo caso, i corpi sono chiamati "conduttori" e nel secondo "dielettrici o isolanti". I conduttori sono tutti i metalli, le soluzioni acquose di sali e acidi, ecc. Esempi di isolanti sono l'ambra, il quarzo, l'ebanite e tutti i gas che si trovano in condizioni normali.

Tuttavia, va notato che la divisione dei corpi in conduttori e dielettrici è molto arbitraria. Tutte le sostanze conducono elettricità in misura maggiore o minore. Le cariche elettriche sono positive o negative. Questo tipo di corrente non durerà a lungo, perché il corpo elettrizzato si scaricherà. Per l'esistenza continua di una corrente elettrica in un conduttore, è necessario mantenere un campo elettrico. A tale scopo vengono utilizzate fonti di corrente elettrica. Il caso più semplice del verificarsi di una corrente elettrica è quando un'estremità del filo è collegata a un corpo elettrificato e l'altra a terra.

I circuiti elettrici che forniscono corrente alle lampadine e ai motori elettrici sono apparsi solo dopo l'invenzione delle batterie, che risale al 1800 circa. Successivamente, lo sviluppo della dottrina dell'elettricità è andato così rapidamente che in meno di un secolo non è diventato solo una parte della fisica, ma ha costituito la base di una nuova civiltà elettrica.

Le principali grandezze di corrente elettrica

La quantità di elettricità e la forza attuale. Gli effetti della corrente elettrica possono essere forti o deboli. L'intensità della corrente elettrica dipende dalla quantità di carica che attraversa il circuito in una certa unità di tempo. Più elettroni si spostano da un polo all'altro della sorgente, maggiore è la carica totale trasportata dagli elettroni. Questa carica totale è chiamata la quantità di elettricità che passa attraverso il conduttore.

In particolare, l'effetto chimico della corrente elettrica dipende dalla quantità di elettricità, cioè più carica passa attraverso la soluzione elettrolitica, più sostanza si depositerà sul catodo e sull'anodo. A questo proposito, la quantità di elettricità può essere calcolata pesando la massa della sostanza depositata sull'elettrodo e conoscendo la massa e la carica di uno ione di questa sostanza.

L'intensità di corrente è una quantità uguale al rapporto tra la carica elettrica che è passata attraverso la sezione trasversale del conduttore e il tempo del suo flusso. L'unità di carica è il coulomb (C), il tempo si misura in secondi (s). In questo caso l'unità di misura dell'intensità di corrente è espressa in C/s. Questa unità è chiamata ampere (A). Per misurare l'intensità di corrente in un circuito, viene utilizzato un dispositivo di misurazione elettrico chiamato amperometro. Per l'inclusione nel circuito, l'amperometro è dotato di due terminali. È incluso nel circuito in serie.

tensione elettrica. Sappiamo già che la corrente elettrica è un movimento ordinato di particelle cariche: gli elettroni. Questo movimento viene creato con l'aiuto di un campo elettrico, che svolge una certa quantità di lavoro. Questo fenomeno è chiamato il lavoro di una corrente elettrica. Per spostare più carica attraverso un circuito elettrico in 1 secondo, il campo elettrico deve fare più lavoro. Sulla base di ciò, risulta che il lavoro di una corrente elettrica dovrebbe dipendere dall'intensità della corrente. Ma c'è un altro valore da cui dipende il lavoro della corrente. Questo valore è chiamato tensione.

La tensione è il rapporto tra il lavoro della corrente in una certa sezione del circuito elettrico e la carica che scorre attraverso la stessa sezione del circuito. Il lavoro corrente si misura in joule (J), la carica si misura in pendenti (C). A questo proposito, l'unità di misura della tensione sarà 1 J/C. Questa unità è chiamata volt (V).

Affinché una tensione appaia in un circuito elettrico, è necessaria una sorgente di corrente. In un circuito aperto, la tensione è presente solo ai terminali della sorgente di corrente. Se questa sorgente di corrente è inclusa nel circuito, la tensione apparirà anche in alcune sezioni del circuito. A questo proposito, ci sarà anche una corrente nel circuito. Cioè, brevemente possiamo dire quanto segue: se non c'è tensione nel circuito, non c'è corrente. Per misurare la tensione, viene utilizzato un dispositivo di misurazione elettrico chiamato voltmetro. Nel suo aspetto ricorda l'amperometro precedentemente menzionato, con l'unica differenza che la lettera V è sulla scala del voltmetro (invece di A sull'amperometro). Il voltmetro ha due terminali, con l'aiuto dei quali è collegato in parallelo al circuito elettrico.

Resistenza elettrica. Dopo aver collegato tutti i tipi di conduttori e un amperometro a un circuito elettrico, puoi vedere che quando si utilizzano conduttori diversi, l'amperometro produce indicazioni diverse, cioè in questo caso l'intensità di corrente disponibile nel circuito elettrico è diversa. Questo fenomeno può essere spiegato dal fatto che diversi conduttori hanno diversi resistenza elettrica, che è una grandezza fisica. In onore del fisico tedesco, è stata chiamata Ohm. Di norma, in fisica vengono utilizzate unità più grandi: kiloohm, megaohm, ecc. La resistenza del conduttore è solitamente indicata dalla lettera R, la lunghezza del conduttore è L, l'area della sezione trasversale è S. In questo caso, la resistenza può essere scritto come una formula:

dove il coefficiente p è detto resistività. Questo coefficiente esprime la resistenza di un conduttore lungo 1 m con sezione pari a 1 m2. Resistività espresso in Ohm x m Poiché i fili, di regola, hanno una sezione piuttosto piccola, le loro aree sono solitamente espresse in millimetri quadrati. In questo caso l'unità di resistività sarà Ohm x mm2/m. Nella tabella sottostante. 1 mostra la resistività di alcuni materiali.

Tabella 1. Resistività elettrica di alcuni materiali
Materiale	p, Ohm x m2/m	Materiale	p, Ohm x m2/m
		Lega di platino iridio




Metallo o lega
		Manganina (lega)
Alluminio		Costantana (lega)
Tungsteno
		Nicromo (lega)
Nichel (lega)		Fechrale (lega)
Nichel (lega)		Chromel (lega)

Secondo la tabella. 1, diventa chiaro che il rame ha la resistività elettrica più piccola e una lega di metalli ha la più grande. Inoltre, i dielettrici (isolanti) hanno un'elevata resistività.

Capacità elettrica. Sappiamo già che due conduttori isolati tra loro possono accumulare cariche elettriche. Questo fenomeno è caratterizzato da una grandezza fisica, che si chiama capacità elettrica. La capacità elettrica di due conduttori non è altro che il rapporto tra la carica di uno di essi e la differenza di potenziale tra questo conduttore e quello vicino. Più bassa è la tensione quando i conduttori ricevono una carica, maggiore è la loro capacità. Il farad (F) è preso come unità di capacità elettrica. In pratica si utilizzano frazioni di questa unità: microfarad (µF) e picofarad (pF).

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Se prendi due conduttori isolati l'uno dall'altro, posizionali a poca distanza l'uno dall'altro, ottieni un condensatore. La capacità di un condensatore dipende dallo spessore delle sue armature e dallo spessore del dielettrico e dalla sua permeabilità. Riducendo lo spessore del dielettrico tra le armature del condensatore, è possibile aumentare notevolmente la capacità di quest'ultimo. Su tutti i condensatori, oltre alla loro capacità, deve essere indicata la tensione per la quale questi dispositivi sono progettati.

Lavoro e potenza della corrente elettrica. Da quanto precede, è chiaro che la corrente elettrica svolge una certa quantità di lavoro. Quando si collegano i motori elettrici, la corrente elettrica fa funzionare tutti i tipi di apparecchiature, muove i treni lungo le rotaie, illumina le strade, riscalda la casa, e produce anche un effetto chimico, cioè permette l'elettrolisi, ecc. Possiamo dire che il il lavoro della corrente in una certa sezione del circuito è uguale al prodotto corrente, tensione e tempo durante il quale è stato svolto il lavoro. Il lavoro viene misurato in joule, la tensione in volt, la corrente in ampere e il tempo in secondi. A questo proposito, 1 J = 1V x 1A x 1s. Da ciò risulta che per misurare il lavoro di una corrente elettrica è necessario utilizzare tre dispositivi contemporaneamente: un amperometro, un voltmetro e un orologio. Ma questo è ingombrante e inefficiente. Pertanto, di solito, il lavoro della corrente elettrica viene misurato da contatori elettrici. Il dispositivo di questo dispositivo contiene tutti i dispositivi di cui sopra.

La potenza di una corrente elettrica è uguale al rapporto tra il lavoro della corrente e il tempo durante il quale è stato eseguito. La potenza è indicata con la lettera "P" ed è espressa in watt (W). In pratica vengono utilizzati kilowatt, megawatt, ettowatt, ecc .. Per misurare la potenza del circuito è necessario prendere un wattmetro. Il lavoro elettrico è espresso in chilowattora (kWh).

Leggi fondamentali della corrente elettrica

Legge di Ohm. Tensione e corrente sono considerate le caratteristiche più convenienti dei circuiti elettrici. Una delle caratteristiche principali dell'uso dell'elettricità è il rapido trasporto di energia da un luogo all'altro e il suo trasferimento al consumatore in forma desiderata. Il prodotto della differenza di potenziale e dell'intensità della corrente dà la potenza, cioè la quantità di energia emessa nel circuito per unità di tempo. Come accennato in precedenza, per misurare la potenza in un circuito elettrico, occorrerebbero 3 dispositivi. È possibile fare con uno e calcolare la potenza dalle sue letture e da alcune caratteristiche del circuito, come la sua resistenza? A molte persone è piaciuta questa idea, l'hanno considerata fruttuosa.

Quindi, qual è la resistenza di un filo o di un circuito nel suo insieme? Un filo, come i tubi dell'acqua oi tubi in un sistema a vuoto, ha una proprietà costante che potrebbe essere chiamata resistenza? Ad esempio, nei tubi, il rapporto tra la differenza di pressione che crea il flusso diviso per la portata è solitamente una caratteristica costante del tubo. Allo stesso modo, il flusso di calore in un filo è soggetto a una semplice relazione, che include la differenza di temperatura, l'area della sezione trasversale del filo e la sua lunghezza. La scoperta di una tale relazione per i circuiti elettrici è stata il risultato di una ricerca riuscita.

Nel 1820 il tedesco insegnante di scuola Georg Ohm è stato il primo a iniziare a cercare il rapporto di cui sopra. Prima di tutto aspirava alla fama e alla fama, che gli avrebbero permesso di insegnare all'università. Quella fu l'unica ragione per cui scelse un campo di studi che offriva particolari vantaggi.

Om era figlio di un fabbro, quindi sapeva come disegnare fili metallici di diversi spessori, di cui aveva bisogno per gli esperimenti. Poiché a quei tempi era impossibile acquistare un filo adatto, Om lo fece con le proprie mani. Durante gli esperimenti, ha provato lunghezze diverse, spessori diversi, metalli diversi e persino temperature diverse. Tutti questi fattori variavano a loro volta. Ai tempi di Ohm, le batterie erano ancora deboli e fornivano una corrente di grandezza variabile. A questo proposito, il ricercatore ha utilizzato come generatore una termocoppia, la cui giunzione calda è stata posta in una fiamma. Inoltre, ha utilizzato un rudimentale amperometro magnetico e ha misurato le differenze di potenziale (Ohm le ha chiamate "tensioni") modificando la temperatura o il numero di giunzioni termiche.

La dottrina dei circuiti elettrici ha appena ricevuto il suo sviluppo. Dopo l'invenzione delle batterie intorno al 1800, iniziò a svilupparsi molto più velocemente. Vari dispositivi sono stati progettati e fabbricati (abbastanza spesso a mano), sono state scoperte nuove leggi, sono comparsi concetti e termini, ecc. Tutto ciò ha portato a una comprensione più profonda fenomeni elettrici e fattori.

L'aggiornamento delle conoscenze sull'elettricità, da un lato, ha causato l'emergere di un nuovo campo della fisica, dall'altro è stata la base per il rapido sviluppo dell'ingegneria elettrica, ovvero batterie, generatori, sistemi di alimentazione per l'illuminazione e l'azionamento elettrico , forni elettrici, motori elettrici, ecc. furono inventati , altro.

Le scoperte di Ohm furono di grande importanza sia per lo sviluppo della teoria dell'elettricità che per lo sviluppo dell'ingegneria elettrica applicata. Hanno reso facile prevedere le proprietà dei circuiti elettrici per la corrente continua e successivamente per la corrente alternata. Nel 1826 Ohm pubblicò un libro in cui delineava le conclusioni teoriche ei risultati sperimentali. Ma le sue speranze non erano giustificate, il libro è stato accolto con il ridicolo. Ciò è accaduto perché il metodo della sperimentazione approssimativa sembrava poco attraente in un'epoca in cui molte persone erano appassionate di filosofia.

Omu non aveva altra scelta che lasciare la sua posizione di insegnante. Non ottenne un incarico all'università per lo stesso motivo. Per 6 anni lo scienziato ha vissuto in povertà, senza fiducia nel futuro, provando un sentimento di amara delusione.

Ma gradualmente le sue opere hanno guadagnato fama prima fuori dalla Germania. Om è stato rispettato all'estero, la sua ricerca è stata utilizzata. A questo proposito, i compatrioti sono stati costretti a riconoscerlo in patria. Nel 1849 ricevette una cattedra all'Università di Monaco.

Ohm ha scoperto una semplice legge che stabilisce una relazione tra corrente e tensione per un pezzo di filo (per una parte del circuito, per l'intero circuito). Inoltre, ha creato delle regole che ti consentono di determinare cosa cambierà se prendi un filo di dimensioni diverse. La legge di Ohm è formulata come segue: l'intensità di corrente in una sezione del circuito è direttamente proporzionale alla tensione in questa sezione e inversamente proporzionale alla resistenza della sezione.

Legge di Joule-Lenz. La corrente elettrica in qualsiasi parte del circuito esegue un certo lavoro. Ad esempio, prendiamo una sezione del circuito, tra le cui estremità è presente una tensione (U). Per definizione di tensione elettrica, il lavoro svolto quando si sposta un'unità di carica tra due punti è uguale a U. Se l'intensità di corrente in una data sezione del circuito è i, allora la carica passerà nel tempo t, e quindi il lavoro della corrente elettrica in questa sezione sarà:

Questa espressione è valida comunque per la corrente continua, per qualsiasi sezione del circuito, che può contenere conduttori, motori elettrici, ecc. La potenza attuale, cioè il lavoro per unità di tempo, è pari a:

Questa formula viene utilizzata nel sistema SI per determinare l'unità di tensione.

Supponiamo che la sezione del circuito sia un conduttore fisso. In questo caso tutto il lavoro si trasformerà in calore, che verrà rilasciato in questo conduttore. Se il conduttore è omogeneo e obbedisce alla legge di Ohm (questo include tutti i metalli e gli elettroliti), allora:

dove r è la resistenza del conduttore. In questo caso:

Questa legge fu ricavata empiricamente dapprima da E. Lenz e, indipendentemente da lui, da Joule.

Va notato che il riscaldamento dei conduttori trova numerose applicazioni in ingegneria. Le più comuni e importanti tra loro sono le lampade ad incandescenza.

Legge dell'induzione elettromagnetica. Nella prima metà del XIX secolo, il fisico inglese M. Faraday scoprì il fenomeno dell'induzione magnetica. Questo fatto, divenuto proprietà di molti ricercatori, ha dato un forte impulso allo sviluppo dell'ingegneria elettrica e radio.

Nel corso degli esperimenti, Faraday ha scoperto che quando il numero di linee di induzione magnetica che penetrano in una superficie delimitata da un anello chiuso cambia, si genera una corrente elettrica. Questa è la base della legge forse più importante della fisica: la legge dell'induzione elettromagnetica. La corrente che si verifica nel circuito è chiamata induttiva. A causa del fatto che la corrente elettrica si verifica nel circuito solo nel caso di forze esterne che agiscono su cariche libere, quindi con un flusso magnetico variabile che passa sulla superficie di un circuito chiuso, queste stesse forze esterne compaiono in esso. L'azione delle forze esterne in fisica è chiamata forza elettromotrice o EMF di induzione.

L'induzione elettromagnetica appare anche nei conduttori aperti. Nel caso in cui il conduttore attraversi le linee del campo magnetico, alle sue estremità appare una tensione. La ragione per la comparsa di una tale tensione è l'EMF di induzione. Se il flusso magnetico che passa attraverso il circuito chiuso non cambia, la corrente induttiva non appare.

Usando il concetto di "EMF di induzione", si può parlare della legge dell'induzione elettromagnetica, cioè l'EMF di induzione in un circuito chiuso è uguale in valore assoluto alla velocità di variazione del flusso magnetico attraverso la superficie delimitata dal ciclo continuo.

Regola di Lenz. Come già sappiamo, nel conduttore si verifica una corrente induttiva. A seconda delle condizioni del suo aspetto, ha una direzione diversa. In questa occasione, il fisico russo Lenz ha formulato la seguente regola: la corrente di induzione che si verifica in un circuito chiuso ha sempre una direzione tale che il campo magnetico che crea non consente la variazione del flusso magnetico. Tutto ciò provoca la comparsa di una corrente di induzione.

La corrente di induzione, come qualsiasi altra, ha energia. Ciò significa che in caso di corrente di induzione appare energia elettrica. Secondo la legge di conservazione e trasformazione dell'energia, la suddetta energia può sorgere solo a causa della quantità di energia di qualche altro tipo di energia. Pertanto, la regola di Lenz corrisponde pienamente alla legge di conservazione e trasformazione dell'energia.

Oltre all'induzione, nella bobina può comparire la cosiddetta autoinduzione. La sua essenza è la seguente. Se una corrente appare nella bobina o la sua forza cambia, appare un campo magnetico variabile. E se il flusso magnetico che passa attraverso la bobina cambia, in essa si genera una forza elettromotrice, che è chiamata EMF di autoinduzione.

Secondo la regola di Lenz, l'EMF dell'autoinduzione quando il circuito è chiuso interferisce con la forza attuale e non le consente di aumentare. Quando il circuito EMF è spento, l'autoinduzione riduce la forza attuale. Nel caso in cui l'intensità della corrente nella bobina raggiunga un certo valore, il campo magnetico smette di cambiare e l'EMF di autoinduzione diventa zero.

La corrente elettrica è il movimento ordinato di particelle cariche.

2. In quali condizioni si verifica una corrente elettrica?

Una corrente elettrica si verifica se ci sono cariche libere, nonché come risultato dell'azione di un campo elettrico esterno. Per ottenere un campo elettrico è sufficiente creare una differenza di potenziale tra due punti del conduttore.

3. Perché il moto delle particelle cariche in un conduttore in assenza di un campo elettrico esterno è caotico?

Se non c'è un campo elettrico esterno, allora non c'è un'ulteriore componente di velocità diretta lungo l'intensità del campo elettrico, il che significa che tutte le direzioni del moto delle particelle sono uguali.

4. Qual è la differenza tra il moto delle particelle cariche in un conduttore in assenza e in presenza di un campo elettrico esterno?

In assenza di un campo elettrico, il movimento delle particelle cariche è caotico e, in sua presenza, il movimento delle particelle è il risultato di un movimento caotico e traslatorio.

5. Come viene scelta la direzione della corrente elettrica? In quale direzione si muovono gli elettroni in un conduttore metallico attraversato da corrente elettrica?

La direzione del movimento delle particelle caricate positivamente è considerata la direzione della corrente elettrica. In un conduttore metallico, gli elettroni si muovono nella direzione opposta alla direzione della corrente.

Le prime informazioni sull'elettricità, apparse molti secoli fa, erano relative a "cariche" elettriche ottenute per attrito. Già dentro tempi antichi la gente sapeva che l'ambra, indossata sulla lana, acquisisce la capacità di attrarre oggetti leggeri. Ma solo alla fine del XVI secolo il medico inglese Gilbert studiò in dettaglio questo fenomeno e scoprì che molte altre sostanze hanno esattamente le stesse proprietà. Corpi capaci, come l'ambra, dopo essere stati sfregati di attrarre oggetti leggeri, li chiamava elettrizzati. Questa parola deriva dall'elettrone greco - "ambra". Al momento, diciamo che ci sono cariche elettriche sui corpi in questo stato, e i corpi stessi sono chiamati "carici".

Le cariche elettriche si formano sempre quando diverse sostanze sono a stretto contatto. Se i corpi sono solidi, il loro stretto contatto è impedito da microscopiche sporgenze e irregolarità che esistono sulla loro superficie. Schiacciando tali corpi e strofinandoli insieme, avviciniamo le loro superfici, che senza pressione si toccherebbero solo in pochi punti. In alcuni corpi le cariche elettriche possono muoversi liberamente tra le diverse parti, mentre in altri ciò non è possibile. Nel primo caso, i corpi sono chiamati "conduttori" e nel secondo "dielettrici o isolanti". I conduttori sono tutti i metalli, le soluzioni acquose di sali e acidi, ecc. Esempi di isolanti sono l'ambra, il quarzo, l'ebanite e tutti i gas che si trovano in condizioni normali.

Le principali grandezze di corrente elettrica

Resistenza elettrica. Dopo aver collegato tutti i tipi di conduttori e un amperometro a un circuito elettrico, puoi notare che quando si utilizzano conduttori diversi, l'amperometro fornisce letture diverse, ovvero, in questo caso, l'intensità di corrente disponibile nel circuito elettrico è diversa. Questo fenomeno può essere spiegato dal fatto che diversi conduttori hanno una diversa resistenza elettrica, che è una quantità fisica. In onore del fisico tedesco, è stata chiamata Ohm. Di norma, in fisica vengono utilizzate unità più grandi: kiloohm, megaohm, ecc. La resistenza del conduttore è solitamente indicata dalla lettera R, la lunghezza del conduttore è L, l'area della sezione trasversale è S. In questo caso, la resistenza può essere scritto come una formula:

R = D * L/S

dove il coefficiente p è detto resistività. Questo coefficiente esprime la resistenza di un conduttore lungo 1 m con sezione pari a 1 m2. La resistività è espressa in Ohm x m Poiché i fili, di regola, hanno una sezione piuttosto piccola, le loro aree sono solitamente espresse in millimetri quadrati. In questo caso l'unità di resistività sarà Ohm x mm2/m. Nella tabella sottostante. 1 mostra la resistività di alcuni materiali.

*Tabella 1. Resistività elettrica di alcuni materiali*
Materiale	p, Ohm x m2/m	Materiale	p, Ohm x m2/m
Rame	0,017	Lega di platino iridio	0,25
Oro	0,024	Grafite	13
Ottone	0,071	Carbone	40
Lattina	0,12	Porcellana	1019
Guida	0,21	Ebanite	1020
Metallo o lega
Argento	0,016	Manganina (lega)	0,43
Alluminio	0,028	Costantana (lega)	0,50
Tungsteno	0,055	Mercurio	0,96
Ferro da stiro	0,1	Nicromo (lega)	1,1
Nichel (lega)	0,40	Fechrale (lega)	1,3
Nichel (lega)	0,40	Chromel (lega)	1,5

Secondo la tabella. 1, diventa chiaro che il rame ha la resistività elettrica più piccola e una lega di metalli ha la più grande. Inoltre, i dielettrici (isolanti) hanno un'elevata resistività.

Leggi fondamentali della corrente elettrica

Legge di Ohm. Tensione e corrente sono considerate le caratteristiche più convenienti dei circuiti elettrici. Una delle caratteristiche principali dell'uso dell'elettricità è il rapido trasporto di energia da un luogo all'altro e il suo trasferimento al consumatore nella forma desiderata. Il prodotto della differenza di potenziale e dell'intensità della corrente dà la potenza, cioè la quantità di energia emessa nel circuito per unità di tempo. Come accennato in precedenza, per misurare la potenza in un circuito elettrico, occorrerebbero 3 dispositivi. È possibile fare con uno e calcolare la potenza dalle sue letture e da alcune caratteristiche del circuito, come la sua resistenza? A molte persone è piaciuta questa idea, l'hanno considerata fruttuosa.

Nel 1820, l'insegnante tedesco Georg Ohm fu il primo a iniziare a cercare il rapporto di cui sopra. Prima di tutto aspirava alla fama e alla fama, che gli avrebbero permesso di insegnare all'università. Quella fu l'unica ragione per cui scelse un campo di studi che offriva particolari vantaggi.

A = Uit

P \u003d A / t \u003d interfaccia utente

Questa formula viene utilizzata nel sistema SI per determinare l'unità di tensione.

U=ir

dove r è la resistenza del conduttore. In questo caso:

A = rt2i

Questa legge fu ricavata empiricamente dapprima da E. Lenz e, indipendentemente da lui, da Joule.

Va notato che il riscaldamento dei conduttori trova numerose applicazioni in ingegneria. Le più comuni e importanti tra loro sono le lampade ad incandescenza.

Nel corso degli esperimenti, Faraday ha scoperto che quando cambia il numero di linee di induzione magnetica che penetrano in una superficie delimitata da un anello chiuso, si genera una corrente elettrica. Questa è la base della legge forse più importante della fisica: la legge dell'induzione elettromagnetica. La corrente che si verifica nel circuito è chiamata induttiva. A causa del fatto che la corrente elettrica si verifica nel circuito solo nel caso di forze esterne che agiscono su cariche libere, quindi con un flusso magnetico variabile che passa sulla superficie di un circuito chiuso, queste stesse forze esterne compaiono in esso. L'azione delle forze esterne in fisica è chiamata forza elettromotrice o EMF di induzione.

Usando il concetto di "EMF di induzione", si può parlare della legge dell'induzione elettromagnetica, cioè, l'EMF di induzione in un circuito chiuso è uguale in valore assoluto alla velocità di variazione del flusso magnetico attraverso la superficie delimitata dal ciclo continuo.

Regola di Lenz. Come già sappiamo, nel conduttore si verifica una corrente induttiva. A seconda delle condizioni del suo aspetto, ha una direzione diversa. In questa occasione, il fisico russo Lenz ha formulato regola successiva: la corrente di induzione che si verifica in un circuito chiuso ha sempre una direzione tale che il campo magnetico che crea non consente la variazione del flusso magnetico. Tutto ciò provoca la comparsa di una corrente di induzione.

Nei conduttori, in determinate condizioni, può verificarsi un movimento ordinato continuo di portatori di carica elettrica liberi. Tale movimento è chiamato elettro-shock. La direzione del movimento delle cariche libere positive è considerata la direzione della corrente elettrica, sebbene nella maggior parte dei casi gli elettroni si muovano - particelle caricate negativamente.

La misura quantitativa della corrente elettrica è la forza della corrente ioè una grandezza fisica scalare, uguale al rapporto carica q, trasferito attraverso la sezione trasversale del conduttore per un intervallo di tempo t, a questo intervallo di tempo:

Se la corrente non è costante, per trovare la quantità di carica passata attraverso il conduttore, viene calcolata l'area della figura sotto il grafico della dipendenza della forza attuale dal tempo.

Se la forza della corrente e la sua direzione non cambiano nel tempo, viene chiamata tale corrente permanente. La forza attuale è misurata da un amperometro, che è collegato in serie al circuito. IN sistema internazionale L'intensità di corrente delle unità SI è misurata in ampere [A]. 1 A = 1 C/s.

Si trova come il rapporto tra la carica totale e il tempo totale (cioè, secondo lo stesso principio di velocità media o qualsiasi altro valore medio in fisica):

Se la corrente cambia uniformemente nel tempo rispetto al valore io 1 da valorizzare io 2, allora il valore della corrente media può essere trovato come media aritmetica dei valori estremi:

densità corrente- l'intensità di corrente per unità di sezione trasversale del conduttore è calcolata con la formula:

Quando la corrente scorre attraverso un conduttore, la corrente subisce resistenza dal conduttore. La ragione della resistenza è l'interazione delle cariche con gli atomi della sostanza del conduttore e tra loro. L'unità di resistenza è 1 ohm. Resistenza del conduttore Rè determinato dalla formula:

dove: l- la lunghezza del conduttore, Sè la sua area della sezione trasversale, ρ - resistività del materiale conduttore (attenzione a non confondere quest'ultimo valore con la densità della sostanza), che caratterizza la capacità del materiale conduttore di resistere al passaggio di corrente. Cioè, questa è la stessa caratteristica di una sostanza, come molte altre: calore specifico, densità, punto di fusione, ecc. L'unità di misura della resistività è 1 Ohm m. La resistenza specifica di una sostanza è un valore tabellare.

La resistenza di un conduttore dipende anche dalla sua temperatura:

dove: R 0 – resistenza del conduttore a 0°С, tè la temperatura espressa in gradi Celsius, α è il coefficiente di temperatura della resistenza. È uguale variazione relativa resistenza, con un aumento della temperatura di 1°C. Per i metalli è sempre maggiore di zero, per gli elettroliti, al contrario, è sempre minore di zero.

Diodo nel circuito DC

Diodo- Questo è un elemento circuitale non lineare, la cui resistenza dipende dalla direzione del flusso di corrente. Il diodo è designato come segue:

La freccia nel simbolo schematico di un diodo mostra in quale direzione passa la corrente. In questo caso la sua resistenza è zero e il diodo può essere sostituito semplicemente con un conduttore a resistenza zero. Se la corrente scorre attraverso il diodo nella direzione opposta, il diodo ha una resistenza infinitamente grande, cioè non passa affatto corrente ed è un'interruzione nel circuito. Quindi la sezione del circuito con il diodo può essere semplicemente cancellata, poiché la corrente non scorre attraverso di essa.

Legge di Ohm. Collegamento in serie e in parallelo dei conduttori

Il fisico tedesco G. Ohm nel 1826 stabilì sperimentalmente che l'attuale forza io, che scorre attraverso un conduttore metallico omogeneo (cioè un conduttore in cui non agiscono forze esterne) con resistenza R, proporzionale alla tensione U alle estremità del conduttore:

il valore R chiamata resistenza elettrica. Viene chiamato un conduttore con resistenza elettrica resistore. Questo rapporto esprime Legge di Ohm per una sezione omogenea del circuito: L'intensità della corrente in un conduttore è direttamente proporzionale alla tensione applicata e inversamente proporzionale alla resistenza del conduttore.

Si chiamano conduttori che obbediscono alla legge di Ohm lineare. Dipendenza grafica della forza attuale io dalla tensione U(tali grafici sono chiamati caratteristiche corrente-tensione, abbreviato VAC) è rappresentato da una linea retta che passa per l'origine. Va notato che ci sono molti materiali e dispositivi che non obbediscono alla legge di Ohm, come un diodo a semiconduttore o una lampada a scarica di gas. Anche per conduttori metallici a correnti sufficientemente elevate, si osserva una deviazione dalla legge lineare di Ohm, poiché la resistenza elettrica dei conduttori metallici aumenta con l'aumentare della temperatura.

I conduttori nei circuiti elettrici possono essere collegati in due modi: serie e parallelo. Ogni metodo ha i suoi modelli.

1. Schemi di connessione seriale:

La formula per la resistenza totale dei resistori collegati in serie è valida per qualsiasi numero di conduttori. Se il circuito è collegato in serie n stessa resistenza R, poi resistenza totale R 0 si trova con la formula:

2. Schemi di connessione parallela:

La formula per la resistenza totale dei resistori collegati in parallelo è valida per qualsiasi numero di conduttori. Se il circuito è collegato in parallelo n stessa resistenza R, quindi la resistenza totale R 0 si trova con la formula:

Strumenti elettrici di misura

Per misurare tensioni e correnti nei circuiti elettrici CC, vengono utilizzati dispositivi speciali - voltmetri e amperometri.

Voltmetro progettato per misurare la differenza di potenziale applicata ai suoi terminali. È collegato in parallelo con la sezione del circuito su cui viene misurata la differenza di potenziale. Qualsiasi voltmetro ha una certa resistenza interna. R b. Affinché il voltmetro non introduca una notevole ridistribuzione delle correnti quando è collegato al circuito misurato, la sua resistenza interna deve essere grande rispetto alla resistenza della sezione del circuito a cui è collegato.

Amperometro progettato per misurare la corrente nel circuito. L'amperometro è collegato in serie all'interruzione del circuito elettrico in modo che l'intera corrente misurata lo attraversi. L'amperometro ha anche una certa resistenza interna. R UN. A differenza di un voltmetro, la resistenza interna di un amperometro deve essere sufficientemente piccola rispetto alla resistenza totale dell'intero circuito.

campi elettromagnetici. Legge di Ohm per un circuito completo

Per l'esistenza della corrente continua è necessario disporre di un dispositivo in circuito elettrico chiuso in grado di creare e mantenere differenze di potenziale nelle sezioni del circuito dovute al lavoro di forze di origine non elettrostatica. Tali dispositivi sono chiamati fonti di corrente continua. Vengono chiamate forze di origine non elettrostatica che agiscono su portatori di carica gratuiti da fonti correnti forze esterne.

La natura delle forze esterne può essere diversa. Nelle celle o batterie galvaniche, sorgono come risultato di processi elettrochimici, nei generatori CC, sorgono forze esterne quando i conduttori si muovono in un campo magnetico. Sotto l'azione di forze esterne, le cariche elettriche si muovono all'interno della sorgente di corrente contro le forze del campo elettrostatico, grazie al quale è possibile mantenere una corrente elettrica costante in un circuito chiuso.

Quando le cariche elettriche si muovono lungo un circuito CC, le forze esterne che agiscono all'interno delle sorgenti di corrente funzionano. Quantità fisica, pari al rapporto di lavoro UN st forze esterne durante lo spostamento della carica q dal polo negativo della sorgente di corrente al positivo al valore di questa carica, viene chiamato fonte di forza elettromotrice (EMF):

Pertanto, l'EMF è determinato dal lavoro svolto da forze esterne quando si sposta una singola carica positiva. La forza elettromotrice, come la differenza di potenziale, si misura in volt (V).

La legge di Ohm per un circuito completo (chiuso): l'intensità di corrente in un circuito chiuso è uguale alla forza elettromotrice della sorgente divisa per la resistenza totale (interna + esterna) del circuito:

Resistenza r– resistenza interna (intrinseca) della sorgente di corrente (dipende da struttura interna fonte). Resistenza R– resistenza di carico (resistenza del circuito esterno).

Caduta di tensione nel circuito esterno mentre uguale (è anche chiamato tensione ai terminali della sorgente):

È importante capire e ricordare: l'EMF e la resistenza interna della sorgente di corrente non cambiano quando vengono collegati carichi diversi.

Se la resistenza di carico è zero (la sorgente si chiude su se stessa) o molto inferiore alla resistenza della sorgente, allora il circuito scorrerà corrente di corto circuito:

Corrente di corto circuito - la corrente massima che può essere ottenuta da data fonte con forza elettromotrice ε e resistenza interna r. Per sorgenti con bassa resistenza interna, la corrente di cortocircuito può essere molto elevata e causare la distruzione del circuito elettrico o della sorgente. Ad esempio, le batterie al piombo utilizzate nelle automobili possono avere una corrente di cortocircuito di diverse centinaia di ampere. Particolarmente pericolosi sono i cortocircuiti nelle reti di illuminazione alimentate da sottostazioni (migliaia di ampere). Per evitare l'effetto distruttivo di correnti così elevate, fusibili o macchine speciali protezione della rete.

Più sorgenti EMF in un circuito

Se il circuito contiene diversi fem collegati in serie, poi:

1. Con la corretta connessione delle sorgenti (il polo positivo di una sorgente è collegato al negativo dell'altra), l'EMF totale di tutte le sorgenti e la loro resistenza interna possono essere trovate dalle formule:

Ad esempio, tale connessione di fonti viene effettuata in telecomandi, telecamere e altro elettrodomestici funzionante con più batterie.

2. Se le sorgenti sono collegate in modo errato (le sorgenti sono collegate dagli stessi poli), la loro EMF e resistenza totali sono calcolate dalle formule:

In entrambi i casi aumenta la resistenza totale delle sorgenti.

In connessione parallela ha senso collegare le fonti solo con lo stesso EMF, altrimenti le fonti verranno scaricate l'una nell'altra. Pertanto, l'EMF totale sarà uguale all'EMF di ciascuna sorgente, ovvero, con una connessione parallela, non otterremo una batteria con un elevato EMF. Allo stesso tempo, la resistenza interna della batteria delle sorgenti diminuisce, il che consente di ottenere grande forza corrente e potenza nel circuito:

Questo è il significato della connessione parallela delle fonti. In ogni caso, quando si risolvono i problemi, è necessario prima trovare l'EMF totale e la resistenza interna totale della sorgente risultante, quindi scrivere la legge di Ohm per il circuito completo.

Lavoro e potenza attuale. Legge di Joule-Lenz

Opera UN corrente elettrica io che scorre attraverso un conduttore fisso con resistenza R, convertito in calore Q, che spicca sul conduttore. Questo lavoro può essere calcolato utilizzando una delle formule (tenendo conto della legge di Ohm, si susseguono tutte):

La legge di conversione del lavoro della corrente in calore è stata stabilita sperimentalmente indipendentemente da J. Joule ed E. Lenz ed è chiamata Legge di Joule-Lenz. Potenza della corrente elettrica uguale al rapporto tra il lavoro della corrente UN all'intervallo di tempo Δ t, per il quale è stato svolto questo lavoro, quindi può essere calcolato utilizzando le seguenti formule:

Il lavoro di una corrente elettrica in SI, come al solito, è espresso in joule (J), potenza - in watt (W).

Bilancio energetico a circuito chiuso

Consideriamo ora un circuito DC completo costituito da una sorgente con una forza elettromotrice ε e resistenza interna r e un'area omogenea esterna con resistenza R. In questo caso la potenza utile o la potenza rilasciata nel circuito esterno è:

La massima potenza utile possibile della sorgente si ottiene se R = r ed è uguale a:

Se, quando collegato alla stessa fonte di corrente di diverse resistenze R 1 e R A loro vengono assegnate 2 potenze uguali, quindi la resistenza interna di questa fonte attuale può essere trovata dalla formula:

Perdita di potenza o potenza all'interno della sorgente di corrente:

La potenza totale sviluppata dalla sorgente di corrente:

Efficienza sorgente corrente:

Elettrolisi

elettrolitiÈ consuetudine chiamare mezzi conduttivi in cui il flusso di corrente elettrica è accompagnato dal trasferimento di materia. I portatori di cariche libere negli elettroliti sono ioni caricati positivamente e negativamente. Gli elettroliti includono molti composti di metalli con metalloidi allo stato fuso, così come alcuni solidi. Tuttavia, i principali rappresentanti degli elettroliti ampiamente utilizzati nella tecnologia sono le soluzioni acquose acidi inorganici, sali e basi.

Il passaggio di una corrente elettrica attraverso l'elettrolita è accompagnato dal rilascio di una sostanza sugli elettrodi. Questo fenomeno è stato nominato elettrolisi.

La corrente elettrica negli elettroliti è il movimento degli ioni di entrambi i segni in direzioni opposte. Gli ioni positivi si muovono verso l'elettrodo negativo ( catodo), ioni negativi - all'elettrodo positivo ( anodo). Gli ioni di entrambi i segni compaiono soluzione acquosa sali, acidi e alcali come risultato della scissione di alcune delle molecole neutre. Questo fenomeno è chiamato dissociazione elettrolitica.

legge dell'elettrolisi fu stabilito sperimentalmente dal fisico inglese M. Faraday nel 1833. Legge di Faraday determina la quantità di prodotti primari rilasciati sugli elettrodi durante l'elettrolisi. Quindi la massa m sostanza rilasciata all'elettrodo è direttamente proporzionale alla carica Q passa attraverso l'elettrolita:

il valore K chiamata equivalente elettrochimico. Può essere calcolato utilizzando la formula:

dove: nè la valenza della sostanza, N A è la costante di Avogadro, M – massa molare sostanze eè la carica elementare. A volte viene introdotta anche la seguente notazione per la costante di Faraday:

Corrente elettrica nei gas e nel vuoto

Corrente elettrica nei gas

IN condizioni normali i gas non conducono elettricità. Ciò è dovuto alla neutralità elettrica delle molecole di gas e, di conseguenza, all'assenza di portatori di carica elettrica. Affinché un gas diventi un conduttore, uno o più elettroni devono essere strappati dalle molecole. Quindi ci saranno portatori di carica gratuiti: elettroni e ioni positivi. Questo processo è chiamato ionizzazione del gas.

È possibile ionizzare le molecole di gas per influenza esterna - ionizzatore. Gli ionizzatori possono essere: un flusso di luce, raggi X, un flusso di elettroni o α -particelle. Anche le molecole di gas vengono ionizzate quando alta temperatura. La ionizzazione porta alla comparsa di portatori di carica liberi nei gas: elettroni, ioni positivi, ioni negativi (un elettrone combinato con una molecola neutra).

Se si crea un campo elettrico nello spazio occupato da un gas ionizzato, i portatori di cariche elettriche inizieranno a muoversi in modo ordinato: è così che si forma una corrente elettrica nei gas. Se lo ionizzatore smette di funzionare, il gas diventa di nuovo neutro, da allora ri combinazione– formazione di atomi neutri da parte di ioni ed elettroni.

Corrente elettrica nel vuoto

Il vuoto è un tale grado di rarefazione di un gas al quale si può trascurare la collisione tra le sue molecole e presumere che il percorso libero medio superi le dimensioni lineari del recipiente in cui si trova il gas.

Una corrente elettrica nel vuoto è chiamata la conduttività del gap interelettrodico in uno stato di vuoto. In questo caso, ci sono così poche molecole di gas che i processi della loro ionizzazione non possono fornire un tale numero di elettroni e ioni necessari per la ionizzazione. La conduttività del gap interelettrodico nel vuoto può essere assicurata solo con l'ausilio di particelle cariche che si sono formate a causa di fenomeni di emissione agli elettrodi.

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Come prepararsi con successo al CT in Fisica e Matematica?

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