Електричний струм. Закони постійного струму

Впорядкований рух (напрямлений) заряджених частинок називається електричним струмом. Носіями зарядів можуть бути вільні електрони (електронна провідність) або іони різного знаку (іонна провідність). Кількісною характеристикою струму єйого сила I і густина j.

Силою струму називають скалярну величину, що дорівнює відношенню кількості заряду ∆q, що переноситься за одиницю часу через поперечний переріз провідника:

О диниця сили струму в СІ – ампер – [І]=А.

Постійний струм – це струм, сила і напрям якого не змінюється. Для постійного струму:

Густина струму – векторна фізична величина. ЇЇ модуль дорівнює відношенню сили струму І до площі поперечного перерізу провідника S:

Вектор напрямлений уздовж напряму струму.

Технічним напрямом струму вважається напрям руху позитивних зарядів (Рис. 33). Умовою існування електричного струму є наявність вільних заряджених частинок та електричного поля в провіднику, яке діє на ці частинки із силою і зумовлює їхній упорядкований рух.

Щоб у провіднику весь час проходив струм, необхідно підтримувати в ньому постійне електричне поле. Для переміщення заряду q по деякій ділянці провідника необхідно виконати певну роботу А. Напруга на даній ділянці чисельно дорівнює роботі по переміщенню одиничного заряду:

Щоб підтримувати струм, потрібно весь час поновлювати заряди з’єднаних тіл. Це можливо завдяки існуванню сторонніх сил. Характеризує сторонні сили фізична величина, що називається електрорушійною силою (ЕРС). ЕРС дорівнює роботі сторонніх сил по переміщенню одиничного позитивного заряду в замкнутому електричному полі:

Одиниця ЕРС і напруги в СІ – вольт – [U] – Дж/Кл = В.

Для кожного провідника існує залежність між силою струму в провіднику і напругою, прикладеною до його кінців.

Г. Ом експериментально встановив: на ділянці однорідного кола сила струму прямо пропорційна прикладеній напрузі U і обернено пропорційна опору ділянки R (закон Ома):

R – опір ділянки.

Електричний опір зумовлений тим, що електрони в процесі руху взаємодіють з позитивними іонами кристалічної решітки металу.

Опір провідника залежить від його довжини l, площі поперечного перерізу S і властивостей матеріалу:

? – питомий опір провідника, довжина якого 1м, площа поперечного перерізу 1м2: ,

- питома електропровідність.

При підвищенні температури частішають співудари електронів з іонами, тому опір провідників залежить від температури:

R0 – питомий опір при 0 0С,

t – температура,

α – температурний коефіцієнт опору, який характеризує відносну зміну опору при нагріванні його на 1 К.

Для багатьох металів (чистих):

У зовнішньому колі, що має зовнішній опір R, джерело струму з ЕРС ε і внутрішнім опором r, сила струму дорівнює відношенню ЕРС до повного опору кола:

- закон Ома для повного кола

У загальному випадку на практиці часто доводиться розраховувати складні розгалужені електричні кола, які містять вузли. Вузлом (Рис. 34) А у розгалуженому колі називають точку, в якій збігається не менше трьох провідників.

Німецький вчений Г.Р.Кірхгоф встановив закони, за допомогою яких проводять розрахунки струмів і напруг у розгалужених колах.

Перше правило Кірхгофа:

Алгебраїчна сума струмів, які збігаються у вузлі дорівнює нулю.

Друге правило Кірхгофа:

У будь-якому замкненому контурі розгалуженого кола алгебраїчна сума ЕРС дорівнює алгебраїчній сумі добутків струмів на опори відповідних ділянок цього контуру:

Із законів Кірхгофа випливає: опір кола з послідовно з’єднаними провідниками дорівнює сумі опорів окремих провідників (Рис.35):

При паралельному з’єднанні провідників (Рис.36):

Для зменшення опору кола в п разів паралельно до нього приєднують провідник малого опору (шунт):

Для вимірювання сили струму амперметр вмикають в коло послідовно із споживачем.

Для вимірювання напруги вольтметр вмикають в коло паралельно споживачеві.

5. Джерело́ стру́му або генератор струму — елемент електричного кола, який забезпечує в ньому протікання певного електричного струму. Інший термін — джерело напруги використовується для позначення елементу, який задає певне значення напруги.

Ідеальне джерело струму створює в електричному колі струм, який не залежить від навантаження і будь-яких зовнішніх умов. Такий елемент є абстракцією. Електрорушійна сила та внутрішній опір в такому ідеальному джерелі струму повинні бути нескінченними і пропорційними одне одному. Напруга на клемах ідеального джерела струму повністю визначається навантаженням:

U = IR,

де U — напруга, I — сила струму, R — електричний опір навантаження.

Реальні джерела струму характеризуються скінченними значеннями електрорушійної сили і внутрішнього опору.

Застосування:

Концепція генератора струму використовується для реальних електронних компонентів у вигляді еквівалентних схем. Еквівалентні схеми вводяться для опису активних елементів, що включають у себе керовані генератори струму:

• Генератор струму, керований напругою (ГСКН)
• Генератор струму, керований струмом (ГСКС)

Вона складається з шести свинцево-кислотних двовольтових акумуляторiв, з’єднаних мiж собою послiдовно, що забезпечує робочу напругу в колi 12 В. Бак акумуляторної батареї, який виготовляється з кислототривкої пластмаси або ебонiту, подiлено перегородками на шicть вiддiлень. На днi кожного вiддiлення є ребра (призми), на якi спираються пластини акумуляторiв.В акумулятори заливають електролiт, що складається з хiмiчно чистої сiрчаної кислоти (H2SO4) i дистильованої води.Електролiт готують у кислототривкiй посудинi (свинцевiй, керамiчнiй, пластмасовiй), вливаючи кислоту у воду. Заливати воду в кислоту не можна, оскiльки процес сполучення в цьому разi вiдбуватиметься на поверхнi, спричиняючи розбризкування кислоти, що може призвести до опiкiв тiла та зiпсувати одяг.Пiд час пропускання через батарею постiйного струму (заряджання) в акумуляторах вiдбувається перетворення електричної енергії на хiмiчну, що виражається в змiнi складу активної маси [на позитивних пластинах утворюється перекис свинцю (PbO2), а нанегативних - губчастий свинець (Pb)] та в збiльшеннi густини електролiту. Розряджання – зворотний хiмiчний процес, пiд час якого знижується густина електролiту, а активна маса на тих й iнших пластинах перетворюється на сiрчанокислий свинець (PbO4).Для «дихання» електролiту передбачено мiкропористий полiмерний полум’ягасник, що сполучає батарею з атмосферою.Акумулятор має оптичний визначник зарядженостi (сендикатор), який дає змогу дiагностувати стан батареї за кольором «вiчка». Зелене вiчко означає нормальне заряджання, чорне – знижене (потрiбне пiдзаряджання), жовте (свiтле) – необхiднicть замiни акумулятора.Генератор – основне джерело електричної енергії в автомобiлi – слугує для живлення вcix споживачiв i заряджання акумуляторної батареї при середнiй та великiй частотi обертання колiнчастого вала двигуна. На сучасних автомобiлях установлюються трифазнi генератори змiнного струму з випрямлячами на кремнiєвих дiодах (Г221 – ВАЗ, Г250-Ж1 – «Москвич», Г250-Н1 – ГАЗ-24, Г502-А – ЗАЗ).Генератор крiпиться до двигуна за допомогою нижнього кронштейна та верхньої натяжної планки з лiвого («Москвич») або з правого (ВАЗ, ГАЗ-24) боку. На автомобiлi ЗАЗ генератор установлюеться в розточцi напрямного апарата вентилятора й закрiплюеться вньому трьома болтами.Працює генератор так. Пicля вмикання запалювання струм вiд акумуляторної батареї надходить в обмотку збудження, встановлену на pотopi генератора. Пiд час обертання ротора його магнiтний потiк перетинає витки обмоток статора, й у них iндукується змiнний струм, який потiм випрямляється й подається в зовнiшнє коло.Коли напруга, яку виробляє генератор, перевищуватиме напругу акумуляторної батареї, струм вiд генератора пiде на заряджання батареї та живлення iнших споживачiв системи електрообладнання. В обмотку збудження генератора в цей час струм також надходить вiд генератора, а не вiд акумуляторної батареї.Напруга генератора зi збiльшенням частоти обертання колiнчастого вала двигуна i зв’язаного з ним ротора генератора зростає й може досягти значення, за якого порушується нормальна робота вcix приладiв електрообладнання. Для пiдтримання напруги генератора в певних межах на автомобiлях ВАЗ-2105 i «Москвич-2140» у кришку генератора з боку контактних кiлець вбудовано iнтегральний нерозбiрний регулятор напруги. Bci елементи регулятора змонтовано на металевiй основі, залито герметиком i закрито кришкою.Для з’єднання з генератором регулятор мaє два виводи – «В» та «Ш» у виглядi жорстких пластин. Мiнусовий затискач виведено через корпус регулятора на масу генератора. Конструкцiя щiткотримача й кришки така, що обидвi щiтки генератора iзольовано вiд маси.

6.Класична електронна теорія електропровідності металів і її дослідне обґрунтування. Виведення закону Ома в диференціальній формі із електронних представленьЧисленні експерименти з електрики, виконані різними вченими в XIX ст., дали багатий матеріал для створення науково обґрунтованої теорії електричної провідності металів.Перші досліди із з’ясування механізму електропровідності металів виконав Е. Рікке. В електричне коло постійного струму було увімкнено три послідовно з’єднані циліндри з хімічно чистих алюмінію і міді, які щільно притискувались один до одного

Через коло протягом року пропускали електричний струм. Через циліндри пройшов електричний заряд, що дорівнює 3,5. Проте ніяких ознак перенесення речовини (Cu, Al) не було виявлено. Це було експериментальним доказом того, що іони в металах не беруть участі в переносі електрики, а перенесення заряду в металах здійснюється частинками, які є загальними для усіх металів. Такими частинками можуть бути електрони.Для вивчення природи носіїв струму в металі Г. Лоренц запропонував такий дослід. Металевий стрижень С рухався поступально з швидкістю Внаслідок взаємодії з кристалічною ґраткою носії струму в провіднику теж рухались з швидкістю. Стрижень різко гальмувався і в момент гальмування замикався нерухомим металевим провідником В на гальванометр. Носії струму, які не зв’язані жорстко з кристалічною ґраткою, продовжували рухатись за інерцією доти, доки взаємодія з іонами ґратки не зупинить їх. У замкненому колі проходив короткочасний струм, який можна виявити за допомогою гальванометра G. За напрямком струму визначають знак рухомих зарядів. Цей дослід дав змогу визначити питомий заряд, де заряд носія струму, його маса.Л. Мандельштам і Н. Папалексі виконали такий дослід: взяли котушку з намотаним на неї дротом, кінці якої були з’єднані з нерухомою телефонною трубкою. При швидких крутильних коливаннях котушки навколо її осі в колі виникав змінний струм, що викликав тріск в телефонній трубці. Цей дослід підтвердив наявність носіїв струму в дроті. Проте він не дав змоги визначити напрямок струму і знак заряду.Т. Стюарт і Р. Толмен удосконалили цей дослід, замінивши телефон чутливим гальванометром. Дослід показав, що носії струму заряджені негативно. Відношення виявилось близьким до питомого заряду електрона. Отже, було експериментально доведено, що носіями струму в металах насправді є електрони. Класичну електронну теорію провідності металів створив П. Друде, а розвинув у своїх працях Г. Лоренц. Класична електронна теорія провідності металів, яка створена П. Друде і Г. Лоренцом, ґрунтується на таких фундаментальних положеннях:усі метали мають кристалічну будову. У вузлах кристалічної ґратки розміщаються іони металу;простір між вузлами кристалічної ґратки заповнений електронним газом, який утворюється валентними електронами, що порівняно слабко зв’язані з атомними ядрами і відриваються від атомів при утворенні кристалічної ґратки, вільні електрони рухаються хаотично між іонами металу;– в середньому кожен атом металу втрачає один електрон і концентрація електронів провідності в металах дорівнює кількості атомів в одиниці об’єму металу; до електронного газу в металах застосовані всі закони молекулярно-кінетичної теорії газів, тобто електронний газ розглядається як ідеальний газ. Під час руху електрони стикаються з іонами кристалічної ґратки металу. Середня довжина вільного пробігу електронів за порядком величини дорівнює періоду кристалічної ґратки, тобто.За теорією Друде – Лоренца електрони мають таку ж енергію теплового руху, як і молекули одноатомного газу. Середня швидкість теплового руху електронівПри Т = 300К, = 1,08.Тепловий рух електронів, який є хаотичним, не може привести до виникнення струму. При накладанні зовнішного електричного поля на металевий провідник, крім теплового руху електронів, виникає й впорядкований рух, тобто електричний струм. Середню швидкість впорядкованого руху електронів можна оцінити на основі формули:.Для міді допустима густина струмуНезначна величина пояснюється досить частими зіткненнями електронів з іонами кристалічної ґратки.Здавалось би, отриманий результат суперечить тому відомому факту, що швидкість поширення електричного струму величезна і дорівнює швидкості світла с. Швидкість с є швидкістю поширення електромагнітного поля вздовж провідника. Рух електронів під дією зовнішнього електричного поля виникає по всій довжині дроту практично одночасно з подачею сигналу.Найважливішим завданням класич- ної електронної теорії провідності металів є теоретичне виведення основних законів електричного струму, які були встановлені на досліді.

7.Зв'язок між теплопровідністю та електропровідністю металів (закон Відемана-Франца)

З досвіду відомо, що поряд з високою електропровідністю метали відрізняються також великою теплопровідністю. Відеман і Франц встановили в 1853 р. емпіричний закон, згідно з яким відношення коефіцієнта теплопровідності до коефіцієнта електропровідності для всіх металів приблизно однаково і змінюється пропорційно абсолютній температурі. Здатністю проводити тепло володіють і неметалічні кристали. Проте теплопровідність металів значно перевершує теплопровідність діелектриків. З цього можна зробити висновок, що теплопередача в металах здійснюється в основному не кристалічною решіткою, а електронами. Розглядаючи електрони як одноатомний газ, для коефіцієнта теплопровідності можна запозичувати вираз кінетичної теорії газу

де - щільність газу;. .

Тоді

(18.4)

Питома теплоємність одноатомного газу дорівнює

Підставляючи ці значення у вираз (18.4), отримаємо

Розділивши (18.5) на (18.3), маємо

Зробивши заміну приходимо до співвідношення

(18.6)

яке виражає закон Відемана-Франца, При T = 300 ° К для відносини виходить значення , дуже добре узгоджується з експериментальними даними.

8. Поняття вакууму. Коли говорять про вакуум, то мають на увазі високий вакуум. Для створення такого вакууму необхідне розрідження, за якого в газі, що залишився, середня довжина вільного пробігу молекул більша за розміри посудини або відстані між електродами в посудині. Отже, якщо в посудині створений вакуум, то молекули в ньому майже не стикаються між собою й пролітають вільно міжелектродний простір. При цьому вони зазнають зіткнення лише з електродами або зі стінками посудини.

Слід підкреслити, що навіть при досягненні високого вакууму, наприклад при р = 10-7 мм рт. ст., в 1 см3 газу ще міститься декілька мільярдів молекул. У наш час вдалося досягти надвисокого вакууму, за якого тиск повітря, яке залишилося в посудині, становить приблизно 10-12 мм рт. ст.

2. Умови існування струму у вакуумі. Коли в розрідженому газі молекул стає так мало, що вони пролітають між електродами, не зазнаючи зіткнення одна з одною, електричний струм можна здобути, лише вносячи в посудину джерело заряджених частинок. Частіше за все дія такого джерела заснована на властивості тіл, нагрітих до високої температури, випускати електрони. Цей процес називається термоелектронною емісією.

3.Явище термоелектронної емісії приводить до того, що нагрітий металевий електрод безперервно випускає електрони. Електрони утворюють навколо електрода електронну хмару. Електрод при цьому заряджається позитивно, й під впливом електричного поля зарядженої хмари електрони з хмари частково повертаються на електрод.

У рівноважному стані число електронів, які покинули електрод за секунду, дорівнює числу електронів, які повернулися на електрод за цей час.

У разі підключення електродів до джерела струму між ними виникає електричне поле. Під дією цього поля електрони покидають електронну хмару й рухаються від катода до анода. Електричне коло замикаяється, й у ньому встановлюється електричний струм.

4.Двоелектродна лампа. Найпростішим електронним приладом, в якому використовується явище термоелектронної емісії, являється двохелектродна електронна лампа – вакуумний діод. (мал.1)

мал.1

Сучасний вакуумний діод складається зі скляного або металокерамічного балона, з якого відкачане повітря до тиску 10-7 мм рт. ст. У балон упаяно два електроди, один із яких — катод — має вигляд вертикального металевого циліндра, виготовленого з вольфраму й покритого звичайно шаром оксидів лужноземельних металів. Усередині катода розташований ізольований провідник, що нагрівається змінним струмом. Нагрітий катод випускає електрони, які досягають анода. Анод лампи є круглим або овальним циліндром, що має загальну вісь із катодом.

Вольт-амперна характеристика діода. Властивості будь-якого

електронного пристрою відображає його вольт-амперна характеристика, тобто залежність сили струму від напруги на клемах цього пристрою.

мал.2

Із збільшенням анодної напруги все більше електронів, емітованих катодом, захоплюється електричним полем, і сила анодного струму різко зростає доти, поки напруга не досягне такого значення Uн, за якого всі емітовані катодом за одиницю анодного струму досягає максимального значення Ін, яку називають силою струму насичення, і подальше збільшення анодної напруги не веде до збільшення сили анодного струму. Анодна напруга Uн дістала назву напруги насичення.