Jaki jest warunek istnienia prądu elektrycznego w obwodzie. Warunki istnienia prądu stałego. W próżni i gazie

Prawo Ohma dla odcinka obwodu stwierdza: prąd jest wprost proporcjonalny do napięcia i odwrotnie proporcjonalny do rezystancji.

Jeśli zwiększysz napięcie działające w obwód elektryczny, wówczas prąd w tym obwodzie wzrośnie o tę samą wartość. A jeśli kilkakrotnie zwiększysz rezystancję obwodu, prąd zmniejszy się o tę samą wartość. Podobnie, im większe ciśnienie i mniejszy opór, jaki rura stawia ruchowi wody, tym większy przepływ wody w rurze.

Opór elektryczny - wielkość fizyczna, charakteryzujący właściwości przewodnika zapobiegające przejściu prąd elektryczny i równy stosunkowi napięcia na końcach przewodnika do płynącego przez niego prądu.

Każde ciało, przez które przepływa prąd elektryczny, stawia mu pewien opór.

Teoria elektronowa wyjaśnia istotę oporu elektrycznego przewodników metalowych. Wolne elektrony, poruszając się wzdłuż przewodnika, niezliczoną ilość razy napotykają na swojej drodze atomy i inne elektrony i wchodząc z nimi w interakcję, nieuchronnie tracą część swojej energii. Elektrony doświadczają pewnego rodzaju oporu w swoim ruchu. Różne przewodniki metalowe, mające różną budowę atomową, oferują różną odporność na prąd elektryczny.

Rezystancja przewodnika nie zależy od prądu w obwodzie i napięcia, ale zależy jedynie od kształtu, rozmiaru i materiału przewodnika.

Im większy opór przewodnika, tym gorzej przewodzi on prąd elektryczny i odwrotnie, im mniejszy jest opór przewodnika, tym łatwiej jest przez niego przepływać prąd elektryczny.

Pytanie 2. Pozorne ruchy ciał niebieskich. Prawa ruchu planet.

A) W ciemną noc możemy zobaczyć na niebie około 2500 gwiazd (w tym 5000 na niewidzialnej półkuli), które różnią się jasnością i kolorem. Wydają się być przywiązani do sfery niebieskiej i krążą wraz z nią wokół Ziemi. Aby poruszać się między nimi, niebo zostało podzielone na 88 konstelacji. Szczególne miejsce wśród konstelacji zajmowało 12 konstelacji zodiakalnych, przez które przechodzi roczna droga Słońca - ekliptyka. Aby poruszać się wśród gwiazd, astronomowie korzystają z różnych układów współrzędnych nieba. Jednym z nich jest równikowy układ współrzędnych (ryc. 15.1). Opiera się na równiku niebieskim – rzucie równika ziemskiego na sferę niebieską. Ekliptyka i równik przecinają się w dwóch punktach: równonocy wiosennej i jesiennej. Każda gwiazda ma dwie współrzędne: α – rektascencja (mierzona w jednostkach godzinowych), b – odchylenie (mierzona w stopniach). Gwiazda Altair ma następujące współrzędne: α = 19 h 48 m 18 s; b = +8° 44'. Zmierzone współrzędne gwiazd zapisywane są w katalogach i budowane z nich mapy gwiazd, z których astronomowie korzystają w poszukiwaniu niezbędnych źródeł światła. Względne położenie gwiazd na niebie nie zmienia się; obracają się one codziennie wraz ze sferą niebieską. Planety wraz z codzienną rotacją wykonują powolny ruch wśród gwiazd i nazywane są gwiazdami wędrującymi.

Pozorny ruch planet i Słońca został opisany przez Mikołaja Kopernika za pomocą geocentrycznego układu świata.

B) Ruch planet i innych ciał niebieskich wokół Słońca odbywa się zgodnie z trzema prawami Keplera:

Pierwsze prawo Keplera– pod wpływem grawitacji jedno ciało niebieskie porusza się w polu grawitacyjnym innego ciała niebieskiego po jednym z odcinków stożkowych – okręgu, elipsie, paraboli lub hiperboli.

Drugie prawo Keplera- każda planeta porusza się w taki sposób, że wektor promienia planety opisuje równe pola w równych odstępach czasu.

Trzecie prawo Keplera- sześcian półosi wielkiej orbity ciała podzielony przez kwadrat jego okresu obrotu i sumę mas ciał jest wartością stałą.

a 3 /[Т 2 *(M 1+ M 2) ] = G/4П 2 G – stała grawitacyjna.

Księżyc porusza się Ziemia na orbicie eliptycznej. Zmiana faz Księżyca wynika ze zmiany rodzaju oświetlenia po stronie Księżyca. Ruch Księżyca wokół Ziemi tłumaczy się zaćmieniami Księżyca i Słońca. Zjawisko przypływów i odpływów spowodowane jest przyciąganiem Księżyca i dużymi rozmiarami Ziemi.

Elektryczność. Prawo Ohma

Jeśli izolowany przewodnik zostanie umieszczony w polu elektrycznym, wówczas powstaną ładunki swobodne Q w przewodniku będzie działać siła, w wyniku czego nastąpi krótkotrwały ruch swobodnych ładunków w przewodniku. Proces ten zakończy się, gdy własne pole elektryczne ładunków powstających na powierzchni przewodnika całkowicie zrekompensuje pole zewnętrzne. Powstałe pole elektrostatyczne wewnątrz przewodnika będzie wynosić zero (patrz § 1.5).

Jednakże w przewodnikach pod pewnymi warunkami może wystąpić ciągły, uporządkowany ruch swobodnych nośników ładunku elektrycznego. Ten ruch nazywa się wstrząs elektryczny . Za kierunek przepływu prądu elektrycznego przyjmuje się kierunek ruchu dodatnich ładunków swobodnych. Aby w przewodniku mógł zaistnieć prąd elektryczny, musi wytworzyć się w nim pole elektryczne.

Ilościową miarą prądu elektrycznego jest obecna siła I – skalarna wielkość fizyczna równa stosunkowi ładunku Δ Q, przenoszony przez przekrój przewodu (rys. 1.8.1) w przedziale czasu Δ T, do tego przedziału czasowego:

W Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI) prąd mierzy się w amperach (A). Jednostka prądu 1 A jest ustalana w wyniku magnetycznego oddziaływania dwóch równoległych przewodników z prądem (patrz § 1.16).

Prąd elektryczny stały można wytworzyć tylko w zamknięty obwód , w którym nośniki ładunku bezpłatnego krążą po zamkniętych trajektoriach. Pole elektryczne w różnych punktach takiego obwodu jest stałe w czasie. Dlatego pole elektryczne w obwodzie prąd stały ma charakter zamrożonego pola elektrostatycznego. Kiedy jednak ładunek elektryczny porusza się w polu elektrostatycznym po zamkniętej drodze, praca wykonana przez siły elektryczne wynosi zero (patrz § 1.4). Dlatego dla istnienia prądu stałego konieczne jest posiadanie w obwodzie elektrycznym urządzenia, które jest w stanie wytworzyć i utrzymać różnice potencjałów w odcinkach obwodu w wyniku działania sił pochodzenia nieelektrostatycznego. Takie urządzenia nazywane są Źródła prądu stałego . Nazywa się siły pochodzenia nieelektrostatycznego działające na nośniki swobodnego ładunku ze źródeł prądu siły zewnętrzne .

Charakter sił zewnętrznych może być różny. W ogniwach lub bateriach galwanicznych powstają w wyniku procesów elektrochemicznych, w generatorach prądu stałego siły zewnętrzne powstają, gdy przewodniki poruszają się w polu magnetycznym. Źródło prądu w obwodzie elektrycznym pełni tę samą rolę, co pompa, która jest niezbędna do pompowania cieczy w obwodzie zamkniętym. system hydrauliczny. Pod wpływem sił zewnętrznych ładunki elektryczne przemieszczają się wewnątrz źródła prądu przeciwko siły pola elektrostatycznego, dzięki którym w obwodzie zamkniętym można utrzymać stały prąd elektryczny.

Gdy ładunki elektryczne poruszają się w obwodzie prądu stałego, pracę wykonują siły zewnętrzne działające wewnątrz źródeł prądu.

Wielkość fizyczna równa współczynnikowi pracy A siły zewnętrzne podczas przemieszczania ładunku Q od bieguna ujemnego źródła prądu do bieguna dodatniego do wielkości tego ładunku siła elektromotoryczna źródła(EMF):

Zatem pole elektromagnetyczne jest określane na podstawie pracy wykonanej przez siły zewnętrzne podczas przemieszczania pojedynczego ładunku dodatniego. Siłę elektromotoryczną, podobnie jak różnicę potencjałów, mierzy się w woltach (V).

Kiedy pojedynczy ładunek dodatni porusza się w zamkniętym obwodzie prądu stałego, praca wykonana przez siły zewnętrzne jest równa sumie siły elektromotorycznej działającej w tym obwodzie, a praca wykonana przez pole elektrostatyczne wynosi zero.

Obwód prądu stałego można podzielić na osobne sekcje. Nazywa się obszary, w których nie działają żadne siły zewnętrzne (tj. obszary, w których nie znajdują się źródła prądu). jednorodny . Obszary zawierające źródła prądu nazywane są heterogeniczny .

Kiedy pojedynczy ładunek dodatni przemieszcza się wzdłuż określonej części obwodu, pracę wykonują zarówno siły elektrostatyczne (kulombowskie), jak i zewnętrzne. Praca sił elektrostatycznych jest równa różnicy potencjałów Δφ 12 = φ 1 – φ 2 pomiędzy początkowym (1) i końcowym (2) punktem niejednorodnego przekroju. Praca sił zewnętrznych jest z definicji równa sile elektromotorycznej 12 działającej na danym obszarze. Zatem całkowita praca jest równa

Niemiecki fizyk G. Ohm w 1826 roku eksperymentalnie ustalił, że obecna siła I, płynący wzdłuż jednorodnego metalowego przewodnika (tj. przewodnika, w którym nie działają żadne siły zewnętrzne), jest proporcjonalny do napięcia U na końcach przewodu:

Gdzie R= stała

Rozmiar R zwykle tzw opór elektryczny . Nazywa się przewodnik posiadający opór elektryczny rezystor . Ten stosunek wyraża Prawo Ohma dla jednorodnego odcinka łańcucha: Prąd w przewodniku jest wprost proporcjonalny do przyłożonego napięcia i odwrotnie proporcjonalny do rezystancji przewodnika.

Jednostką SI oporu elektrycznego przewodników jest om (Om). Rezystancja 1 oma ma odcinek obwodu, w którym przy napięciu 1 V płynie prąd o natężeniu 1 A.

Nazywa się przewodniki przestrzegające prawa Ohma liniowy . Graficzna zależność siły prądu I od napięcia U(takie wykresy nazywane są charakterystyka woltoamperowa , w skrócie CVC) jest przedstawiana jako linia prosta przechodząca przez początek współrzędnych. Należy zauważyć, że istnieje wiele materiałów i urządzeń, które nie spełniają prawa Ohma, na przykład dioda półprzewodnikowa lub lampa wyładowcza. Nawet w przypadku przewodników metalowych przy wystarczająco wysokich prądach obserwuje się odchylenie od liniowego prawa Ohma, ponieważ opór elektryczny przewodników metalowych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

Dla części obwodu zawierającej SEM prawo Ohma zapisuje się w następującej formie:

Zgodnie z prawem Ohma

Dodając obie równości otrzymujemy:

I (R + R) = Δφ płyta CD + Δφ ok + .

Ale Δφ płyta CD = Δφ ba = – Δφ ok. Dlatego

Ta formuła wyrazi Prawo Ohma dla pełnego obwodu : natężenie prądu w pełnym obwodzie jest równe sile elektromotorycznej źródła podzielonej przez sumę rezystancji jednorodnych i niejednorodnych odcinków obwodu.

Opór R obszar heterogeniczny na rys. 1.8.2 można uznać za rezystancja wewnętrzna źródła prądu . W tym przypadku obszar ( ok) na ryc. 1.8.2 to wewnętrzna część źródła. Jeśli punkty A I B zwarcie z przewodnikiem, którego rezystancja jest mała w porównaniu z rezystancją wewnętrzną źródła ( R << R), wówczas łańcuch będzie płynął prąd zwarcia

Prąd zwarciowy – maksymalny prąd, jaki można uzyskać z danego źródła przy sile elektromotorycznej i oporze wewnętrznym R. W przypadku źródeł o niskiej rezystancji wewnętrznej prąd zwarciowy może być bardzo wysoki i spowodować zniszczenie obwodu elektrycznego lub źródła. Na przykład akumulatory kwasowo-ołowiowe stosowane w samochodach mogą wykazywać prądy zwarciowe rzędu kilkuset amperów. Szczególnie niebezpieczne są zwarcia w sieciach oświetleniowych zasilanych z podstacji (tysiące amperów). Aby uniknąć destrukcyjnego działania tak dużych prądów, w obwodzie znajdują się bezpieczniki lub specjalne wyłączniki automatyczne.

W niektórych przypadkach, aby zapobiec niebezpiecznym wartościom prądu zwarciowego, do źródła podłącza się szeregowo rezystancję zewnętrzną. Potem opór R jest równa sumie rezystancji wewnętrznej źródła i rezystancji zewnętrznej, a podczas zwarcia natężenie prądu nie będzie zbyt duże.

Jeżeli obwód zewnętrzny jest otwarty, wówczas Δφ ba = – Δφ ok= , tj. różnica potencjałów na biegunach otwartej baterii jest równa jej sile emf.

Jeśli rezystancja obciążenia zewnętrznego R jest włączony i przez akumulator przepływa prąd I, różnica potencjałów na jego biegunach staje się równa

Δφ ba = – Ir.

Na ryc. 1.8.3 pokazuje schematyczne przedstawienie źródła prądu stałego o równym emf i rezystancji wewnętrznej R w trzech trybach: „bieg jałowy”, praca pod obciążeniem i tryb zwarciowy (zwarcie). Wskazano natężenie pola elektrycznego wewnątrz akumulatora oraz siły działające na ładunki dodatnie: – siłę elektryczną i – siłę zewnętrzną. W trybie zwarciowym pole elektryczne wewnątrz akumulatora zanika.

Do pomiaru napięć i prądów w obwodach elektrycznych prądu stałego stosuje się specjalne przyrządy - woltomierze I amperomierze.

Woltomierz przeznaczony do pomiaru różnicy potencjałów przyłożonej do jego zacisków. Łączy równoległy odcinek obwodu, w którym mierzona jest różnica potencjałów. Każdy woltomierz ma pewien opór wewnętrzny RB. Aby woltomierz po podłączeniu do mierzonego obwodu nie powodował zauważalnej redystrybucji prądów, jego rezystancja wewnętrzna musi być duża w porównaniu z rezystancją odcinka obwodu, do którego jest podłączony. Dla obwodu pokazanego na rys. 1.8.4, warunek ten zapisano jako:

RB >> R 1 .

Warunek ten oznacza, że ​​prąd ja B = Δφ płyta CD / RB przepływający przez woltomierz jest znacznie mniejszy niż prąd I = Δφ płyta CD / R 1, który przepływa przez badany odcinek obwodu.

Ponieważ wewnątrz woltomierza nie działają żadne siły zewnętrzne, różnica potencjałów na jego zaciskach z definicji pokrywa się z napięciem. Dlatego możemy powiedzieć, że woltomierz mierzy napięcie.

Amperomierz przeznaczony do pomiaru prądu w obwodzie. Amperomierz jest podłączony szeregowo do obwodu otwartego, tak że cały mierzony prąd przepływa przez niego. Amperomierz ma również pewien opór wewnętrzny R A. W przeciwieństwie do woltomierza, rezystancja wewnętrzna amperomierza musi być dość mała w porównaniu z całkowitą rezystancją całego obwodu. Dla obwodu z rys. 1.8.4 Rezystancja amperomierza musi spełniać warunek

Warunki istnienia prądu stałego.

Aby istniał stały prąd elektryczny, konieczna jest obecność swobodnie naładowanych cząstek i obecność źródła prądu. w którym dowolny rodzaj energii jest zamieniany na energię pola elektrycznego.

Obecne źródło- urządzenie, w którym dowolny rodzaj energii zamienia się na energię pola elektrycznego. W źródle prądu siły zewnętrzne działają na naładowane cząstki w obwodzie zamkniętym. Przyczyny występowania sił zewnętrznych w różnych źródłach prądu są różne. Np. w bateriach i ogniwach galwanicznych siły zewnętrzne powstają na skutek zachodzenia reakcji chemicznych, w generatorach elektrowni powstają, gdy przewodnik porusza się w polu magnetycznym, w fotokomórkach – gdy światło oddziałuje na elektrony w metalach i półprzewodnikach.

Siła elektromotoryczna źródła prądujest stosunkiem pracy sił zewnętrznych do ilości ładunku dodatniego przeniesionego z bieguna ujemnego źródła prądu do dodatniego.

Podstawowe koncepcje.

Aktualna siła- skalarna wielkość fizyczna równa stosunkowi ładunku przechodzącego przez przewodnik do czasu, w którym ładunek ten przepływał.

Gdzie I - siła prądu,Q - wysokość opłaty (ilość prądu),T - nalicz czas tranzytu.

Gęstość prądu- wektorowa wielkość fizyczna równa stosunkowi prądu do powierzchni Przekrój konduktor.

Gdzie J -gęstość prądu, S - pole przekroju poprzecznego przewodnika.

Kierunek wektora gęstości prądu pokrywa się z kierunkiem ruchu cząstek naładowanych dodatnio.

Napięcie - skalarna wielkość fizyczna równa stosunkowi całkowitej pracy Coulomba i sił zewnętrznych podczas przemieszczania ładunku dodatniego w obszarze do wartości tego ładunku.

GdzieA - całkowita praca sił zewnętrznych i kulombowskich,Q - ładunek elektryczny.

Opór elektryczny- wielkość fizyczna charakteryzująca właściwości elektryczne odcinka obwodu.

Gdzie ρ - rezystancja właściwa przewodnika,l - długość odcinka przewodu,S - pole przekroju poprzecznego przewodnika.

Przewodnośćzwane wzajemnym oporem

GdzieG - przewodność.

Nie sposób wyobrazić sobie życia bez prądu nowoczesny mężczyzna. Wolty, ampery, waty – te słowa można usłyszeć, gdy mówimy o urządzeniach zasilanych energią elektryczną. Czym jednak jest prąd elektryczny i jakie są warunki jego istnienia? Porozmawiamy o tym dalej, przedstawiając krótkie wyjaśnienie dla początkujących elektryków.

Definicja

Prąd elektryczny to ukierunkowany ruch nośników ładunku – to standardowe sformułowanie z podręcznika fizyki. Z kolei nośniki ładunku nazywane są pewnymi cząstkami materii. Mogą być:

• Elektrony są nośnikami ładunku ujemnego.
• Jony są nośnikami ładunku dodatniego.

Ale skąd pochodzą nośniki ładunku? Aby odpowiedzieć na to pytanie, trzeba pamiętać o podstawowej wiedzy o budowie materii. Wszystko, co nas otacza, jest materią; składa się z cząsteczek, najmniejszych cząstek. Cząsteczki składają się z atomów. Atom składa się z jądra, wokół którego elektrony poruszają się po określonych orbitach. Cząsteczki również poruszają się losowo. Ruch i struktura każdej z tych cząstek zależy od samej substancji i wpływu na nią środowisko takie jak temperatura, napięcie itp.

Jon to atom, którego stosunek elektronów i protonów uległ zmianie. Jeśli atom jest początkowo obojętny, wówczas jony z kolei dzielą się na:

• Anion to dodatni jon atomu, który utracił elektrony.
• Kationy to atom z „dodatkowymi” elektronami przyłączonymi do atomu.

Jednostką pomiaru prądu jest amper, według którego oblicza się go za pomocą wzoru:

gdzie U to napięcie, [V], a R to rezystancja, [Ohm].

Lub wprost proporcjonalna do ilości ładunku przeniesionego w jednostce czasu:

gdzie Q – ładunek, [C], t – czas, [s].

Warunki istnienia prądu elektrycznego

Ustaliliśmy, czym jest prąd elektryczny, teraz porozmawiajmy o tym, jak zapewnić jego przepływ. Aby prąd elektryczny mógł płynąć, muszą zostać spełnione dwa warunki:

1. Obecność przewoźników bezpłatnych.
2. Pole elektryczne.

Pierwszy warunek istnienia i przepływu prądu elektrycznego zależy od substancji, w której prąd płynie (lub nie płynie), a także od jego stanu. Możliwy jest również drugi warunek: dla istnienia pola elektrycznego wymagana jest obecność różnych potencjałów, pomiędzy którymi znajduje się ośrodek, w którym będą przepływać nośniki ładunku.

Przypomnijmy: Napięcie, pole elektromagnetyczne to różnica potencjałów. Wynika z tego, że aby spełnić warunki istnienia prądu - obecność pola elektrycznego i prądu elektrycznego, potrzebne jest napięcie. Mogą to być płytki naładowanego kondensatora, element galwaniczny, pole elektromagnetyczne generowane pod wpływem pole magnetyczne(generator).

Ustaliliśmy, jak powstaje, porozmawiajmy o tym, dokąd jest skierowany. Prąd, głównie w naszym codziennym użyciu, płynie w przewodnikach (instalacja elektryczna w mieszkaniu, żarówki) lub w półprzewodnikach (diody LED, procesor smartfona i inna elektronika), rzadziej w gazach (lampy fluorescencyjne).

Zatem głównymi nośnikami ładunku są w większości przypadków elektrony; przemieszczają się one od minus (punkt o potencjale ujemnym) do plusa (punkt o potencjale dodatnim, dowiesz się więcej na ten temat poniżej).

Ciekawostką jest jednak to, że za kierunek ruchu prądu przyjęto ruch ładunków dodatnich - od plusa do minusa. Chociaż tak naprawdę wszystko dzieje się na odwrót. Faktem jest, że decyzję o kierunku prądu podjęto przed zbadaniem jego natury, a także zanim ustalono, w jaki sposób prąd płynie i istnieje.

Prąd elektryczny w różnych środowiskach

Wspomnieliśmy już, że w różnych środowiskach prąd elektryczny może różnić się rodzajem nośników ładunku. Media można podzielić ze względu na charakter ich przewodności (w malejącej kolejności przewodności):

1. Przewodnik (metale).
2. Półprzewodnik (krzem, german, arsenek galu itp.).
3. Dielektryk (próżnia, powietrze, woda destylowana).

W metalach

Metale zawierają wolne nośniki ładunku, czasami nazywane są „gazem elektrycznym”. Skąd pochodzą przewoźnicy bezpłatnie? Faktem jest, że metal, jak każda substancja, składa się z atomów. Atomy poruszają się lub wibrują w ten czy inny sposób. Im wyższa temperatura metalu, tym silniejszy jest ten ruch. Jednocześnie same atomy ogólna perspektywa pozostają na swoich miejscach, faktycznie tworząc strukturę metalu.

W powłokach elektronowych atomu znajduje się zwykle kilka elektronów, których połączenie z jądrem jest raczej słabe. Pod wpływem temperatur, reakcji chemicznych i interakcji zanieczyszczeń, które tak czy inaczej znajdują się w metalu, elektrony są odrywane od ich atomów i powstają dodatnio naładowane jony. Odłączone elektrony nazywane są swobodnymi i poruszają się chaotycznie.

Jeśli na nie oddziałuje pole elektryczne, na przykład, jeśli podłączysz baterię do kawałka metalu, chaotyczny ruch elektronów stanie się uporządkowany. Elektrony z punktu, w którym podłączony jest potencjał ujemny (na przykład katoda ogniwa galwanicznego) zaczną przemieszczać się w kierunku punktu z potencjałem dodatnim.

W półprzewodnikach

Półprzewodniki to materiały, w których w stanie normalnym nie ma wolnych nośników ładunku. Znajdują się w tzw. strefie zabronionej. Jeśli jednak przyłożone zostaną siły zewnętrzne, takie jak pole elektryczne, ciepło, różne promieniowanie (światło, promieniowanie itp.), pokonują one pasmo wzbronione i przemieszczają się do wolnej strefy lub pasma przewodnictwa. Elektrony odrywają się od swoich atomów i stają się wolne, tworząc jony – nośniki ładunku dodatniego.

Dodatnie nośniki w półprzewodnikach nazywane są dziurami.

Jeśli po prostu przeniesiesz energię do półprzewodnika, na przykład podgrzejesz go, rozpocznie się chaotyczny ruch nośników ładunku. Ale jeśli mówimy o elementach półprzewodnikowych, takich jak dioda lub tranzystor, wówczas na przeciwległych końcach kryształu pojawi się pole elektromagnetyczne (nakładana jest na nie metalizowana warstwa i lutowane przewody), ale nie dotyczy to temat dzisiejszego artykułu.

Jeśli do półprzewodnika przyłożymy źródło pola elektromagnetycznego, wówczas nośniki ładunku również przesuną się do pasma przewodnictwa i rozpocznie się także ich ruch kierunkowy - dziury będą przemieszczać się w kierunku o niższym potencjale elektrycznym, a elektrony - w kierunku o mniejszym potencjale elektrycznym. wyższy.

W próżni i gazie

Próżnia to ośrodek, w którym występuje całkowity (w idealnym przypadku) brak gazów lub ich minimalna (w rzeczywistości) ilość. Ponieważ w próżni nie ma materii, nie ma miejsca, z którego mogłyby pochodzić nośniki ładunku. Jednak przepływ prądu w próżni zapoczątkował elektronikę i całą erę elementy elektroniczne– elektryczne lampy próżniowe. Zaczęto je stosować w pierwszej połowie ubiegłego wieku, a w latach 50. zaczęły stopniowo ustępować miejsca tranzystorom (w zależności od konkretnej dziedziny elektroniki).

Załóżmy, że mamy naczynie, z którego wypompowano cały gaz, tj. panuje w nim kompletna próżnia. W naczyniu umieszczone są dwie elektrody, nazwijmy je anodą i katodą. Jeśli połączymy ujemny potencjał źródła pola elektromagnetycznego z katodą i dodatni potencjał z anodą, nic się nie stanie i nie będzie płynął żaden prąd. Ale jeśli zaczniemy podgrzewać katodę, prąd zacznie płynąć. Proces ten nazywany jest emisją termionową – emisją elektronów z ogrzanej powierzchni elektronowej.

Rysunek przedstawia proces przepływu prądu w lampie próżniowej. W lampach próżniowych katoda jest podgrzewana przez pobliski żarnik na rysunku (H), na przykład w lampie oświetleniowej.

Jednocześnie, jeśli zmienisz polaryzację zasilania - przyłóż minus do anody, a plus do katody - prąd nie będzie płynął. To udowodni, że prąd w próżni płynie w wyniku ruchu elektronów z KATODY do ANODY.

Gaz, jak każda substancja, składa się z cząsteczek i atomów, co oznacza, że ​​jeśli gaz znajdzie się pod wpływem pola elektrycznego, to przy określonej sile (napięcie jonizacji) elektrony oderwą się od atomu, wówczas oba warunki przepływu prądu elektrycznego zostanie zaspokojone – media polowe i wolne.

Jak już wspomniano, proces ten nazywa się jonizacją. Może to nastąpić nie tylko w wyniku przyłożonego napięcia, ale także w wyniku podgrzania gazu, promieniowania rentgenowskiego, pod wpływem promieniowania ultrafioletowego i innych rzeczy.

Prąd będzie płynął przez powietrze, nawet jeśli pomiędzy elektrodami zainstalowany jest palnik.

Przepływowi prądu w gazach obojętnych towarzyszy luminescencja gazu, w której zjawisko to jest aktywnie wykorzystywane świetlówki. Przepływ prądu elektrycznego w ośrodku gazowym nazywany jest wyładowaniem gazowym.

W płynie

Załóżmy, że mamy naczynie z wodą, w którym umieszczone są dwie elektrody, do których podłączone jest źródło prądu. Jeśli woda jest destylowana, to znaczy czysta i nie zawiera zanieczyszczeń, to jest dielektrykiem. Ale jeśli dodamy do wody trochę soli, kwasu siarkowego lub innej substancji, powstaje elektrolit i zaczyna przez niego płynąć prąd.

Elektrolit to substancja przewodząca prąd elektryczny w wyniku dysocjacji na jony.

Jeśli dodasz siarczan miedzi do wody, na jednej z elektrod (katody) odłoży się warstwa miedzi - nazywa się to elektrolizą, co świadczy o tym, że prąd elektryczny w cieczy odbywa się w wyniku ruchu jonów - dodatnich i ujemnych nośniki ładunku.

Elektroliza to proces fizyczny i chemiczny polegający na oddzieleniu na elektrodach składników tworzących elektrolit.

W ten sposób następuje miedziowanie, złocenie i powlekanie innymi metalami.

Wniosek

Podsumowując, aby płynął prąd elektryczny, potrzebne są swobodne nośniki ładunku:

• elektrony w przewodnikach (metalach) i próżni;
• elektrony i dziury w półprzewodnikach;
• jony (aniony i kationy) w cieczach i gazach.

Aby ruch tych nośników był uporządkowany potrzebne jest pole elektryczne. W prostych słowach- przyłożyć napięcie do końcówek korpusu lub zainstalować dwie elektrody w środowisku, w którym powinien płynąć prąd elektryczny.

Warto również zauważyć, że prąd wpływa na substancję w określony sposób, istnieją trzy rodzaje wpływu:

• termiczny;
• chemiczny;
• fizyczny.

Użyteczne

Sekcje: Fizyka

Cele Lekcji.

Edukacyjny:

pogłębianie wiedzy uczniów na temat warunków występowania i istnienia prądu elektrycznego.

Rozwojowy:

rozwój logicznego myślenia, uwagi, umiejętności wykorzystania zdobytej wiedzy w praktyce.

Edukacyjny:

tworzenie warunków do przejawu niezależności, uważności i poczucia własnej wartości.

Sprzęt.

1. Ogniwa galwaniczne, bateria, generator, kompas.
2. Karty (w załączeniu).
3. Materiał demonstracyjny (portrety wybitnych fizyków Ampere, Volta; plakaty „Elektryczność”, „Ładunki elektryczne”).

Dema:

1. Wpływ prądu elektrycznego w przewodniku na igłę magnetyczną.
2. Źródła prądu: ogniwa galwaniczne, akumulator, generator.

Plan lekcji

1. Moment organizacyjny.

2. Mowa wprowadzająca nauczyciela.

3. Przygotowanie do percepcji nowego materiału.

4. Studiowanie nowego materiału.

a) źródła prądu;

b) działanie prądu elektrycznego;

c) operetka fizyczna „Queen Electricity”;

d) wypełnienie tabeli „Prąd elektryczny”;

e) środki bezpieczeństwa podczas pracy z urządzeniami elektrycznymi.

5. Podsumowanie lekcji.

6. Refleksja.

7. Praca domowa:

a) W oparciu o wiedzę zdobytą na lekcjach bezpieczeństwa życia, technologii specjalnych przygotuj i zapisz w zeszycie notatkę „Środki bezpieczeństwa podczas pracy z urządzeniami elektrycznymi”

b) Zadanie indywidualne: Przygotowanie raportu na temat wykorzystania źródła prądu w życiu codziennym i technologii.

Podsumowanie lekcji

1. Moment organizacyjny

Zwróć uwagę na obecność uczniów, podaj temat lekcji, cel.

2. Mowa wprowadzająca nauczyciela

Terminy elektryczność i prąd elektryczny znamy od wczesnego dzieciństwa. Prąd elektryczny wykorzystujemy w naszych domach, w transporcie, w produkcji i w sieci oświetleniowej.

Ale czym jest prąd elektryczny i jaka jest jego natura, nie jest łatwo zrozumieć.

Słowo elektryczność pochodzi od słowa elektron, które z języka greckiego tłumaczy się jako bursztyn. Bursztyn to skamieniała żywica starożytnych drzew iglastych. Słowo prąd oznacza przepływ lub ruch czegoś.

3. Przygotowanie do percepcji nowego materiału

Pytania wprowadzające do rozmowy.

Jakie dwa rodzaje ładunków występują w przyrodzie? Jak wchodzą w interakcję?

Odpowiedź: W przyrodzie występują dwa rodzaje ładunków: dodatnie i ujemne.

Nośnikami ładunku dodatniego są protony, nośnikami ładunku ujemnego są elektrony. Prawdopodobnie naładowane cząstki odpychają się, w przeciwieństwie do cząstek naładowanych, które przyciągają

Czy wokół elektronu istnieje pole elektryczne?

Odpowiedź: Tak, wokół elektronu istnieje pole elektryczne.

Co to są wolne elektrony?

Odpowiedź: Są to elektrony znajdujące się najdalej od jądra; mogą one swobodnie przemieszczać się pomiędzy atomami.

4. Nauka nowego materiału

a) Źródła aktualne.

Na stole znajdują się specjalne urządzenia. Jak się nazywają? Do czego są potrzebne?

Odpowiedź: Są to ogniwa galwaniczne, akumulator, generator - ogólna nazwa to źródła prądu. Są niezbędne do dostarczania energii elektrycznej i wytwarzania pola elektrycznego w przewodniku.

Wiemy, że istnieją naładowane cząstki, elektrony i protony, wiemy, że istnieją urządzenia zwane źródłami prądu.

b) Działanie prądu elektrycznego.

Powiedz mi, jak możemy zrozumieć, że w obwodzie płynie prąd elektryczny i jakie działania?

Odpowiedź: Prąd elektryczny ma różne rodzaje skutków:

• Termiczny - przewodnik, przez który przepływa prąd elektryczny, nagrzewa się (kuchenka elektryczna, żelazko, lampa żarowa, lutownica).
• Działanie chemiczne prądu można zaobserwować podczas przepuszczania prądu elektrycznego przez roztwór siarczanu miedzi - oddzielanie miedzi od roztworu witriolu, chromowanie, niklowanie.
• Fizjologiczne - skurcze mięśni ludzkich i zwierzęcych, przez które przeszedł prąd elektryczny.
• Magnetyczny - gdy prąd elektryczny przepływa przez przewodnik, jeśli w pobliżu zostanie umieszczona igła magnetyczna, może się ona odchylić. Ta czynność jest podstawowa. Demonstracja doświadczenia: bateria, żarówka, przewody łączące, kompas.

c) Operetka fizyczna „Królowa elektryczności”. (Załącznik nr 1)

Teraz starsze dziewczęta zaprezentują Państwu operetkę „Królowa elektryczności”. Nie zapominajmy o rosyjskim przysłowiu ludowym „Bajka to kłamstwo, ale jest w niej podpowiedź, lekcja dla dobrych ludzi”. Oznacza to, że nie tylko słuchasz i oglądasz, ale także wyciągasz z tego pewne informacje. Twoim zadaniem jest zapisanie jak największej liczby terminów fizycznych występujących w prezentacji.

d) Wypełnienie tabeli „Prąd elektryczny”. (Załącznik nr 2)

Powiedz mi, jaka koncepcja łączy wszystkie terminy, które zapisałeś?

Odpowiedź: Prąd elektryczny.

Zacznijmy wypełniać tabelę „Prąd elektryczny”.

Wypełniając tabelę, podsumujmy wiedzę zdobytą na lekcji i zdobądźmy nowe informacje.

Wypełniając tabelę, stwierdzamy, jakie warunki są niezbędne do wytworzenia prądu elektrycznego.

• Pierwszym warunkiem jest obecność swobodnie naładowanych cząstek.
• Drugim warunkiem jest obecność pola elektrycznego wewnątrz przewodnika.

e) Środki bezpieczeństwa podczas pracy z urządzeniami elektrycznymi.

Gdzie w praktyce produkcyjnej spotykasz się z wykorzystaniem prądu elektrycznego? Odpowiedzi studentów.

Odpowiedź: Podczas pracy z urządzeniami elektrycznymi.

Zabroniony.

• Chodź po ziemi, trzymając w rękach podłączone do prądu urządzenia elektryczne. Szczególnie niebezpieczne jest chodzenie boso po mokrej ziemi.
• Wejdź do rozdzielnic i innych pomieszczeń elektrycznych.
• Uchwyt uszkodzonych, odsłoniętych, wiszących lub leżących na ziemi przewodów.
• Wbij gwoździe w ścianę w miejscach, gdzie mogą znajdować się ukryte przewody. Uziemienie od grzejników centralnego ogrzewania lub wodociągu jest w tym momencie śmiertelnie niebezpieczne.
• Wywiercić otwory w ścianach w miejscach, w których mogą znajdować się przewody elektryczne.
• Maluj, wybielaj, myj ściany za pomocą zewnętrznego lub ukrytego okablowania pod napięciem.
• Pracuj przy włączonych urządzeniach elektrycznych w pobliżu akumulatorów lub rur wodociągowych.
• Pracuj przy urządzeniach elektrycznych, wymieniaj żarówki stojąc w łazience.
• Pracuj z uszkodzonymi urządzeniami elektrycznymi.
• Naprawiaj urządzenia elektryczne, które nie są zasilane.

5. Podsumowanie lekcji

Zgodnie z prawami fizyki czas płynie nieubłaganie do przodu, a nasza lekcja doszła do logicznego zakończenia.

Podsumujmy naszą lekcję.

Jak myślisz, czym jest prąd elektryczny?

Odpowiedź: Prąd elektryczny to ukierunkowany ruch naładowanych cząstek.

Jakie warunki są niezbędne do wytworzenia prądu elektrycznego?

Odpowiedź: Pierwszym warunkiem jest obecność swobodnie naładowanych cząstek.

Drugim warunkiem jest obecność pola elektrycznego wewnątrz przewodnika.

6. Refleksja

7. Praca domowa

a) W oparciu o wiedzę zdobytą na lekcjach bezpieczeństwa życia i technologii specjalnych przygotuj i zapisz w zeszycie notatkę „Środki bezpieczeństwa podczas pracy z urządzeniami elektrycznymi”.

b) Zadanie indywidualne: Przygotowanie raportu na temat wykorzystania źródła prądu w życiu codziennym i technologii. (

Ukierunkowany (uporządkowany) ruch swobodnych naładowanych cząstek pod wpływem pola elektrycznego nazywany jest prądem elektrycznym.

Warunki istnienia prądu:

1. Obecność bezpłatnych opłat.

2. Obecność pola elektrycznego, tj. potencjalne różnice. W przewodnikach znajdują się bezpłatne ładunki. Pole elektryczne jest wytwarzane przez źródła prądu.

Gdy prąd przepływa przez przewodnik, ma to następujące skutki:

· Termiczne (nagrzewanie przewodnika prądem). Na przykład: obsługa czajnika elektrycznego, żelazka itp.).

· Magnetyczne (pojawienie się pola magnetycznego wokół przewodnika, w którym płynie prąd). Na przykład: działanie silnika elektrycznego, elektryczne przyrządy pomiarowe).

· Chemiczne (reakcje chemiczne, gdy prąd przepływa przez określone substancje). Na przykład: elektroliza.

Możemy też porozmawiać

· Światło (towarzyszy działaniu termicznemu). Na przykład: blask żarnika żarówki elektrycznej.

· Mechaniczne (w połączeniu z magnetycznym lub termicznym). Na przykład: odkształcenie przewodnika po podgrzaniu, obrót ramy pod wpływem prądu w polu magnetycznym).

· Biologiczne (fizjologiczne). Na przykład: porażenie prądem elektrycznym, wykorzystanie prądu elektrycznego w medycynie.

Podstawowe wielkości opisujące proces przepływu prądu przez przewodnik.

1. Aktualna siła I- wielkość skalarna równa stosunkowi ładunku przechodzącego przez przekrój przewodnika do okresu czasu, w którym płynął prąd. Natężenie prądu pokazuje, ile ładunku przechodzi przez przekrój przewodnika w jednostce czasu. Prąd nazywa się stały, jeśli prąd nie zmienia się w czasie. Aby prąd płynący przez przewodnik był stały, konieczne jest, aby różnica potencjałów na końcach przewodnika była stała.

2. Napięcie U. Napięcie jest liczbowo równe pracy pola elektrycznego podczas przemieszczania jednostkowego ładunku dodatniego wzdłuż linii pola wewnątrz przewodnika.

3. Opór elektryczny R- wielkość fizyczna liczbowo równa stosunkowi napięcia (różnicy potencjałów) na końcach przewodnika do natężenia prądu przepływającego przez przewodnik.

60. Prawo Ohma dla odcinka obwodu.

Natężenie prądu w odcinku obwodu jest wprost proporcjonalne do napięcia na końcach tego przewodnika i odwrotnie proporcjonalne do jego rezystancji:

ja = U/R;

Ohm ustalił, że rezystancja jest wprost proporcjonalna do długości przewodnika i odwrotnie proporcjonalna do jego pola przekroju poprzecznego i zależy od substancji przewodnika.

gdzie ρ to rezystywność, l to długość przewodnika, S to pole przekroju poprzecznego przewodnika.

61. Rezystancja jako charakterystyka elektryczna rezystora. Zależność rezystancji przewodników metalowych od rodzaju materiału i wymiarów geometrycznych.

Opór elektryczny- wielkość fizyczna charakteryzująca właściwości przewodnika zapobiegająca przepływowi prądu elektrycznego i równa stosunkowi napięcia na końcach przewodnika do natężenia przepływającego przez niego prądu. Rezystancja dla obwodów prąd przemienny a dla zmiennego pola elektromagnetycznego opisuje się pojęciami impedancji i oporu falowego.

Rezystancję (często oznaczaną literą R lub r) uważa się, w pewnych granicach, za stałą wartość dla danego przewodnika; można to obliczyć jako

Gdzie R jest oporem; U jest różnicą potencjałów elektrycznych na końcach przewodnika; I jest natężeniem prądu przepływającego pomiędzy końcami przewodnika pod wpływem różnicy potencjałów.

Opór przewodnika jest tą samą cechą przewodnika, co jego masa. Rezystancja przewodnika nie zależy ani od prądu w przewodniku, ani od napięcia na jego końcach, ale zależy jedynie od rodzaju substancji, z której przewodnik jest wykonany i jego wymiarów geometrycznych: , gdzie: l to długość przewodnika, S to pole przekroju poprzecznego przewodnika, ρ to rezystywność przewodnika, pokazująca, jaki opór ma przewodnik o długości 1 m i polu przekroju poprzecznego ​1 m2 wykonany z danego materiału będzie miał.

Przewodniki przestrzegające prawa Ohma nazywane są liniowymi. Istnieje wiele materiałów i urządzeń, które nie podlegają prawu Ohma, na przykład dioda półprzewodnikowa lub lampa wyładowcza. Nawet w przypadku przewodników metalowych przy wystarczająco wysokich prądach obserwuje się odchylenie od liniowego prawa Ohma, ponieważ opór elektryczny przewodników metalowych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

Zależność rezystancji przewodu od temperatury wyraża się wzorem: , gdzie: R jest rezystancją przewodu w temperaturze T, R 0 jest rezystancją przewodu w temperaturze 0°C, α jest temperaturowym współczynnikiem rezystancji.