Formula për kapacitetin e një kondensatori për sa i përket tensionit. Ngarkimi i një kondensatori nga një burim konstant emf

05.07.2019 Televizionet (Smart TV)

Një kondensator është një komponent elektronik themelor (së bashku me një rezistencë dhe një induktor) për ruajtjen e energjisë elektrike. Analogjia më e mirë për funksionimin e saj do të ishte një krahasim me një bateri të rikarikueshme. Sidoqoftë, pajisja e kësaj të fundit bazohet në reaksione kimike të kthyeshme, dhe akumulimi i ngarkesës në pllakat e kondensatorit është i një natyre ekskluzivisht elektrike.

Pajisja dhe parimi i funksionimit

Në formën e tij më të thjeshtë struktura përbëhet nga dy elektroda në formën e pllakave përçuese(të quajtura pllaka) të ndara nga një dielektrik, trashësia e të cilit është e papërfillshme në krahasim me përmasat e pllakave. Komponentët elektronikë të përdorur praktikisht përmbajnë shumë shtresa dielektrike dhe elektrodash. Si përcaktim për një kondensator në diagram, përdoren dy segmente paralele me një hapësirë midis tyre. Ato simbolizojnë pllakat metalike të pllakave të pajisjes fizike, të ndara elektrike nga njëra-tjetra.

Michael Faraday konsiderohet nga shumë njerëz si shpikësi i shpikjes, por në realitet nuk është kështu. Por ai bëri gjënë kryesore - ai demonstroi shembujt dhe metodat e para praktike të përdorimit të kësaj pajisjeje për ruajtjen e një ngarkese elektrike në eksperimentet e tij. Falë Faradeit, njerëzimi mori një mënyrë për të matur aftësinë për të grumbulluar një ngarkesë. Kjo sasi quhet kapacitet dhe matet në Farad.

Funksionimi i kondensatorit mund të ilustrohet me shembullin e ngjarjeve që ndodhin në blicin e një aparati fotografik dixhital gjatë intervalit kohor midis shtypjes së butonit dhe momentit kur fiket blici. Qarku elektronik i kësaj pajisjeje ndriçimi bazohet në një kondensator, në të cilin ndodh si më poshtë:

Ngarkues. Pas shtypjes së butonit, rrjedha e elektroneve hyn në kondensator dhe ndalon në njërën nga pllakat e tij për shkak të dielektrikut. Kjo rrjedhë quhet rrymë karikimi.
Akumulimi. Meqenëse, nën veprimin e forcës elektromotore, gjithnjë e më shumë elektrone do të hyjnë në pllakë dhe do të shpërndahen mbi të, ngarkesa negative e pllakës mund të rritet derisa potenciali i grumbulluar të zmbrapsë rrjedhën e tepërt hyrëse të elektroneve. Pllaka e dytë, për shkak të mungesës së elektroneve, fiton një ngarkesë pozitive, të barabartë në madhësi me negativen e së parës. Rryma e karikimit do të rrjedhë derisa voltazhi në të dy pllakat të jetë i barabartë me atë të aplikuar. Fuqia ose shpejtësia e rrymës së karikimit do të jetë në nivelin maksimal në momentin kur pllakat shkarkohen plotësisht, dhe do t'i afrohet zeros në momentin kur tensionet në pllaka dhe burim janë të barabarta.
Ruajtja. Meqenëse pllakat janë të ngarkuara në mënyrë të kundërt, jonet dhe elektronet do të tërhiqen nga njëri-tjetri, por nuk do të jenë në gjendje të lidhen për shkak të shtresës dielektrike, duke krijuar një fushë elektrostatike. Falë kësaj fushe, kondensatori mban dhe ruan ngarkesën.
Shkarkimi. Nëse bëhet e mundur që elektronet të rrjedhin në një mënyrë të ndryshme në qark, atëherë voltazhi i akumuluar midis ngarkesave pozitive dhe negative të pllakave realizohet menjëherë në një rrymë elektrike, pulsi i së cilës shndërrohet në energji drite në llambën e ndezjes. .

Kështu, blici realizon aftësinë e kondensatorit për të ruajtur energjinë nga bateria për pulsin. Bateria e kamerës është gjithashtu një pajisje që ruan energji, por për shkak të natyrës kimike të akumulimit, ajo gjeneron dhe çliron energji ngadalë.

Kapaciteti, ngarkesa dhe voltazhi

Vetia e një kondensatori për të ruajtur një ngarkesë në pllaka në formën e një fushe elektrostatike quhet kapacitet. Sa më e madhe të jetë zona e pllakave dhe sa më e vogël të jetë distanca midis tyre, aq më shumë ngarkesë janë në gjendje të grumbullojnë dhe, në përputhje me rrethanat, të kenë një kapacitet më të lartë. Kur voltazhi aplikohet në kondensator, raporti i ngarkesës Q me tensionin V do të japë vlerën e kapacitetit C. Formula e ngarkimit të kondensatorit do të duket si kjo:

Masa e kapacitetit elektrik është farad (F). Kjo njësi është gjithmonë pozitive dhe nuk ka vlera negative. 1 F është e barabartë me kapacitetin e një kondensatori, i cili është në gjendje të ruajë një ngarkesë prej 1 kulomb në pllaka me një tension prej 1 volt.

Farad është një njësi matëse shumë e madhe për lehtësinë e përdorimit zbatoni kryesisht masat e tij të pjesshme:

Mikrofarad (μF): 1μF = 1 / 1,000,000 F.
Nanofarad (nF): 1nF = 1 / 1,000,000,000 F.
Picofarad (pF): 1pF = 1/000000000000 F.

Përveç madhësisë së përgjithshme të pllakave dhe distancës midis tyre, ekziston një parametër tjetër që ndikon në kapacitet - lloji i izolatorit të përdorur. Faktori me të cilin përcaktohet aftësia e një dielektrike për të rritur kapacitetin e një kondensatori në krahasim me një vakum quhet konstante dielektrike dhe përshkruhet për materiale të ndryshme me një vlerë konstante nga 1 në pafundësi (teorikisht):

vakum: 1.0000;
ajri: 10006;
letër: 2,5-3,5;
xhami: 3-10;
oksidet metalike 6-20;
qeramika elektrike: deri në 80.

Përveç kondensatorëve të ngurtë dielektrikë (qeramikë, letër, film) ka edhe elektrolitike... Këto të fundit përdorin pllaka alumini ose tantal me një shtresë izoluese oksidi si një elektrodë dhe një tretësirë elektroliti si tjetra.

Karakteristikat kryesore të këtij dizajni janë se ju lejon të grumbulloni një ngarkesë relativisht mbresëlënëse me një madhësi të vogël dhe është një ruajtje elektrike polare. Kjo do të thotë, ai përfshihet në qarkun elektrik në lidhje me polaritetin.

Energjia që shumica e kondensatorëve mund të ruajnë është zakonisht e vogël - jo më shumë se qindra xhaul. Përveç kësaj, nuk zgjat shumë për shkak të rrjedhjes së pashmangshme të ngarkesës. Prandaj, kondensatorët nuk mund të zëvendësojnë, për shembull, bateritë si burim energjie. Dhe megjithëse janë në gjendje të kryejnë në mënyrë efektive vetëm një punë (ruajtja e ngarkesës), aplikimi i tyre është shumë i larmishëm në qarqet elektrike. Kondensatorët përdoren si filtra, për zbutjen e tensionit të linjës, si pajisje sinkronizimi dhe për qëllime të tjera.

Ligji i Kulombit

Ligji i Kulombit është një nga ligjet bazë të elektrostatikës. Ai përcakton madhësinë dhe drejtimin e forcës së bashkëveprimit midis dy ngarkesave pika stacionare.

Një ngarkesë pikësh kuptohet si një trup i ngarkuar, madhësia e të cilit është shumë më e vogël se distanca e ndikimit të tij të mundshëm në trupat e tjerë. Në këtë rast, as forma dhe as madhësia e trupave të ngarkuar nuk ndikojnë praktikisht në ndërveprimin midis tyre.

Ligji i Kulombit u vërtetua eksperimentalisht për herë të parë rreth vitit 1773 nga Cavendish, i cili përdori një kondensator sferik për këtë. Ai tregoi se nuk ka fushë elektrike brenda një sfere të ngarkuar. Kjo do të thoshte se forca e ndërveprimit elektrostatik ndryshoi në përpjesëtim të zhdrejtë me katrorin e distancës, megjithatë, rezultatet e Cavendish nuk u publikuan.

Në 1785 ligji u krijua nga Sh. O. Coulomb me ndihmën e një ekuilibri të veçantë rrotullimi.

Eksperimentet e Kulombit bënë të mundur vendosjen e një ligji që të kujton në mënyrë të habitshme ligjin e gravitetit universal.

Forca e bashkëveprimit të dy trupave të ngarkuar të palëvizshëm në një vakum është drejtpërdrejt proporcionale me produktin e modulit të ngarkesës dhe në përpjesëtim të zhdrejtë me katrorin e distancës ndërmjet tyre.

Në mënyrë analitike, ligji i Kulombit është:

$ F = k (| q_1 | | q_2 |) / (r ^ 2) $

ku $ | q_1 | $ dhe $ | q_2 | $ janë module ngarkimi; $ r $ - distanca midis tyre; $ k $ - koeficienti i proporcionalitetit, në varësi të zgjedhjes së sistemit të njësive. Forca e ndërveprimit drejtohet përgjatë një linje të drejtë që lidh ngarkesat, dhe ngarkesat e ngjashme zmbrapsen, dhe ndryshe nga ngarkesat tërhiqen.

Forca e bashkëveprimit midis ngarkesave varet gjithashtu nga mediumi midis trupave të ngarkuar.

Në ajër, forca e ndërveprimit është pothuajse e njëjtë si në vakum. Ligji i Kulombit shpreh bashkëveprimin e ngarkesave në vakum.

Një varëse është një njësi e ngarkesës elektrike. Varëse (Cl) është njësia SI e sasisë së energjisë elektrike (ngarkesa elektrike). Është një njësi e prejardhur dhe përcaktohet përmes njësisë së fuqisë aktuale 1 amper (A), e cila është një nga njësitë bazë SI.

Një njësi e ngarkesës elektrike merret si ngarkesa që kalon nëpër seksionin kryq të përcjellësit me një rrymë prej 1 $ A për $ 1 $ s.

Kjo është, $ 1 $ Cl $ = 1A · c $.

Pagesa prej 1 Kl është shumë e madhe. Forca e ndërveprimit të dy ngarkesave pika prej 1 $ C secila, të vendosura në një distancë prej 1 $ km nga njëra-tjetra, është pak më e vogël se forca me të cilën toka tërheq një ngarkesë prej $ 1 $ t. Është e pamundur të përcjellin një ngarkesë të tillë në një trup të vogël (duke zmbrapsur njëra-tjetrën, grimcat e ngarkuara nuk mund të qëndrojnë në trup). Por në një përcjellës (i cili në përgjithësi është elektrikisht neutral), është e lehtë të vihet në lëvizje një ngarkesë e tillë (një rrymë prej 1 $ A është një rrymë mjaft normale që rrjedh nëpër tela në apartamentet tona).

Koeficienti $ k $ në ligjin e Kulombit kur shkruhet në SI shprehet në $ H · m ^ 2 $ / $ Kl ^ 2 $. Vlera e saj numerike, e përcaktuar eksperimentalisht nga forca e bashkëveprimit të dy ngarkesave të njohura të vendosura në një distancë të caktuar, është:

$ k = 9 10 ^ 9H m ^ 2 $ / $ Kl ^ 2 $

Shpesh shkruhet në formën $ k = (1) / (4πε_0) $, ku $ ε_0 = 8,85 × 10 ^ (- 12) Cl ^ 2 $ / $ H · m ^ 2 $ është një konstante elektrike.

Kapaciteti elektrik i kondensatorit

Kapaciteti elektrik

Kapaciteti elektrik i përcjellësit $ C $ quhet vlera numerike e ngarkesës që duhet t'i raportohet përcjellësit për të ndryshuar potencialin e tij me një:

Kapaciteti karakterizon aftësinë e një përcjellësi për të ruajtur një ngarkesë. Varet nga forma e përcjellësit, dimensionet e tij lineare dhe vetitë e mjedisit që rrethon përcjellësin.

Njësia e kapacitetit në SI është farad($ Ф $) është kapaciteti i përcjellësit, në të cilin një ndryshim në ngarkesë me 1 $ kulomb e ndryshon potencialin e tij me 1 $ volt.

Kondensator elektrik

Kondensatori elektrik (nga lat. Condensare, fjalë për fjalë për t'u trashur, kondensuar) është një pajisje e krijuar për të marrë një kapacitet elektrik të një vlere të caktuar, i aftë për të grumbulluar dhe dhënë (rishpërndarë) ngarkesa elektrike.

Një kondensator është një sistem i dy ose më shumë përçuesve të ngarkuar në mënyrë uniforme me ngarkesa të barabarta, të ndarë nga një shtresë dielektrike. Përçuesit quhen pllaka kondensatorësh. Si rregull, distanca midis pllakave, e barabartë me trashësinë dielektrike, është shumë më e vogël se dimensionet e vetë pllakave, në mënyrë që fusha në kondensator është praktikisht e gjithë e përqendruar midis pllakave të tij. Nëse pllakat janë pllaka të sheshta, fusha ndërmjet tyre është uniforme. Kapaciteti elektrik i një kondensatori të sheshtë përcaktohet nga formula:

$ C = (q) / (U) = (ε_ (0) εS) / (d) $

ku $ q $ është ngarkesa e kondensatorit, $ U $ është voltazhi midis pllakave të tij, $ S $ është sipërfaqja e pllakës, $ d $ është distanca midis pllakave, $ ε_ (0) $ është konstanta elektrike, $ ε $ është konstanta dielektrike e mediumit.

Ngarkesa e kondensatorit kuptohet si vlera absolute e ngarkesës së njërës prej pllakave.

Energjia e fushës së kondensatorit

Energjia e një kondensatori të ngarkuar të shprehura me formula

$ E_n = (qU) / (2) = (q ^ 2) / (2C) = (CU ^ 2) / (2) $

të cilat nxirren duke marrë parasysh shprehjet për marrëdhënien ndërmjet punës dhe tensionit dhe për kapacitetin e një kondensatori të sheshtë.

Energjia e fushës elektrike. Dendësia e energjisë vëllimore e fushës elektrike (energjia e fushës për njësi vëllimi) me forcën $ E $ shprehet me formulën:

$ ω = (εε_ (0) E ^ 2) / (2) $

ku $ ε $ është konstanta dielektrike e mediumit, $ ε_0 $ është konstanta elektrike.

Forca aktuale

Lëvizja e urdhëruar (e drejtuar) e grimcave të ngarkuara quhet rrymë elektrike.

Fuqia e një rryme elektrike është një sasi ($ I $) që karakterizon lëvizjen e urdhëruar të ngarkesave elektrike dhe numerikisht është e barabartë me sasinë e ngarkesës $ ∆q $ që rrjedh nëpër një sipërfaqe të caktuar $ S $ (prerje tërthore të përcjellësit) për koha e njësisë:

$ I = (∆q) / (∆t) $

Pra, për të gjetur forcën e rrymës $ I $, është e nevojshme të pjesëtohet ngarkesa elektrike $ ∆q $ që ka kaluar në prerjen tërthore të përcjellësit gjatë kohës $ ∆t $ me këtë kohë.

Fuqia e rrymës varet nga ngarkesa e kryer nga secila grimcë, shpejtësia e lëvizjes së tyre të drejtuar dhe zona e seksionit kryq të përcjellësit.

Konsideroni një përcjellës me një sipërfaqe tërthore prej $ S $. Ngarkesa e secilës grimcë është $ q_0 $. Vëllimi i përcjellësit të kufizuar nga seksionet $ 1 $ dhe $ 2 $ përmban grimca $ nS∆l $, ku $ n $ është përqendrimi i grimcave. Ngarkesa totale e tyre është $ q = q_ (0) nS∆l $. Nëse grimcat lëvizin me një shpejtësi mesatare $ υ $, atëherë gjatë kohës $ ∆t = (∆l) / (υ) $ të gjitha grimcat që përmbahen në vëllimin e konsideruar do të kalojnë nëpër seksionin kryq $2 $. Prandaj, forca aktuale është e barabartë me:

$ I = (∆q) / (∆t) = (q_ (0) nS∆l υ) / (∆l) = q_ (0) nυS $

Në SI, njësia e fuqisë aktuale është kryesore dhe quhet amper(A) për nder të shkencëtarit francez A. M. Ampere (1755-1836).

Fuqia aktuale matet me një ampermetër. Parimi i ampermetrit bazohet në veprimin magnetik të rrymës.

Vlerësimi i shpejtësisë së lëvizjes së porositur të elektroneve në një përcjellës, i kryer nga formula për një përcjellës bakri me një sipërfaqe tërthore prej $ 1mm ^ 2 $, jep një vlerë shumë të parëndësishme - $ ~ 0,1 $ mm / s.

Ligji i Ohmit për një pjesë të një zinxhiri

Fuqia e rrymës në seksionin e qarkut është e barabartë me raportin e tensionit në këtë seksion me rezistencën e tij.

Ligji i Ohmit shpreh marrëdhënien midis tre sasive që karakterizojnë rrjedhën e rrymës elektrike në një qark: rryma $ I $, tensioni $ U $ dhe rezistenca $ R $.

Ky ligj u krijua në 1827 nga shkencëtari gjerman G. Ohm dhe për këtë arsye mban emrin e tij. Në formulimin e mësipërm, quhet edhe Ligji i Ohmit për një seksion zinxhir... Ligji i Ohmit shkruhet matematikisht si formula e mëposhtme:

Varësia e fuqisë së rrymës nga ndryshimi i potencialit të aplikuar në skajet e përcjellësit quhet karakteristikë e rrymës-tensionit përcjellës (CVC).

Çdo përcjellës (i ngurtë, i lëngët ose i gaztë) ka karakteristikën e vet I - V. Karakteristika e tensionit të rrymës së përçuesve metalikë, e dhënë me ligjin e Ohm-it $ I = (U) / (R) $, dhe tretësirat e elektrolitit ka formën më të thjeshtë. Njohja e karakteristikës I - V luan një rol të rëndësishëm në studimin e rrymës.

Ligji i Ohmit është themeli i të gjithë inxhinierisë elektrike. Ligji i Ohmit $ I = (U) / (R) $ nënkupton:

forca aktuale në seksionin e qarkut me rezistencë konstante është proporcionale me tensionin në skajet e seksionit;
forca aktuale në seksionin e qarkut me një tension konstant është në përpjesëtim të zhdrejtë me rezistencën.

Këto varësi janë të lehta për t'u kontrolluar eksperimentalisht. Të marra duke përdorur qarkun, grafikët e varësisë së fuqisë së rrymës nga tensioni në rezistencë konstante dhe fuqia e rrymës nga rezistenca janë paraqitur në figurë. Në rastin e parë, përdoret një burim rrymë me një tension të rregullueshëm të daljes dhe një rezistencë konstante $ R $, në të dytën - një akumulator dhe një rezistencë të ndryshueshme (kuti rezistence).

Rezistenca elektrike

Rezistenca elektrike është një sasi fizike që karakterizon rezistencën e një përcjellësi ose qarku elektrik ndaj një rryme elektrike.

Rezistenca elektrike përcaktohet si koeficienti i proporcionalitetit $ R $ midis tensionit $ U $ dhe rrymës direkte $ I $ në ligjin e Ohm-it për një seksion të qarkut.

Njësia e rezistencës thirrur ohm(Ohm) për nder të shkencëtarit gjerman G. Ohm, i cili e futi këtë koncept në fizikë. Një Ohm (1 $ Ohm) - kjo është rezistenca e një përcjellësi të tillë, në të cilin me një tension prej 1 $ V, forca aktuale është 1 $ A.

Rezistenca

Rezistenca e një përcjellësi uniform me seksion kryq konstant varet nga materiali i përcjellësit, gjatësia e tij $ l $ dhe seksioni kryq $ S $ dhe mund të përcaktohet me formulën:

ku $ ρ $ është rezistenca specifike e substancës nga e cila është bërë përcjellësi.

Rezistenca e një lënde është një sasi fizike që tregon se sa rezistencë ka një përcjellës me gjatësi njësi dhe njësi të sipërfaqes së prerjes kryq të bërë nga kjo substancë.

Nga formula $ R = ρ (l) / (S) $ del se

Anasjellta e $ ρ $ quhet përçueshmëri specifike $σ$:

Meqenëse në SI njësia e rezistencës është 1 $ Ohm, njësia e sipërfaqes është $ 1m ^ 2 $, dhe njësia e gjatësisë është $ 1 $ m, atëherë njësia e rezistencës në SI është 1 $ Ohm $ m ^ 2 $ / m, ose 1 $ Ohm $ · $ M. Njësia SI e përçueshmërisë është $ Ohm ^ (- 1) m ^ (- 1) $.

Në praktikë, zona e seksionit kryq të telave të hollë shpesh shprehet në milimetra katrorë (m $ m ^ 2 $). Në këtë rast, një njësi më e përshtatshme e rezistencës është Ohm $ · $ m $ m ^ 2 $ / m. Meqenëse $ 1 mm ^ 2 = 0,000001 m ^ 2 $, pastaj 1 $ Ohm $ · $ m $ m ^ 2 $ / m $ = 10 ^ (- 6) $ Ohm $ · $ m. Metalet kanë rezistencë shumë të ulët - rreth (1 10 $ ^ (- 2) $) Ohm $ · $ m $ m ^ 2 $ / m, dielektrikët - 10 $ ^ (15) -10 ^ (20) $ herë më të mëdha.

Rezistenca ndaj temperaturës

Ndërsa temperatura rritet, rezistenca e metaleve rritet. Sidoqoftë, ka lidhje, rezistenca e të cilave vështirë se ndryshon me rritjen e temperaturës (për shembull, konstantani, manganina, etj.). Rezistenca e elektroliteve zvogëlohet me rritjen e temperaturës.

Koeficienti i temperaturës rezistenca e një përcjellësi është raporti i ndryshimit në rezistencën e përcjellësit kur nxehet me $ 1 ° C me vlerën e rezistencës së tij në $ 0 ° C:

$ α = (R_t-R_0) / (R_0t) $

Varësia e rezistencës së përçuesve nga temperatura shprehet me formulën:

$ ρ = ρ_0 (1 + αt) $

Në përgjithësi, $ α $ varet nga temperatura, por nëse diapazoni i temperaturës është i vogël, atëherë koeficienti i temperaturës mund të konsiderohet konstant. Për metalet e pastra $ α = ((1) / (273)) K ^ (- 1) $. Për tretësirat e elektrolitit $ α

Varësia e rezistencës së përcjellësit nga temperatura përdoret në termometra rezistence.

Lidhja paralele dhe serike e përcjellësve

Për lidhje paralele përçuesve relacionet e mëposhtme janë të vërteta:

1) një rrymë elektrike që hyn në pikën $ A $ të degëzimit të përçuesve (quhet gjithashtu nyjë), është e barabartë me shumën e rrymave në secilin prej elementeve të qarkut:

3) kur përcjellësit janë të lidhur paralelisht, shtohen rezistencat e tyre të kundërta:

$ (1) / (R) = (1) / (R_1) + (1) / (R_2), R = (R_1 R_2) / (R_1 + R_2); $

4) forca aktuale dhe rezistenca në përcjellës janë të lidhura me raportin:

$ (I_1) / (I_2) = (R_2) / (R_1) $

Për lidhja serike e përçuesve në një qark marrëdhëniet e mëposhtme janë të vlefshme:

1) për totalin aktual të $ I $:

ku $ I_1 $ dhe $ I_2 $ janë rryma në përçuesit $ 1 $ dhe $ 2 $, përkatësisht; domethënë, kur përçuesit janë të lidhur në seri, forca aktuale në seksione individuale të qarkut është e njëjtë;

2) stresi total $ U $ në skajet e të gjithë seksionit në shqyrtim është i barabartë me shumën e sforcimeve në seksionet e tij individuale:

3) rezistenca totale $ R $ e të gjithë seksionit të qarkut është e barabartë me shumën e rezistencave të lidhura me seri:

4) raporti është gjithashtu i vërtetë:

$ (U_1) / (U_2) = (R_1) / (R_2) $

Puna me rrymë elektrike. Ligji Joule-Lenz

Puna e bërë nga rryma që kalon nëpër një seksion të caktuar të qarkut, sipas ($ U = φ_1-φ_2 = (A) / (q) $) është e barabartë me:

ku $ A $ është puna e rrymës; $ q $ është ngarkesa elektrike që ka kaluar gjatë një kohe të caktuar nëpër seksionin e konsideruar të qarkut. Duke zëvendësuar formulën $ q = Ajo $ në barazinë e fundit, marrim:

Puna e rrymës elektrike në një seksion të qarkut është e barabartë me produktin e tensionit në skajet e këtij seksioni nga forca e rrymës dhe nga koha gjatë së cilës është kryer puna.

Ligji Joule-Lenz

Ligji Joule - Lenz thotë: sasia e nxehtësisë së lëshuar në një përcjellës në një seksion të një qarku elektrik me një rezistencë $ R $ kur një rrymë direkte $ I $ rrjedh nëpër të për një kohë $ t $ është e barabartë me produktin e katrori i rrymës sipas rezistencës dhe kohës:

Ligji u krijua në 1841 nga fizikani anglez J.P. Joule, dhe në 1842 u konfirmua nga eksperimentet e sakta të shkencëtarit rus E.H. Lenz. Vetë fenomeni i ngrohjes së një përcjellësi kur kalon një rrymë u zbulua në vitin 1800 nga shkencëtari francez A. Furcroix, i cili arriti të ngrohte një spirale hekuri duke kaluar një rrymë elektrike përmes saj.

Nga ligji Joule-Lenz rezulton se kur përçuesit janë të lidhur në seri, meqenëse rryma në qark është e njëjtë kudo, sasia maksimale e nxehtësisë do të lëshohet në përcjellësin me rezistencën më të madhe. Përdoret në inxhinieri, për shembull, për spërkatjen e metaleve.

Kur lidhen paralelisht, të gjithë përçuesit janë nën të njëjtin tension, por rrymat në to janë të ndryshme. Nga formula ($ Q = I ^ 2Rt $) rrjedh se meqenëse, sipas ligjit të Ohmit $ I = (U) / (R) $, atëherë

Rrjedhimisht, më shumë nxehtësi do të gjenerohet në përcjellës me më pak rezistencë.

Nëse në formulën ($ A = IUt $) shprehim $ U $ në terma $ IR $, duke përdorur ligjin e Ohm-it, marrim ligjin Joule-Lenz. Kjo konfirmon edhe një herë faktin se puna e rrymës shpenzohet në gjenerimin e nxehtësisë në rezistencën aktive në qark.

Fuqia e rrymës elektrike

Veprimi i rrymës karakterizohet jo vetëm nga puna $ A $, por edhe nga fuqia $ P $. Fuqia rryma tregon se çfarë lloj pune bën rryma për njësi të kohës. Nëse gjatë kohës $ t $ është kryer puna $ A $, atëherë fuqia e rrymës është $ P = (A) / (t) $. Duke zëvendësuar shprehjen ($ A = IUt $) në këtë barazi, marrim:

Kjo shprehje mund të rishkruhet në forma të ndryshme duke përdorur ligjin e Ohm-it për një seksion të qarkut:

$ P = IU = I ^ (2R) = (U ^ 2) / (R) $

Nga raporti për EMF, është e lehtë të merret fuqia e burimit aktual:

Në SI, puna shprehet në xhaul (J), fuqia në vat (W) dhe koha në sekonda (s). ku

$ 1 $ W $ = 1 $ J / s, $ 1 $ J $ = 1 $ W $ · $ s.

Le të llogarisim fuqinë maksimale të lejueshme të konsumatorëve të energjisë elektrike që mund të punojnë njëkohësisht në apartament. Meqenëse në ndërtesat e banimit, rryma në instalime elektrike nuk duhet të kalojë $ I = 10 $ A, atëherë me një tension prej $ U = 220 $ V, fuqia elektrike përkatëse rezulton të jetë:

$ P = 10A 220V = 2200W = 2,2kW. $

Përfshirja e njëkohshme e pajisjeve me një fuqi totale më të madhe në rrjet do të çojë në një rritje të fuqisë aktuale, dhe për këtë arsye është e papranueshme.

Në jetën e përditshme, puna e rrymës (ose e energjisë elektrike e konsumuar për të përfunduar këtë punë) matet duke përdorur një pajisje të veçantë të quajtur njehsor elektrik(matës i energjisë elektrike). Kur rryma kalon nëpër këtë numërues, një disk i lehtë alumini fillon të rrotullohet brenda tij. Shpejtësia e rrotullimit të saj është drejtpërdrejt proporcionale me fuqinë e rrymës dhe tensionit. Prandaj, nga numri i rrotullimeve të bëra prej tij gjatë një kohe të caktuar, mund të gjykohet puna e bërë nga rryma gjatë kësaj kohe. Në këtë rast, puna e rrymës zakonisht shprehet në kilovat-orë($ kWh $).

$ 1kWh $ është puna e kryer nga një rrymë elektrike me një fuqi prej $ 1kW $ për $ 1h $. Meqenëse $ 1kW = 1000W $, dhe $ 1h = 3600s $, atëherë $ 1kWh = 1000W3600s = 3600000 J $.

Si çdo sistem trupash të ngarkuar, një kondensator ka energji. Nuk është e vështirë të llogaritet energjia e një kondensatori të sheshtë të ngarkuar me një fushë uniforme brenda tij.

Energjia e një kondensuesi të ngarkuar.

Për të ngarkuar një kondensator, duhet të punohet për të ndarë ngarkesat pozitive dhe negative. Sipas ligjit të ruajtjes së energjisë, kjo punë është e barabartë me energjinë e kondensatorit. Fakti që një kondensator i ngarkuar ka energji mund të verifikohet duke e shkarkuar atë përmes një qarku që përmban një llambë inkandeshente të projektuar për një tension prej disa volt (Fig. 4). Kur kondensatori shkarkohet, llamba pulson. Energjia e kondensatorit shndërrohet në forma të tjera: nxehtësi, dritë.

Le të nxjerrim një formulë për energjinë e një kondensatori të sheshtë.

Forca e fushës së krijuar nga ngarkesa e njërës prej pllakave është E/2, ku E- forca e fushës në kondensator. Në një fushë uniforme të një pllake, ka një pagesë q, shpërndahet mbi sipërfaqen e një pllake tjetër (Fig. 5). Sipas formulës W p = qEd. për energjinë potenciale të ngarkesës në një fushë uniforme, energjia e kondensatorit është:

Mund të vërtetohet se këto formula janë të vlefshme për energjinë e çdo kondensatori, dhe jo vetëm për një kondensator.

Energjia e fushës elektrike.

Sipas teorisë së ndërveprimit me rreze të shkurtër, e gjithë energjia e ndërveprimit të trupave të ngarkuar është e përqendruar në fushën elektrike të këtyre trupave. Kjo do të thotë se energjia mund të shprehet përmes karakteristikës kryesore të fushës - tensionit.

Meqenëse forca e fushës elektrike është drejtpërdrejt proporcionale me ndryshimin e potencialit

(U = Ed), atëherë sipas formulës

energjia e një kondensatori është drejtpërdrejt proporcionale me forcën e fushës elektrike brenda tij: W p ~ E 2. Një llogaritje e detajuar jep vlerën e mëposhtme për energjinë e fushës për njësi vëllimi, d.m.th. për densitetin e energjisë:

ku ε 0 është konstanta elektrike

Përdorimi i kondensatorëve.

Energjia e një kondensatori zakonisht nuk është shumë e lartë - jo më shumë se qindra xhaul. Përveç kësaj, nuk zgjat shumë për shkak të rrjedhjes së pashmangshme të ngarkesës. Prandaj, kondensatorët e ngarkuar nuk mund të zëvendësojnë, për shembull, bateritë si burime të energjisë elektrike.

Por kjo nuk do të thotë aspak se kondensatorët si pajisje për ruajtjen e energjisë nuk kanë marrë aplikim praktik. Ata kanë një veti të rëndësishme: kondensatorët mund të grumbullojnë energji për një kohë pak a shumë të gjatë, dhe kur ato shkarkohen përmes një qarku me rezistencë të ulët, ata heqin dorë nga energjia pothuajse menjëherë. Kjo pronë përdoret gjerësisht në praktikë.

Llamba blici e përdorur në fotografi mundësohet nga një rrymë shkarkimi elektrike nga një kondensator, i cili para-karikohet me një bateri të veçantë. Ngacmimi i burimeve kuantike të dritës - lazerët kryhet duke përdorur një tub shkarkimi gazi, ndezja e të cilit ndodh kur shkarkohet një bateri me kondensatorë me kapacitet të lartë.

Sidoqoftë, aplikimi kryesor i kondensatorëve gjendet në inxhinierinë radio. Këtë do ta njihni në klasën e XI.

Energjia e një kondensatori është proporcionale me kapacitetin e tij elektrik dhe katrorin e tensionit ndërmjet pllakave. E gjithë kjo energji është e përqendruar në një fushë elektrike. Dendësia e energjisë së fushës është proporcionale me katrorin e forcës së fushës.

Oriz. Fig. 1 2

LIGJET DC.

Ngarkesat elektrike stacionare përdoren rrallë në praktikë. Në mënyrë që ngarkesat elektrike të na shërbejnë, ato duhet të vihen në lëvizje - për të krijuar një rrymë elektrike. Rryma elektrike ndriçon apartamentet, drejton makinat, krijon valë radio, qarkullon në të gjithë kompjuterët elektronikë.

Do të fillojmë me rastin më të thjeshtë të lëvizjes së grimcave të ngarkuara - merrni parasysh një rrymë elektrike të drejtpërdrejtë.

ELEKTRICITET. FUQIA AKTUALE

Le të japim një përkufizim të rreptë të asaj që quhet rrymë elektrike.

Le të kujtojmë se çfarë sasie e karakterizon rrymën në mënyrë sasiore.

Le të zbulojmë se sa shpejt lëvizin elektronet përgjatë telave në banesën tuaj.

Kur grimcat e ngarkuara lëvizin në një përcjellës, një ngarkesë elektrike transferohet nga një vend në tjetrin. Megjithatë, nëse grimcat e ngarkuara bëjnë një lëvizje termike të rastësishme, si p.sh. elektronet e lira në metal, atëherë nuk ka transferim të ngarkesës (Fig. 1). Një ngarkesë elektrike lëviz nëpër seksionin kryq të përcjellësit vetëm nëse, së bashku me lëvizjen e rastësishme, elektronet marrin pjesë në një lëvizje të renditur (Fig. 2 ). Në këtë rast, ata thonë se dirigjenti është vendosur elektricitet.

Nga kursi i fizikës së klasës VIII, ju e dini këtë lëvizja e urdhëruar (e drejtuar) e grimcave të ngarkuara quhet rrymë elektrike.

Rryma elektrike lind nga lëvizja e urdhëruar e elektroneve ose joneve të lira.

Nëse lëvizni një trup neutral në tërësi, atëherë, megjithë lëvizjen e urdhëruar të një numri të madh elektronesh dhe bërthamash atomike, nuk lind një rrymë elektrike. Ngarkesa totale e transferuar nëpër çdo seksion kryq të përcjellësit do të jetë e barabartë me zero, pasi ngarkesat janë të shenjave të ndryshme me të njëjtën shpejtësi mesatare.

Rryma elektrike ka një drejtim të caktuar. Drejtimi i lëvizjes së grimcave të ngarkuara pozitivisht merret si drejtim i rrymës. Nëse rryma formohet nga lëvizja e grimcave të ngarkuara negativisht, atëherë drejtimi i rrymës konsiderohet i kundërt me drejtimin e lëvizjes së grimcave.

Veprimet aktuale. Ne nuk e shohim drejtpërdrejt lëvizjen e grimcave në përcjellës. Prania e një rryme elektrike duhet të gjykohet nga ato veprime ose fenomene që e shoqërojnë atë.

Ne fillim, përcjellësi nëpër të cilin rrjedh rryma nxehet.

Së dyti, rryma elektrike mund të ndryshojë përbërjen kimike të përcjellësit, për shembull, për të ndarë përbërësit e tij kimikë (bakri nga një tretësirë e sulfatit të bakrit, etj.).

Së treti, rryma ushtron një efekt të fuqishëm në rrymat fqinje dhe trupat e magnetizuar. Ky veprim quhet magnetike. Pra, gjilpëra magnetike pranë përcjellësit me rrymë kthehet. Efekti magnetik i rrymës, ndryshe nga ai kimik dhe termik, është kryesore, pasi manifestohet në të gjithë përçuesit pa përjashtim. Efekti kimik i rrymës vërehet vetëm në tretësirat dhe elektrolitet e shkrirë, dhe ngrohja mungon në superpërçuesit.

Forca aktuale.

Nëse një rrymë elektrike vendoset në qark, kjo do të thotë se një ngarkesë elektrike është vazhdimisht duke u transferuar përmes seksionit kryq të përcjellësit. Ngarkesa e transferuar për njësi të kohës shërben si karakteristika kryesore sasiore e rrymës, e quajtur forca e rrymës.

Kështu, forca aktuale është e barabartë me raportin e ngarkesës q, bartur nëpër prerje tërthore të përcjellësit gjatë intervalit kohor t, deri në këtë interval kohor. Nëse forca aktuale nuk ndryshon me kalimin e kohës, atëherë rryma quhet konstante.

Forca e rrymës, si një ngarkesë,— vlerë skalare. Mund të jetë si pozitive, kështu dhe negativ. Shenja e rrymës varet nga ajo se cili nga drejtimet përgjatë përcjellësit merret si pozitiv. Fuqia aktuale është /> 0, nëse drejtimi i rrymës përkon me drejtimin pozitiv të zgjedhur me kusht përgjatë përcjellësit. Ndryshe /< 0.

Fuqia e rrymës varet nga ngarkesa e kryer nga secila grimcë, përqendrimi i grimcave, shpejtësia e lëvizjes së tyre të drejtuar dhe zona e seksionit kryq të përcjellësit. Le ta tregojmë.

Le të ketë përçuesi (Fig. 3) një prerje tërthore me sipërfaqe S. Për drejtimin pozitiv në përcjellës marrim drejtimin nga e majta në të djathtë. Ngarkesa e secilës grimcë është q 0. Në vëllimin e përcjellësit, i kufizuar nga seksionet kryq - dhe 1 dhe 2 , përmban nSl grimcat ku NS - përqendrimi i grimcave. Ngarkesa totale e tyre q = q Q nSl. Nëse grimcat lëvizin nga e majta në të djathtë me shpejtësi mesatare υ, pastaj gjatë kohës

Të gjitha grimcat e përfshira në vëllimin e konsideruar do të kalojnë nëpër seksionin kryq 2 . Prandaj, forca aktuale është:

formula (2) ku e- moduli i ngarkesës së elektronit.

Le të, për shembull, forca aktuale I = 1 A, dhe zona e seksionit kryq të përcjellësit S = 10 -6 m 2. Moduli i ngarkimit të elektronit e = 1,6 - 10 -19 Cl. Numri i elektroneve në 1 m 3 bakër është i barabartë me numrin e atomeve në këtë vëllim, pasi një nga elektronet valente të çdo atomi të bakrit është i kolektivizuar dhe i lirë. Ky numër është NS= 8,5 10 28 m -3 Prandaj,

Figura # 1. Fig. 2 Fig. 3

KUSHTET TË KËRKOHEN PËR EKZISTIMIN E RRYMËS ELEKTRIKE

Çfarë nevojitet për të krijuar një rrymë elektrike? Mendoni për këtë vetë dhe vetëm atëherë lexoni këtë paragraf.

Për shfaqjen dhe ekzistencën e një rryme elektrike konstante në një substancë, është e nevojshme, së pari, prania e grimcave të lira të ngarkuara. Nëse ngarkesat pozitive dhe negative janë të lidhura me njëra-tjetrën në atome ose molekula, atëherë lëvizja e tyre nuk do të çojë në shfaqjen e një rryme elektrike.

Prania e tarifave falas ende nuk mjafton për shfaqjen e një rryme. Për të krijuar dhe mbajtur një lëvizje të rregulluar të grimcave të ngarkuara, është e nevojshme, së dyti, një forcë që vepron mbi to në një drejtim të caktuar. Nëse kjo forcë pushon së vepruari, atëherë lëvizja e urdhëruar e grimcave të ngarkuara do të ndalet për shkak të rezistencës që i ofrohet lëvizjes së tyre nga jonet e rrjetës kristalore të metaleve ose molekulave të elektrolitit neutral.

Siç e dimë, grimcat e ngarkuara veprojnë nga një fushë elektrike me një forcë . Zakonisht është fusha elektrike brenda përcjellësit që shkakton dhe ruan lëvizjen e urdhëruar të grimcave të ngarkuara. Vetëm në rastin statik, kur ngarkesat janë në qetësi, fusha elektrike brenda përcjellësit është zero.

Nëse ka një fushë elektrike brenda përcjellësit, atëherë ekziston një ndryshim potencial midis skajeve të përcjellësit në përputhje me formulën. Kur ndryshimi i potencialit nuk ndryshon me kalimin e kohës, një rrymë elektrike konstante krijohet në përcjellës. Përgjatë përcjellësit, potenciali zvogëlohet nga një vlerë maksimale në njërën skaj të përcjellësit në një vlerë minimale në tjetrën. Kjo rënie e potencialit mund të zbulohet nga përvoja e thjeshtë.

Merrni si udhërrëfyes një shkop druri jo shumë të thatë dhe vareni horizontalisht. (Edhe pse një shkop i tillë është i keq, ai përsëri përcjell një rrymë.) Le të jetë burimi i tensionit një makinë elektrostatike. Për të regjistruar potencialin e seksioneve të ndryshme të përcjellësit në lidhje me tokën, mund të përdorni fletë metalike të ngjitura në shkop. . Ne lidhim njërën shtyllë të makinës me tokën, dhe tjetrën - në njërën skaj të përcjellësit (shkopit). Zinxhiri do të jetë i hapur. Kur rrotullojmë dorezën e makinës, do të zbulojmë se të gjitha pikat e dhelprës devijohen nga i njëjti kënd (Fig. 1 ).

Prandaj, potenciali nga të gjitha pikat e përcjellësit në raport me tokën janë të njëjta. Kështu duhet të jetë me bilancin e ngarkesave në përcjellës. Nëse tani skaji tjetër i shkopit është i tokëzuar, atëherë kur doreza e makinës rrotullohet, fotografia do të ndryshojë. (Meqenëse toka është një përcjellës, tokëzimi i përcjellësit e bën qarkun të mbyllur.) Në skajin e tokëzuar, gjethet nuk do të shpërndahen fare: potenciali i këtij skaji të përcjellësit është praktikisht i barabartë me potencialin e tokës ( rënia e mundshme në telin metalik është e vogël). Këndi maksimal i përhapjes së gjetheve do të jetë në fund të përcjellësit të lidhur me makinën (Fig. 2). Një rënie në këndin e përhapjes së gjetheve ndërsa ato largohen nga makina tregon një rënie të potencialit përgjatë përcjellësit.

Elektricitet mund të merret vetëm në një substancë në të cilën ka grimca të ngarkuara falas. Për t'i bërë ata të lëvizin, ju duhet të krijoni në eksplorues fushe elektrike.

Fig. 1 Fig. 2

LIGJI I OHM-it PËR NJË PJESË TË ZINXHIRIT. REZISTENCA

Në klasën e 8-të u studiua ligji i Ohm-it. Ky ligj është i thjeshtë, por aq i rëndësishëm sa duhet të përsëritet.

Karakteristikat e volt-amperit.

Në paragrafin e mëparshëm, u konstatua se për ekzistencën e një rryme në një përcjellës, është e nevojshme të krijohet një ndryshim potencial në skajet e tij. Forca e rrymës në përcjellës përcaktohet nga ky ndryshim potencial. Sa më i madh të jetë ndryshimi i potencialit, aq më e madhe është forca e fushës elektrike në përcjellës dhe, rrjedhimisht, aq më e madhe është shpejtësia e lëvizjes së drejtuar grimcat e ngarkuara. Sipas formulës, kjo nënkupton një rritje të fuqisë aktuale.

Për secilin përcjellës - të ngurtë, të lëngët dhe të gaztë - ekziston një varësi e caktuar e fuqisë aktuale nga ndryshimi i potencialit të aplikuar në skajet e përcjellësit. Kjo varësi shprehet me të ashtuquajturat volt - amper karakteristikë e përcjellësit. Gjendet duke matur rrymën në përcjellës në vlera të ndryshme të tensionit. Njohja e karakteristikave të volt-amperit luan një rol të rëndësishëm në studimin e rrymës elektrike.

Ligji i Ohmit.

Forma më e thjeshtë është karakteristika volt-amper e përçuesve metalikë dhe tretësirave të elektrolitit. Për herë të parë (për metalet) u krijua nga shkencëtari gjerman Georg Ohm, prandaj varësia e forcës së rrymës nga tensioni quhet Ligji i Ohmit. Në seksionin e qarkut të paraqitur në figurën 109, rryma drejtohet nga pika 1 në pikën 2 . Diferenca potenciale (tensioni) në skajet e përcjellësit është e barabartë me: U = φ 1 - φ 2. Meqenëse rryma drejtohet nga e majta në të djathtë, forca e fushës elektrike drejtohet në të njëjtin drejtim dhe φ 1> φ 2.

Sipas ligjit të Ohm-it për një seksion të qarkut, forca e rrymës është drejtpërdrejt proporcionale me tensionin e aplikuar U dhe në përpjesëtim të zhdrejtë me rezistencën e përcjellësit R:

Ligji i Ohm-it ka një formë shumë të thjeshtë, por është mjaft e vështirë të vërtetohet eksperimentalisht vlefshmëria e tij. Fakti është se ndryshimi potencial në seksionin e përcjellësit metalik, edhe me një forcë të lartë të rrymës, është i vogël, pasi rezistenca e përcjellësit është e ulët.

Elektrometri në fjalë është i papërshtatshëm për matjen e tensioneve kaq të ulëta: ndjeshmëria e tij është shumë e ulët. Nevojitet një pajisje pakrahasueshme më e ndjeshme. Pastaj, duke matur rrymën me një ampermetër, dhe tensionin me një elektrometër të ndjeshëm, mund të siguroheni që rryma të jetë drejtpërdrejt proporcionale me tensionin. Përdorimi i instrumenteve konvencionale për matjen e tensionit - voltmatësit - bazohet në përdorimin e ligjit të Ohm-it.

Parimi i pajisjes, voltmetri është i njëjtë me atë të ampermetrit. Këndi i rrotullimit të shigjetës së pajisjes është proporcional me fuqinë aktuale. Fuqia e rrymës që kalon përmes voltmetrit përcaktohet nga voltazhi midis pikave të qarkut me të cilin është lidhur. Prandaj, duke ditur rezistencën e voltmetrit, mund të përcaktoni tensionin nga forca aktuale. Në praktikë, pajisja është e kalibruar në mënyrë që të tregojë menjëherë tensionin në volt.

Rezistenca. Karakteristika kryesore elektrike e një përcjellësi është rezistenca. Forca e rrymës në përcjellës në një tension të caktuar varet nga kjo vlerë. Rezistenca e përcjellësit është, si të thuash, një masë e rezistencës së përcjellësit ndaj vendosjes së një rryme elektrike në të. Ligji i Ohm-it mund të përdoret për të përcaktuar rezistencën e një përcjellësi:

Për ta bërë këtë, duhet të matni tensionin dhe rrymën.

Rezistenca varet nga materiali i përcjellësit dhe dimensionet e tij gjeometrike. Rezistenca e një përcjellësi me gjatësi l me sipërfaqe tërthore konstante S është e barabartë me:

ku p është një vlerë që varet nga lloji i substancës dhe gjendja e saj (kryesisht nga temperatura). Rangu i madh r quhet rezistenca specifike e përcjellësit. Rezistenca numerikisht e barabartë me rezistencën e një përcjellësi në formë kubi me buzë 1 m, nëse rryma drejtohet përgjatë faqeve normale në dy të kundërta të kubit.

Njësia e rezistencës së një përcjellësi përcaktohet në bazë të ligjit të Ohm-it dhe quhet om. Përçuesi ka rezistencë 1 Ohm, nëse në diferencën potenciale 1 inç fuqia aktuale në të 1 A.

Njësia e rezistencës është 1 Ohm? M. Rezistenca specifike e metaleve është e ulët. Dielektrikët kanë një rezistencë shumë të lartë. Tabela në fletën e mizës përmban shembuj të vlerave të rezistencës së disa substancave.

Kuptimi i ligjit të Ohm-it.

Ligji i Ohm-it përcakton rrymën në një qark elektrik në një tension të caktuar dhe një rezistencë të njohur. Kjo ju lejon të llogaritni efektet termike, kimike dhe magnetike të rrymës, pasi ato varen nga forca e rrymës. Nga ligji i Ohm-it rrjedh se është e rrezikshme të mbyllësh një rrjet të zakonshëm ndriçimi me një përcjellës me rezistencë të ulët. Fuqia e rrymës do të jetë aq e madhe sa mund të ketë pasoja të rënda.

Ligji i Ohmit është baza e të gjithë inxhinierisë elektrike të rrymës së drejtpërdrejtë. Formula duhet të kuptohet mirë dhe të mbahet mend fort.

QARQET ELEKTRIKE. LIDHJA SERIALE DHE PARALELE E PËRÇUESVE

Nga një burim aktual, energjia mund të transmetohet përmes telave në pajisjet që konsumojnë energji: një llambë elektrike, një marrës radio, etj. qarqet elektrike me kompleksitet të ndryshëm. Një qark elektrik përbëhet nga një burim energjie, pajisje që konsumojnë energji elektrike, tela lidhës dhe ndërprerës për të mbyllur qarkun. shpeshherë dhe qarku elektrik përfshin pajisje që kontrollojnë rrymën dhe tension në seksione të ndryshme të qarkut, - ampermetra dhe voltmatës.

Lidhjet më të thjeshta dhe më të zakonshme të përcjellësve janë lidhjet serike dhe paralele.

Lidhja serike e përçuesve.

Kur lidhet në seri, qarku elektrik nuk ka degë. Të gjithë përcjellësit përfshihen në qark njëri pas tjetrit. Figura 1 tregon një lidhje serike të dy përçuesve 1 dhe 2 , që ka rezistencë R 1, dhe R 2. Mund të jenë dy llamba, dy mbështjellje të një motori elektrik, etj.

Fuqia aktuale në të dy përçuesit është e njëjtë, d.m.th. (1)

meqënëse te përçuesit ngarkesa elektrike në rastin e rrymës së vazhduar nuk grumbullohet dhe e njëjta ngarkesë kalon nëpër çdo prerje tërthore të përcjellësit për një kohë të caktuar.

Tensioni në skajet e seksionit të konsideruar të qarkut është shuma e tensioneve në përcjellësit e parë dhe të dytë:

Shpresojmë se do të jeni në gjendje ta përballoni vetë provën e kësaj lidhjeje të thjeshtë.

Zbatimi i ligjit të Ohm-it për të gjithë seksionin në tërësi dhe për seksionet me rezistencë R 1 dhe R 2, mund të tregohet se rezistenca totale e të gjithë seksionit të qarkut me një lidhje serike është:

Ky rregull mund të zbatohet për çdo numër përcjellësish të lidhur në seri.

Tensionet në përçuesit dhe rezistenca e tyre kur lidhen në seri lidhen me raportin:

Vërtetoni këtë barazi.

Lidhja paralele e përcjellësve.

Figura 2 tregon lidhjen paralele të dy përçuesve 1 dhe 2 me rezistenca R 1 dhe R 2. Në këtë rast, rryma elektrike 1 degëzohet në dy pjesë. Fuqia aktuale në përcjellësit e parë dhe të dytë do të shënohet me I 1 dhe I 2. Që në pikën a- degëzimi i përçuesve (një pikë e tillë quhet nyja) - ngarkesa elektrike nuk grumbullohet, atëherë ngarkesa që hyn në nyje për njësi të kohës është e barabartë me ngarkesën që del nga nyja gjatë së njëjtës kohë. Prandaj, I = I 1 + I 2

Tensioni U në skajet e përcjellësve të lidhur paralelisht është i njëjtë.

Rrjeti i ndriçimit mbështet një tension prej 220 ose 127 V. Pajisjet që konsumojnë energji elektrike janë projektuar për këtë tension. Prandaj, lidhja paralele është mënyra më e zakonshme për të lidhur konsumatorë të ndryshëm. Në këtë rast, dështimi i njërës pajisje nuk ndikon në funksionimin e të tjerave, ndërsa me lidhjen serike, dështimi i njërës pajisje hap qarkun.

Zbatimi i ligjit të Ohm-it për të gjithë seksionin në tërësi dhe për seksionet me rezistenca R 1 dhe R 2 , mund të vërtetohet se reciprociteti i rezistencës totale të seksionit ab, e barabartë me shumën e vlerave të kundërta me rezistencat e përçuesve individualë:

Fuqia e rrymës në secilin prej përcjellësve dhe rezistenca e përçuesve kur lidhen paralelisht lidhen me raportin

Përçuesit e ndryshëm në një qark janë të lidhur me njëri-tjetrin në seri ose paralelisht. Në rastin e parë, forca e rrymës është e njëjtë në të gjithë përcjellësit, dhe në rastin e dytë, tensionet në përcjellës janë të njëjta. Më shpesh, konsumatorë të ndryshëm aktualë janë të lidhur paralelisht me rrjetin e ndriçimit.

MATJA E RRYMËS DHE TENSIONIT

Të gjithë duhet të dinë të matin rrymën me një ampermetër, dhe tensionin me një voltmetër.

Matja e fuqisë aktuale.

Për të matur rrymën në përcjellës, ampermetri lidhet në seri me këtë përcjellës(fig. 1). Por duhet të keni parasysh se vetë ampermetri ka njëfarë rezistence R a... Prandaj, rezistenca e seksionit të qarkut me ampermetrin e përfshirë rritet, dhe në një tension konstant, rryma zvogëlohet në përputhje me ligjin e Ohm. Në mënyrë që ampermetri të ketë efektin më të vogël të mundshëm në amperazhin e matur prej tij, rezistenca e tij bëhet shumë e vogël. Kjo duhet mbajtur mend dhe kurrë mos u përpiqni të matni rrymën në rrjetin e ndriçimit duke lidhur ampermetrin në prizë. Do të ndodhë qark i shkurtër; forca aktuale në një rezistencë të ulët të pajisjes do të arrijë një vlerë kaq të madhe sa mbështjellja e ampermetrit do të digjet.

Matja e tensionit.

Për të matur tensionin në seksionin e qarkut me rezistencë R, një voltmetër është i lidhur me të paralelisht. Tensioni në voltmetër përkon me tensionin në seksionin e qarkut (Fig. 2).

Nëse rezistenca e voltmetrit R B, atëherë pas ndezjes në qark, rezistenca e seksionit nuk do të jetë më R, a . Për shkak të kësaj, voltazhi i matur në seksionin e qarkut do të ulet. Në mënyrë që voltmetri të mos sjellë shtrembërime të dukshme në tensionin e matur, rezistenca e tij duhet të jetë e madhe në krahasim me rezistencën e seksionit të qarkut ku matet tensioni. Voltmetri mund të lidhet me rrjetin pa rrezikun që të digjet, vetëm nëse është projektuar për një tension që tejkalon tensionin e rrjetit.

Ampermetri ndizet në seri me përcjellësin në të cilin matet rryma. Voltmetri lidhet paralelisht me përcjellësin në të cilin matet tensioni.

OPERACIONI DHE FUQIA DC

Rryma elektrike përdoret kaq gjerësisht sepse mbart energji me vete. Kjo energji mund të shndërrohet në çdo formë.

Me lëvizjen e urdhëruar të grimcave të ngarkuara në një përcjellës fusha elektrike funksionon;është zakon ta quajmë atë puna e rrymës. Tani do të kujtojmë informacionin për punën dhe fuqinë e rrymës nga kursi i fizikës VIII klasës.

Puna aktuale.

Konsideroni një seksion arbitrar të zinxhirit. Ky mund të jetë një përcjellës homogjen, për shembull, një filament i një llambë inkandeshente, një dredha-dredha e një motori elektrik, etj. Lëreni një ngarkesë q të kalojë nëpër seksionin kryq të përcjellësit në kohën t. Atëherë fusha elektrike do të bëjë punën A =qU.

Që nga forca aktuale , atëherë kjo punë është e barabartë me:

Puna e rrymës në seksionin e qarkut është e barabartë me produktin e fuqisë së rrymës, tensionit dhe kohës gjatë së cilës është kryer puna.

Sipas ligjit të ruajtjes së energjisë, kjo punë duhet të jetë e barabartë me ndryshimin në energjinë e seksionit të konsideruar të qarkut. Prandaj, energjia e lëshuar në një seksion të caktuar të qarkut gjatë kohës në,është e barabartë me punën e rrymës (shih formulën (1)).

Nëse nuk kryhet punë mekanike në seksionin e qarkut dhe rryma nuk prodhon veprime kimike, nxehet vetëm përcjellësi. Përçuesi i nxehtë lëshon nxehtësi në trupat përreth.

Përçuesi nxehet si më poshtë. Një fushë elektrike përshpejton elektronet. Pas përplasjes me jonet e rrjetës kristalore, ata transferojnë energjinë e tyre tek jonet. Si rezultat, energjia e lëvizjes së parregullt të joneve rreth pozicioneve të ekuilibrit rritet. Kjo do të thotë një rritje e energjisë së brendshme. Në të njëjtën kohë, temperatura e përcjellësit rritet dhe ai fillon të transferojë nxehtësinë në trupat përreth. Një kohë e shkurtër pasi qarku është mbyllur, procesi vendoset dhe temperatura ndalon së ndryshuari me kalimin e kohës. Energjia furnizohet vazhdimisht me përcjellësin për shkak të punës së fushës elektrike. Por energjia e saj e brendshme mbetet e pandryshuar, pasi përcjellësi transferon në trupat përreth një sasi nxehtësie të barabartë me punën e rrymës. Kështu, formula (1) për punën e rrymës përcakton sasinë e nxehtësisë së transferuar nga përcjellësi në trupa të tjerë.

Nëse në formulën (1) shprehim ose tensionin përmes fuqisë së rrymës, ose forcën e rrymës përmes tensionit duke përdorur ligjin e Ohm-it për një seksion të qarkut, atëherë marrim tre formula ekuivalente:

(2)

Formula A = I 2 R t është e përshtatshme për t'u përdorur për lidhjen serike të përcjellësve, pasi forca aktuale në këtë rast është e njëjtë në të gjithë përçuesit. Me një lidhje paralele, formula është e përshtatshme , meqenëse tensioni në të gjithë përcjellësit është i njëjtë.

Ligji Joule-Lenz.

Ligji që përcakton sasinë e nxehtësisë që lëshon një përcjellës në mjedis u krijua për herë të parë eksperimentalisht nga shkencëtari anglez D. Joule (1818-1889) dhe shkencëtari rus E. H. Lenz (1804-1865). Ligji Joule-Lenz u formulua si më poshtë: sasia e nxehtësisë së lëshuar nga një përcjellës me rrymë është e barabartë me produktin e katrorit të forcës së rrymës, rezistencës së përcjellësit dhe kohës së kalimit të rrymës përmes përcjellësit:

(3)

Këtë ligj e kemi marrë me ndihmën e arsyetimit të bazuar në ligjin e ruajtjes së energjisë. Formula (3) ju lejon të llogaritni sasinë e nxehtësisë së lëshuar në çdo pjesë të qarkut që përmban ndonjë përcjellës.

Fuqia aktuale.

Çdo pajisje elektrike (llambë, motor elektrik) është projektuar për të konsumuar një sasi të caktuar energjie për njësi të kohës. Prandaj, krahas punës së to-ka, kuptimi i fuqia aktuale. Fuqia e rrymës është e barabartë me raportin e punës së rrymës për kohënt deri në këtë interval kohor.

Sipas këtij përkufizimi

(4)

Kjo shprehje për fuqinë mund të rishkruhet në disa forma ekuivalente duke përdorur ligjin e Ohm-it për një seksion të një qarku:

Shumica e pajisjeve tregojnë konsumin e tyre të energjisë.

Kalimi i një rryme elektrike përmes një përcjellësi shoqërohet me çlirimin e energjisë në të. Kjo energji përcaktohet nga puna e rrymës: produkti i ngarkesës dhe tensionit të transferuar në skajet e përcjellësit.

FORCA ELEKTROMOTIVE.

Çdo burim aktual karakterizohet nga forca elektromotore, ose EMF. Pra, në një bateri të rrumbullakët për një elektrik dore thotë: 1.5 V. Çfarë do të thotë kjo?

Lidhni dy topa metalikë që mbajnë ngarkesa të shenjave të kundërta me një përcjellës. Nën ndikimin e fushës elektrike të këtyre ngarkesave, një rrymë elektrike lind në përcjellës (Fig. 1). Por kjo rrymë do të jetë shumë afatshkurtër. Ngarkesat neutralizohen shpejt, potencialet e topave do të bëhen të njëjta dhe fusha elektrike do të zhduket.

Forcat e jashtme.

Në mënyrë që rryma të jetë konstante, është e nevojshme të ruhet një tension konstant midis topave. Kjo kërkon një pajisje (burimi aktual), të cilat do të lëviznin ngarkesat nga një top në tjetrin në drejtim të kundërt me drejtimin e forcave që veprojnë në këto ngarkesa nga ana e fushës elektrike të topave. Në një pajisje të tillë, mbi ngarkesat, përveç forcave elektrike, duhet të veprojnë edhe forca me origjinë joelektrostatike (Fig. 2). Fusha elektrike e grimcave të ngarkuara (fusha Kulomb) vetëm nuk është e aftë të mbajë një rrymë konstante në qark.

Çdo forcë që vepron në grimcat e ngarkuara elektrike, me përjashtim të forcave me origjinë elektrostatike (d.m.th., forcat e Kulonit), quhen forca të jashtme.

Përfundimi për nevojën e forcave anësore për të mbajtur një rrymë konstante në qark do të bëhet edhe më i dukshëm nëse i drejtohemi ligjit të ruajtjes së energjisë. Fusha elektrostatike është potenciale. Puna e kësaj fushe kur grimcat e ngarkuara lëvizin përgjatë një qarku elektrik të mbyllur është zero. Kalimi i rrymës përmes përçuesve shoqërohet me lëshimin e energjisë - përcjellësi nxehet. Rrjedhimisht, në çdo qark duhet të ketë një lloj burimi energjie që e furnizon atë në qark. Në të, përveç forcave të Kulonit, duhet të veprojnë domosdoshmërisht edhe forcat e jashtme jo potenciale. Puna e këtyre forcave përgjatë një laku të mbyllur duhet të jetë e ndryshme nga zero. Është në procesin e kryerjes së punës nga këto forca që grimcat e ngarkuara marrin energji brenda burimit të rrymës dhe më pas ia japin përçuesve të qarkut elektrik.

Forcat e jashtme vënë në lëvizje grimcat e ngarkuara brenda të gjitha burimeve të rrymës: në gjeneratorë në termocentrale, në qeliza galvanike, bateri, etj.

Kur një qark është i mbyllur, një fushë elektrike krijohet në të gjithë përçuesit e qarkut. Brenda burimit aktual, ngarkesat lëvizin nën veprimin e forcave të jashtme kundër forcave të Kulombit (elektrone nga një elektrodë e ngarkuar pozitivisht në një negative). dhe në pjesën tjetër të qarkut ato vihen në lëvizje nga një fushë elektrike (shih Fig. 2).

Analogjia midis rrymës elektrike dhe rrjedhës së lëngut.

Për të kuptuar më mirë mekanizmin e gjenerimit të rrymës, le të kthehemi te ngjashmëria midis një rryme elektrike në një përcjellës dhe rrjedhës së lëngut nëpër tuba.

Në çdo seksion të tubit horizontal, lëngu rrjedh për shkak të ndryshimit të presionit në skajet e seksionit. Lëngu lëviz në anën e presionit në rënie. Por forca e presionit në një lëng është një lloj force elastike që është potenciale, si forcat Kulomb. Prandaj, puna e këtyre forcave në një rrugë të mbyllur është e barabartë me zero dhe vetëm këto forca nuk janë në gjendje të shkaktojnë qarkullim të zgjatur të lëngut nëpër tuba. Rrjedha e lëngut shoqërohet me humbje energjie për shkak të veprimit të forcave të fërkimit. Kërkohet një pompë për të qarkulluar ujin.

Pistoni i kësaj pompe vepron mbi grimcat e lëngshme dhe krijon një ndryshim presioni konstant në hyrje dhe dalje të pompës (Fig. 3). Falë kësaj, lëngu rrjedh nëpër tub. Pompa është si një burim energjie, dhe roli i forcave të jashtme luhet nga forca që vepron në ujë nga pistoni në lëvizje. Brenda pompës, lëngu rrjedh nga zonat me presion më të ulët në zonat me presion më të lartë. Dallimi i presionit është i ngjashëm me tensionin.

Natyra e forcave të jashtme.

Natyra e forcave të jashtme mund të jetë e ndryshme. Në gjeneratorët e termocentraleve, një forcë e jashtme është një forcë që vepron nga një fushë magnetike mbi elektronet në një përcjellës në lëvizje. Kjo u diskutua shkurtimisht në kursin e fizikës së klasës VIII.

Në një qelizë galvanike, për shembull një qelizë Volta, veprojnë forcat kimike. Qeliza e Voltës përbëhet nga elektroda zinku dhe bakri të vendosura në një tretësirë të acidit sulfurik. Forcat kimike bëjnë që zinku të shpërndahet në acid. Jonet e zinkut të ngarkuar pozitivisht kalojnë në tretësirë, dhe vetë elektroda e zinkut ngarkohet negativisht. (Bakri tretet shumë pak në acidin sulfurik.) Një ndryshim potencial shfaqet midis elektrodave të zinkut dhe bakrit, i cili shkakton një rrymë në një qark elektrik të mbyllur.

Forca elektromotore.

Veprimi i forcave të jashtme karakterizohet nga një sasi e rëndësishme fizike e quajtur forca elektromotore (shkurtuar EMF).

Forca elektromotore në një qark të mbyllur është raporti i punës së forcave të jashtme kur ngarkesa lëviz përgjatë qarkut me ngarkesën:

Forca elektromotore shprehet në volt.

Ju mund të flisni për forcën elektromotore në çdo pjesë të qarkut. Kjo është puna specifike e forcave të jashtme (puna për të lëvizur një ngarkesë njësi) jo në të gjithë qarkun, por vetëm në këtë zonë. Forca elektro-lëvizëse e një qelize galvanike ekziston puna e forcave të jashtme kur një ngarkesë e vetme pozitive lëviz brenda një elementi nga një pol në tjetrin. Puna e forcave të jashtme nuk mund të shprehet përmes ndryshimit potencial, pasi forcat e jashtme nuk janë potenciale dhe puna e tyre varet nga forma e trajektores. Kështu, për shembull, puna e forcave të jashtme kur ngarkesa lëviz midis terminaleve të burimit aktual jashtë vetë burimit është zero.

Tani e dini se çfarë është EMF. Nëse bateria lexon 1.5 V, kjo do të thotë se forcat e jashtme (kimike në këtë rast) bëjnë punën prej 1.5 J kur lëvizin një ngarkesë prej 1 C nga një pol i baterisë në tjetrin. Rryma e drejtpërdrejtë nuk mund të ekzistojë në një qark të mbyllur nëse forcat e jashtme nuk veprojnë në të, domethënë nuk ka EMF

Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3

LIGJI I OHM PËR ZINXHIRI I PLOTË

Forca elektromotore përcakton fuqinë aktuale në një qark elektrik të mbyllur me një rezistencë të njohur.

Duke përdorur ligjin e ruajtjes së energjisë, gjejmë varësinë e forcës aktuale nga EMF dhe rezistenca.

Konsideroni qarkun më të thjeshtë të plotë (të mbyllur) të përbërë nga një burim rrymë (celula galvanike, bateri ose gjenerator) dhe një rezistencë me rezistencë R(fig. 1). Burimi aktual ka një EMF ε dhe një rezistencë r. Rezistenca e burimit shpesh quhet rezistenca e brendshme në krahasim me rezistencën e jashtme R të qarkut. Në gjenerator, r është rezistenca e mbështjelljeve, dhe në qelizën galvanike - rezistenca e tretësirës së elektrolitit dhe elektrodave.

Ligji i Ohmit për një qark të mbyllur lidh rrymën në qark, EMF dhe rezistenca totale R + r e qarkut. Kjo lidhje mund të vendoset teorikisht, nëse përdorim ligjin e ruajtjes së energjisë dhe ligjin Joule-Lenz.

Lëreni për kohë t një ngarkesë elektrike do të kalojë nëpër prerjen tërthore të përcjellësit q. Atëherë puna e forcave të jashtme gjatë lëvizjes së ngarkesës?Q mund të shkruhet kështu: A st = ε q. Sipas përcaktimit të forcës së rrymës q = It . Kjo është arsyeja pse

(1)

Gjatë kryerjes së kësaj pune në seksionet e brendshme dhe të jashtme të qarkut, rezistenca e të cilave r dhe R, lirohet pak nxehtësi. Sipas ligjit Joule-Len-ts, ai është i barabartë me:

Q = I 2 Rt + I 2 rt.(2)

Sipas ligjit të ruajtjes së energjisë A = Q. Duke barazuar (1) dhe (2), marrim:

ε = IR + Ir(3)

Produkti i fuqisë aktuale dhe rezistencës së një seksioni të qarkut shpesh quhet rënie të tensionit në këtë zonë. Kështu, EMF është e barabartë me shumën e rënies së tensionit në seksionet e brendshme dhe të jashtme të qarkut të mbyllur.

Zakonisht ligji i Ohm-it për një qark të mbyllur shkruhet në formë

(4)

Le të lidhim qarkun, i përbërë nga një kondensator i pakarikuar me kapacitet C dhe një rezistencë me rezistencë R, me një burim energjie me tension konstant U (Fig. 16-4).

Meqenëse në momentin e ndezjes, kondensatori nuk është ende i ngarkuar, voltazhi në të, Prandaj, në qark në momentin fillestar të kohës, rënia e tensionit në rezistencën R është e barabartë me U dhe lind një rrymë, forca e së cilës

Oriz. 16-4. Ngarkimi i kondensatorit.

Kalimi i rrymës i shoqërohet nga një akumulim gradual i ngarkesës Q në kondensator, shfaqet një tension në të dhe rënia e tensionit në rezistencën R zvogëlohet:

siç del nga ligji i dytë i Kirchhoff-it. Prandaj, forca aktuale

zvogëlohet, shkalla e akumulimit të ngarkesës Q gjithashtu zvogëlohet, pasi rryma në qark

Me kalimin e kohës, kondensatori vazhdon të ngarkohet, por ngarkesa Q dhe voltazhi në të rriten gjithnjë e më ngadalë (Fig. 16-5), dhe rryma në qark zvogëlohet gradualisht në raport me diferencën - tensionet

Oriz. 16-5. Grafiku i ndryshimeve të rrymës dhe tensionit gjatë karikimit të një kondensatori.

Pas një intervali mjaft të gjatë kohor (teorikisht pafundësisht i madh), voltazhi në të gjithë kondensatorin arrin një vlerë të barabartë me tensionin e burimit të energjisë, dhe rryma bëhet e barabartë me zero - procesi i karikimit të kondensatorit përfundon.

Procesi i karikimit të kondensatorit është sa më i gjatë, aq më i madh është rezistenca e qarkut R, i cili kufizon rrymën, dhe aq më i madh është kapaciteti i kondensatorit C, pasi me një kapacitet të madh duhet të grumbullohet një ngarkesë më e madhe. Shpejtësia e procesit karakterizohet nga konstanta kohore e zinxhirit

sa më shumë, aq më i ngadalshëm është procesi.

Konstanta kohore e zinxhirit ka dimensionin e kohës, pasi

Pas një intervali kohor nga momenti i ndezjes së qarkut, i barabartë me, voltazhi në të gjithë kondensatorin arrin afërsisht 63% të tensionit të furnizimit me energji elektrike dhe pas një intervali, procesi i ngarkimit të kondensatorit mund të konsiderohet i përfunduar.

Tensioni i kondensatorit gjatë karikimit

pra është e barabartë me diferencën ndërmjet tensionit konstant të burimit të energjisë dhe tensionit të lirë që zvogëlohet me kalimin e kohës sipas ligjit të një funksioni eksponencial nga vlera e U në zero (Fig. 16-5).

Rryma e ngarkimit të kondensatorit

Rryma nga vlera fillestare gradualisht zvogëlohet sipas ligjit të funksionit eksponencial (Fig. 16-5).

b) Shkarkimi i kondensatorit

Le të shqyrtojmë tani procesin e shkarkimit të kondensatorit C, i cili u ngarkua nga një burim energjie në një tension U përmes një rezistence me rezistencë R (Fig. 16-6, Ku kaloni zhvendoset nga pozicioni 1 në pozicionin 2).

Oriz. 16-6. Shkarkimi i një kondensatori në një rezistencë.

Oriz. 16-7. Grafiku i ndryshimeve të rrymës dhe tensionit gjatë shkarkimit të kondensatorit.

Në momentin fillestar, një rrymë do të shfaqet në qark dhe kondensatori do të fillojë të shkarkohet, dhe voltazhi në të do të ulet. Me uljen e tensionit, rryma në qark do të ulet gjithashtu (Figura 16-7). Pas një intervali kohor, voltazhi në kondensator dhe rryma e qarkut do të ulen në rreth 1% të vlerave fillestare, dhe procesi i shkarkimit të kondensatorit mund të konsiderohet i përfunduar.

Tensioni i kondensatorit në shkarkim

pra zvogëlohet sipas ligjit të funksionit eksponencial (Fig. 16-7).

Rryma e shkarkimit të kondensatorit

pra, si tensioni, zvogëlohet sipas të njëjtit ligj (Fig. 6-7).

E gjithë energjia e ruajtur gjatë karikimit të kondensatorit në fushën e tij elektrike çlirohet gjatë shkarkimit në formën e nxehtësisë në rezistencën R.

Fusha elektrike e një kondensatori të ngarkuar, e shkëputur nga një burim energjie, nuk mund të mbetet e pandryshuar për një kohë të gjatë, pasi dielektriku i kondensatorit dhe izolimi midis terminaleve të tij kanë njëfarë përçueshmërie.

Shkarkimi i një kondensatori i shkaktuar nga dielektriku dhe izolimi i papërsosur quhet vetë-shkarkim. Konstanta e kohës gjatë vetë-shkarkimit të kondensatorit nuk varet nga forma e pllakave dhe distanca midis tyre.

Proceset e ngarkimit dhe shkarkimit të një kondensatori quhen kalimtare.

Mbulesë

Mjete mësimore për punën laboratorike Nr. 3.3

në disiplinën "fizikë"

Vladivostok

Titulli

Ministria e Arsimit dhe Shkencës e Federatës Ruse

Shkolla e Shkencave të Natyrës

STUDIMI I PROCESIT TË KARKIMIT DHE SHKARKIMIT TË KOPACITORIT. PËRCAKTIMI I KAPACITETIT TË KOPACITORIT

Vladivostok

Universiteti Federal i Lindjes së Largët

____________________________________________________________________________________________________________

Qarkullimi i titullit

UDC 53 (o76.5)

Përpiluar nga O. V. Plotnikova

Studimi i proceseve të karikimit dhe shkarkimit të një kondensatori. Përcaktimi i kapacitetit të një kondensatori: edukative dhe metodike. manual për punën laboratorike nr. 3.3 për disiplinën "Fizika" / Universiteti Federal i Lindjes së Largët, Shkolla e Shkencave të Natyrës [përmbledhje. OV Plotnikova]. - Vladivostok: Lindja e Largët. Federale un-t, 2013. - f.

Manuali, i përgatitur në Departamentin e Fizikës së Përgjithshme të Shkollës së Shkencave të Natyrës të Universitetit Federal të Lindjes së Largët, përmban një material të shkurtër teorik me temën "Kapaciteti elektrik. Kondensatorët "dhe udhëzimet për punën laboratorike" Studimi i proceseve të karikimit dhe shkarkimit të një kondensatori. Përcaktimi i kapacitetit të një kondensatori "në disiplinën" Fizikë ".

Për studentët bachelor të FEFU.

UDC 53 (o76.5)

Qëllimi i punës: konfirmimi eksperimental i ligjeve që përshkruajnë proceset e ngarkimit dhe shkarkimit të një kondensatori, përcaktimi i konstantës kohore të një qarku elektrik, përcaktimi i kapacitetit të panjohur të një kondensatori.

Teori e shkurtër

Kapaciteti elektrik.

Përçuesit janë substanca që përmbajnë një numër të madh grimcash të ngarkuara të lira. Në përçuesit metalikë, grimca të tilla janë elektrone të lira, në elektrolite - jone pozitive dhe negative, në gazra jonizues - jone dhe elektrone.

Nëse marrim parasysh një përcjellës, pranë të cilit nuk ka përcjellës të tjerë, atëherë ai quhet i vetmuar. Përvoja tregon se potenciali i një përcjellësi të vetëm është drejtpërdrejt proporcional me ngarkesën në të. Raporti i ngarkesës që i është dhënë përcjellësit me potencialin e tij quhet kapaciteti elektrik i përcjellësit (ose thjesht kapaciteti):

Kështu, kapaciteti përcaktohet nga sasia e ngarkesës që duhet t'i komunikohet përcjellësit në mënyrë që të rritet potenciali i tij me një.

Kapaciteti varet nga madhësia dhe forma e përcjellësit, nga konstanta dielektrike e mediumit, nga prania e një numri përcjellësish të tjerë dhe nuk varet as nga ngarkesa, as nga potenciali. Pra, për një sferë të vetme përcjellëse me rreze R, kapaciteti është:

С = 4πεε 0 R. (pasi potenciali φ =
).

Këtu ε është konstanta dielektrike e mediumit, ε 0 është konstanta elektrike.

Njësia e kapacitetit SI quhet Farad (F). 1F = 1 .

Kondensatorë.

Kapaciteti zotërohet jo vetëm nga përçuesit individualë, por edhe nga sistemet e përçuesve. Një sistem i përbërë nga dy përcjellës të ndarë nga një shtresë dielektrike quhet kondensator. Përçuesit në këtë rast quhen pllaka kondensator. Ngarkesat në pllaka kanë shenja të kundërta, por janë të njëjta në vlerë absolute. Pothuajse e gjithë fusha e kondensatorit është e përqendruar midis pllakave dhe.

Kapaciteti i një kondensatori quhet vlerë

C = , (1)

ku q është vlera absolute e ngarkesës së njërës prej pllakave, U është diferenca (tensioni) potencial ndërmjet pllakave.

Në varësi të formës së pllakave, kondensatorët janë të sheshtë, sferikë, cilindrikë.

Le të gjejmë kapacitetin e një kondensatori të sheshtë, pllakat e të cilit kanë një sipërfaqe S, janë të vendosura në një distancë d, dhe hapësira midis pllakave është e mbushur me një dielektrik me një konstante dielektrike ε.

Nëse dendësia e ngarkesës sipërfaqësore në pllaka është e barabartë me σ (σ =), atëherë forca e fushës së kondensatorit (fusha konsiderohet uniforme) është e barabartë me:

E = =

Diferenca potenciale ndërmjet pllakave lidhet me forcën e fushës: E = , prej nga marrim U = Ed = =

Duke përdorur formulën (1), marrim shprehjen për kapacitetin e një kondensatori të sheshtë:

C = (2)

Lidhja e kondensatorëve.

Ekzistojnë dy lloje kryesore të lidhjeve: serike dhe paralele.

Kur lidhet paralelisht (Figura 1), kapaciteti total i baterisë është i barabartë me shumën e kapaciteteve të të gjithë kondensatorëve:

Me total. = С 1 + С 2 + С 3 +… = СС i. (3)

Me një lidhje serike (Fig. 2), reciproku i kapacitetit total është i barabartë me shumën e reciprocitetit të kapaciteteve të të gjithë kondensatorëve:

. (4)

Nëse n kondensatorë me të njëjtin kapacitet C janë të lidhur në seri, atëherë kapaciteti i përgjithshëm: C total. =

Oriz. 1.Lidhja paralele. Oriz. 2. Lidhja serike

Energjia e kondensatorit.

Nëse procesi i ngarkimit të kondensatorit është i ngadalshëm (kuazi-stacionar), atëherë mund të supozojmë se në çdo moment të kohës potenciali i ndonjë prej pllakave të kondensatorit është i njëjtë në të gjitha pikat. Kur ngarkesa rritet me dq, puna kryhet
, ku u është vlera e tensionit të menjëhershëm midis pllakave të kondensatorit. Duke pasur parasysh atë
, marrim:
... Nëse kapaciteti nuk varet nga voltazhi, atëherë kjo punë shkon për të rritur energjinë e kondensatorit. Duke integruar këtë shprehje, marrim:

ku W është energjia e kondensatorit, U është voltazhi midis pllakave të një kondensatori të ngarkuar.

Duke përdorur marrëdhënien midis ngarkesës, kapacitetit dhe tensionit, mund të paraqitet një shprehje për energjinë e një kondensatori të ngarkuar në forma të tjera:

. (5)

Rrymat kuazi-stacionare. Proceset e ngarkimit dhe shkarkimit të kondensatorit.

Kur një kondensator ngarkohet ose shkarkohet, rryma rrjedh në qarkun e kondensatorit. Nëse ndryshimet e rrymës ndodhin shumë ngadalë, domethënë gjatë vendosjes së ekuilibrit elektrik në qarkun e ndryshimeve të rrymave dhe emf. janë të vogla, atëherë ligjet e rrymës direkte mund të përdoren për të përcaktuar vlerat e tyre të menjëhershme. Rryma të tilla që ndryshojnë ngadalë quhen kuazistacionale.

Meqenëse shkalla e vendosjes së ekuilibrit elektrik është e lartë, koncepti i rrymave kuazi-stacionare përfshin gjithashtu procese që janë mjaft të shpejta në kuptimin e zakonshëm: rrymë alternative, shumë lëkundje elektrike të përdorura në inxhinierinë radio. Rrymat e karikimit ose shkarkimit të kondensatorit janë gjithashtu kuazi-stacionare.

Konsideroni një qark elektrik, rezistenca totale e të cilit do të shënohet me R. Qarku përmban një kondensator me kapacitet C, të lidhur me një burim energjie me një emf. ε (Fig. 3).

Oriz. 3. Proceset e karikimit dhe shkarkimit të një kondensatori.

Ngarkimi i kondensatorit... Aplikimi në kontur ε RC1ε rregulli i dytë Kirchhoff, marrim:
,

ku I, U janë vlerat e menjëhershme të rrymës dhe tensionit në të gjithë kondensatorin (drejtimi i anashkalimit të lakut tregohet me shigjetë).

Duke pasur parasysh atë
,
, mund ta zvogëloni ekuacionin në një ndryshore:

Le të prezantojmë një ndryshore të re:
... Atëherë ekuacioni do të shkruhet:

Duke i ndarë variablat dhe duke integruar, marrim:
.

Për të përcaktuar konstanten A, ne përdorim kushtet fillestare:

t = 0, U = 0, u = - ε. Pastaj marrim: A = - ε. Kthimi te ndryshorja
, më në fund marrim shprehjen për tensionin në kondensator:

. (6)

Me kalimin e kohës, voltazhi në kondensator rritet, duke iu afruar asimptotikisht emf. burimi (Fig. 4, I.).

Shkarkimi i kondensatorit. Për një qark CR2C, sipas rregullit të dytë Kirchhoff: RI = U. Ne gjithashtu përdorim:

, dhe
(rryma rrjedh në drejtim të kundërt).

Duke reduktuar në ndryshoren U, marrim:

... Duke u integruar, marrim:
.

Konstanta e integrimit B përcaktohet nga kushtet fillestare: t = 0, U = ε. Pastaj marrim: B = ε.

Për tensionin në të gjithë kondensatorin, më në fund marrim:

. (7)

Me kalimin e kohës, tensioni bie, duke iu afruar 0 (Fig. 4, II).

Oriz. 4. Grafikët e kondensatorit të ngarkimit (I) dhe shkarkimit (II).

Konstante kohore... Natyra e proceseve të ngarkimit dhe shkarkimit të një kondensatori (vendosja e ekuilibrit elektrik) varet nga vlera:

, (8)

e cila ka dimensionin e kohës dhe quhet konstante kohore e qarkut elektrik. Konstanta e kohës tregon se sa kohë pas fillimit të shkarkimit të kondensatorit, voltazhi zvogëlohet me një faktor e (e = 2.71).

Teoria e metodës

Le të shprehim logaritmin (7):

(merr parasysh se RC = τ).

Grafiku i lnU kundrejt t (varësia lineare) shprehet me një vijë të drejtë (Fig. 5) që pret boshtin y (lnU) në një pikë me koordinatat (0; lnε). Pjerrësia K e këtij grafiku do të përcaktojë konstantën kohore të zinxhirit:
, ku:

. (9)

Oriz. 5. Varësia e logaritmit natyror të tensionit nga koha gjatë shkarkimit të kondensatorit

Përdorimi i formulave:
dhe
, ju mund ta merrni atë për të njëjtin interval kohor
:
.

Prandaj:
. (10)

Konfigurimi eksperimental

Instalimi përbëhet nga një njësi kryesore - një modul matës me terminale për lidhjen e elementeve shtesë, një furnizim me energji elektrike, një multimetër dixhital dhe një grup minimalesh me vlera të ndryshme të rezistencës dhe kapacitetit.

Për të kryer punën, një qark elektrik është montuar në përputhje me diagramin e treguar në panelin e sipërm të modulit. Një modul minimal me vlerë nominale 1MΩ është i lidhur me foletë "R 1", një modul minimal me vlerë nominale 100 Ohm është i lidhur me foletë "R 2". Parametrat e kondensatorit të hetuar të lidhur me foletë "C" vendosen nga mësuesi. Një kërcyes është instaluar në foletë e lidhjes së ampermetrit. Një multimetër dixhital është i lidhur me prizat e voltmetrit në modalitetin e voltmetrit.

Duhet të theksohet se rezistenca e rezistencave të ngarkimit-shkarkimit (modulet minimale) R dhe voltmetrit dixhital R V formojnë një ndarës tensioni, gjë që çon në faktin se në fakt tensioni maksimal në kondensator do të jetë i barabartë jo me ε, por
,

ku r 0 është rezistenca e burimit të energjisë. Korrigjimet përkatëse do të duhet të bëhen gjatë llogaritjes së konstantës kohore. Sidoqoftë, nëse rezistenca e hyrjes së voltmetrit (10 7 Ohm) është shumë më e lartë se rezistenca e rezistorëve, dhe rezistenca e burimit është e vogël, atëherë këto korrigjime mund të neglizhohen.

Rradhe pune

Tabela 1

ε= V,R 1 = Ohm, C 1 = F
Shkarkimi


τ 1 ±Δτ 1 (me)

tabela 2

ε = B,R 1 = Ohm, C NS =? F
Shkarkimi


τ NS ±Δτ NS (me)
ME NS ± Δ ME NS (F)

Tabela 3

ε= V,R 2 = Ohm, C 2 = F
Shkarkimi


τ 2 ±Δτ 2 (me)

Përpunimi i rezultateve të matjes

Sipas rezultateve të matjeve, nxënësit kryejnë një nga detyrat e mëposhtme (sipas udhëzimeve të mësuesit).

Detyra 1. Ndërtimi i kurbave të shkarkimit të kondensatorit dhe konfirmimi eksperimental i ligjit që përshkruan këtë proces.

Duke përdorur të dhënat e marra nga tabelat 1 dhe 3, ndërtoni grafikët e tensionit kundrejt kohës kur shkarkohen kondensatorët C 1 dhe C 2. Analizoni ato, krahasoni me ato teorike (Fig. 4).

Paraqitni grafikët e shkarkimit të kondensatorëve C 1 dhe C 2 në boshtet (lnU, t). Analizoni ato, krahasoni me ato teorike (Fig. 5).

Përcaktoni nga grafikët pjerrësitë K 1 dhe K 2. Vlera mesatare e pjerrësisë gjendet si raport që përcakton tangjentën e pjerrësisë së drejtëzës:

Gabimet e rastësishme mund të vlerësohen grafikisht nga devijimi i pikave eksperimentale në lidhje me vijën e drejtë të tërhequr. Gabimi relativ i pjerrësisë mund të gjendet sipas formulës:

ku δ (lnU) është devijimi (në projeksion në boshtin lnU) nga vija e drejtë e pikës eksperimentale më të largët,
- intervali në të cilin janë bërë matjet.

Detyra 2. Përcaktimi i kapacitetit të panjohur të kondensatorit.

Duke përdorur të dhënat e marra nga tabelat 1 dhe 2, ndërtoni grafikët e tensionit kundrejt kohës kur shkarkohen kondensatorët C 1 dhe C x. Analizoni ato, krahasoni me ato teorike (Fig. 4).

Paraqitni grafikët e shkarkimit të kondensatorëve C 1 dhe C x në boshtet (lnU, t). Krahasoni ato dhe nxirrni një përfundim për raportin e konstantave të kohës (shih Fig. 5).

Përcaktoni kapacitetin e panjohur me formulën (10) duke përdorur grafikët dhe të dhënat nga tabelat 1 dhe 2.

Gjeni gabimet relative të shpateve ε К1 dhe ε кх (shih pikën 4 të detyrës 1).

Përcaktoni gabimet relative dhe absolute të kapacitetit:

,
.

Krahasoni vlerën e marrë C x me vlerën e matur me një DMM në modalitetin e kapacitetit. Bëni një përfundim.

Detyrë shtesë.

Llogaritni energjinë e një kondensatori të ngarkuar duke përdorur formulën (5).

Pyetje kontrolli

Çfarë është një kondensator? Çfarë quhet kapaciteti i një kondensatori?

Vërtetoni se fusha elektrike e një kondensatori të sheshtë është e përqendruar midis pllakave të tij.

2. Sa kondensatorë me kapacitet 2μF duhet të merren dhe si t'i lidhni ata;

për të marrë një kapacitet total prej 5 uF?

Si mund ta gjeni energjinë e një kondensatori të ngarkuar?

Cilat rryma quhen kuazi-stacionare? Pse rrymat e ngarkimit dhe shkarkimit të një kondensatori mund të quhen kuazi-stacionare?

Me cilin ligj ndryshon tensioni në kondensator në proceset e a) karikimit dhe b) shkarkimit?

Çfarë tregon konstanta kohore zinxhir? Nga çfarë varet?

Pse është paraqitur një grafik i lnU kundrejt t në këtë punë?

Si përcaktohet konstanta kohore e një qarku elektrik në këtë punë?

LITERATURA

1.Trofimova T.I. Kursi i fizikës. / T.I. Trofimova. - M .: Shkolla e lartë, 2006-2009 - 544s.

2 Saveliev I.V. Kursi i fizikës. Në 3 vëllime. Vëllimi 2. Energjia elektrike. Lëkundjet dhe valët. Optika valore. Ed. 3, stereotip. / I.V. Savelyev - M .: Lan, 2007 .-- 480 f.

3. Grabowski R. I. Kursi i fizikës / R.I. Grabovsky - SPb: shtëpia botuese "Lan", 2012. - 608s.

4 Zisman G. A., Todes O. M. Kursi i fizikës së përgjithshme. Në 3 vëllime. Vëllimi 2. Elektriciteti dhe magnetizmi / G.А. Zisman, O. M. Todes - SPb: "Lan", 2007. - 352c.

Titulli i fundit

Botim edukativ

Përpiluar nga:

Plotnikova Olga Vasilievna