Nuolatinė elektros srovė

Elektros srove – vadiname kryptingą elektrinių dalelių judėjimą.

Elektros srovės tipai:

1. Laidumo srovė – elektringųjų dalelių kryptingas judėjimas, sukeltaselektrinio lauko poveikio.2. Konvekcinė srovė – dėl kitų priežasčių atsiradęs kryptingas dalelių

judėjimas.

Laidumo srovę sudaro:

1. Metaluose – laisvai judantys elektronai,2. Puslaidininkiuose – laisvai judantys elektronai ir skylės,3. Elektrolituose ir dujose – judantys jonai.

Laidumo srovės atsiradimo sąlygos:

1. Erdvės dalyje turi būti laisvųjų krūvininkų,2. Juos turi veikti elektrinis laukas.

Nuolatinė elektros srovė

Elektros srovės kryptimi laikoma kryptis iš srovės šaltinio teigiamojo poliaus į neigiamąjį.

A

R1 R2

Kiekybiškai apibūdinti elektringų dalelių judėjimą įvedama elektros srovės stipriocharakteristika.

Laisvųjų krūvininkų dydžiui dq pratekėjus erdvėje pro skerspjūvio plotą, per laiką dtsantykis yra vadinamas srovės stipriu.

.

Elektros srovė, kurios kryptis nesikeičia, vadinama nuolatine elektros srove.

Nuolatinę srovę, kurios stipris nesikeičia, vadiname pastoviąją nuolatine elektros srove.Tokiai srovei galioja srovės stiprio išraiška:

Elektros stiprio dydžio matas yra amperas (A). 1 A yra lygus 1C krūvio dydžiui, perneštam per skerspjūvio plotą, per laiko vienetą (1 s).

Nuolatinė elektros srovė – srovės stipris

dt

dqI

t

qI

Nuo ko priklauso nuolatinės srovės stipris metaliniame laidininke?

Sakykime, laidininko skerspjūvio plotas lygus S, jo ilgis ℓ, elektronų skaičius jo vienetiniame tūryje (elektronų koncentracija) n, jų dreifo greitis v.

Kadangi vieno elektrono krūvis lygus e, tai visame laidininko tūryje V = Sℓ esančių elektronų krūvis:

SenVenq 00

Jeigu elektrono dreifas per visą laido ilgį trunka laiką t, tai per šį laiką pro galinį laidininko skerspjūvį turi praeiti visi pradiniu momentu buvę jame elektronai.

Vadinasi, srovės stipris: ,tada

arba t

qI

tSenI

vSenI

Čia e - elektrono krūvis ir n– koncentracija yra pastovūs dydžiai.

Srovės stipris priklauso :• nuo laidininko skerspjūvio ploto ;• elektronų dreifo greičio.

Elektros srovė gali keistis laike ir erdvėje. T.y. jos stiprio dydis gali būti pasiskirstęs netolygiai laidininke, keistis laike ir keisti kryptį.

Kad įvertinti šiuos pokyčius, įvedamas vektorinis dydis – srovės stiprio tankis.

Pastoviai nuolatinei elektros srovei tolygiai pasiskirsčius laidininke, jos tankio modulisgali būti išreikštas:

Todėl – srovės stiprio tankis skaitine verte yra lygus srovės stipriui, pratekėjusiam perlaiko vienetą, per statmeno srovės tekėjimo krypčiai ploto vienetą.

Srovės stiprio tankio vektoriaus kryptis yra nukreipta teigiamų krūvininkų judėjimo kryptimi. Matavimo vienetas – amperas kvadratiniam metrui A/m2.

Elektros srovei netolygiai pasiskirsčius laidininke, stiprio tankis išreiškiamas:

Nuolatinė elektros srovė – srovės stiprio tankis

S

Ij

dS

dIj

Elektrine varža vadiname laidininko savybe priešintis elektros srovei.

Elektrinės varžos matavimo vienetas – omas (

Grandinės dalies varža lygi 1 , jeigu tekant 1 A srovei, įtampa tarp tos dalies galųlygi 1 V.

Pritaikykime prieš tai gautą varžos išraišką: vienalyčiam (=0),vienodo skerspjūvio, ploto S laidininkui.

Gauname: - tokio laidininko varža priklauso nuo:

1. laidininko ilgio,2. laidininko skerspjūvio ploto,3. laidininko savitosios varžos dydžio.

Išsireiškus savitosios varžos dydį, gauname: iš čia matome, kad:

Laidininko savitoji varža skaitine verte yra lygi medžiagos kubo, kurio kraštinė 1 mvaržai. Savitosios varžos matavimo vienetas ommetras (m).

Elektrinė varža

l

dlS

R

S

lR

l

SR

Laidininko savitoji varža: , nepriklauso nuo laidininko matmenų.

Tai savybė, priklausanti nuo laidininko medžiagos tipo ir temperatūros.

Nustatyta, kad laidininko savitoji varža nuo temperatūros priklauso tiesiškai:

- savitoji varža, esant t=00 C temperatūrai.

- temperatūrinis varžos koeficientas

- temperatūra.

Savitoji varža

l

SR

)1(0 t

0

t

Tekant elektros srovei, krūvininkai juda kryptingai. Vadinasi, elektrinio lauko jėgos perneša juos grandine iš vieno jos taško į kitą, t.y.atlieka darbą. Elementarusis elektros srovės darbas, kai laidas nejuda, lygus:

čia U – įtampa laido galuose, dq – per laiką dt perneštas elektros krūvis.

Šis darbas lygus laide išsiskyrusiai energijai:

Srovės darbas ir galia

UdqdA

UIdtUdqdW

Pastovios nuolatinės srovės atveju I = const. Todėl visa laide išsiskyrusi energija:

Tai energija, kurią elektros srovė iš šaltinio perkelia į laidą. Dėl to jis įšyla iki temperatūros, atitinkančios dinaminę pusiausvyrą: kiek šilumos išsiskiria, tiek jos ir išspinduliuojama per tą patį laiką.

Ši išraiška yra integralinė Džaulio ir Lenco dėsnio išraiška: laide išsiskyręs šilumos kiekis proporcingas srovės stipriui, jos tekėjimo laikui ir įtampai jo galuose.

Galia yra išsiskyrusios energijos kiekis per laiko vienetą, iš Džaulio ir Lenco dėsnio:

QUItW

UIt

WN

Elektros laidininkų jungimo būdai: nuoseklusis, lygiagretusis ir mišrusis.

Nuoseklusis laidininkų jungimas

Nuosekliuoju vadinamas toks jungimas, kai grandinės elementai jungiami paeiliui, vienas po kito (t.y. vieno laidininko galas jungiamas su kito laidininko pradžia ir t.t. Nuosekliai sujungta grandinė neturi atšakų.

A

A A

I

I2 I1

1. Nuosekliai sujungtų laidininkų grandinės kiekvienoje dalyje srovės stipris yra vienodas:

2. Nuosekliosios grandinės įtampa lygi atskirų dalių įtampų sumai:

3. Nuosekliosios grandinės atskirų dalių įtampos yra tiesiogiai proporcingos jų varžoms:

21 III

21 UUU

2

1

2

1

R

R

U

U

4. Nuosekliosios grandinės pilnutinė varža lygi atskirų dalių varžų sumai:

Kai į grandinę nuosekliai sujungiama keletas vienodos varžos laidininkų, pilnutinė grandinės varža apskaičiuojama dauginant vieno laidininko varžos vertę R0 iš laidininkų skaičiaus n:

21 RRR

0nRR

Lygiagretus laidininkų jungimas

Lygiagrečiuoju vadinamas toks jungimas, kai visų laidininkų vieni galai sujungti viename taške, kiti galai – kitame. Tarp dviejų grandinės mazgų sudaromos atskiros šakos.

Grandinės mazgas

Grandinės šaka

1. Visų lygiagrečiai sujungtų grandinės šakų įtampa yra vienoda:

2. Į grandinės mazgą įtekanti srovė (arba įtekančių srovių sumai) lygi iš jos ištekančių srovių sumai:

21 UUU

21 III

3. Atskiromis šakomis tekančių srovių stipriai yra atvirkščiai proporcingi tų šakų varžoms:

4. Kai laidininkai sujungti lygiagrečiai, fizikinis dydis, atvirkščias pilnutinei grandinės dalies varžai, lygus sumai dydžių, atvirkščių lygiagrečiai sujungtų laidininkų varžoms:

2

1

2

1

R

R

I

I

21

111

RRR

Mišrusis laidininkų jungimas

pakanka žinoti nuosekliojo ir lygiagrečiojo laidininko taisykles.

Mišrusis laidininkų jungimas yra schema, kurioje galima įžvelgt ir nuoseklųjį ir lygiagretųjį laidininkų jungimo būdus. Naujų elektros srovės stiprio, įtampos ir varžos skaičiavimo taisyklių šiam jungimo būdui nėra,

Šaltinio elektrovara

Jeigu sujungsime du metalinius rutuliukus, turinčius priešingų ženklų krūvius, tai, veikiant šių krūvių elektriniam laukui, laidininku ims tekėti elektros srovė (1 pav.).

Bet ši srovė bus trumpalaikė. Krūviai greitai neutralizuosis, rutuliukų potencialai susilygins ir elektrinio lauko stiprumas pasidarys lygus nuliui.

Norint gauti nuolatinę srovę, būtina tarp rutuliukų palaikyti pastovią įtampą.

Tam reikalingas įrenginys (srovės šaltinis), perkeliantis krūvius iš vieno rutuliuko į kitą kryptimi, priešinga krypčiai jėgų, kuriomis tuos krūvius veikia elektrinis laukas.

Tokiame įrenginyje, be elektrinių jėgų, krūvius turi veikti neelektrostatinės jėgos (2 pav.).

Vien tik elektringųjų dalelių elektrinis laukas negali palaikyti grandinėje nuolatinės srovės.

Bet kurios jėgos, veikiančios elektringąsias daleles, išskyrus elektrostatinės kilmės jėgas (t.y. Kulono jėgas), vadinamos pašalinėmis jėgomis, o jų šaltinis – elektros srovės šaltiniu.

Darbo (Apaš), kurį atlieka pašalinės jėgos, perkeldamos teigiamąjį krūvį uždaru kontūru, ir to krūvio (Δq) santykis vadinamas elektrovara:

q

Apaš

Elektrovaros matavimo vienetas voltas: C

JV

1

11

Omo dėsnis uždarai grandinei

Išnagrinėkime paprasčiausią uždarąją grandinę, sudarytą iš srovės šaltinio ir rezistoriaus, kurio varža R (1 pav.).

Srovės šaltinio evj lygi ε, o varža lygi r. Šaltinio varža dažnai vadinama vidine varža, norint atskirti nuo grandinės išorinės varžos R

Dėl darbo vidinėje ir išorinėje grandinės dalyje, kurių varža r ir R, išsiskiria tam tikras šilumos kiekis. Remdamiesi Džaulio dėsniu, galime užrašyti:

Q = I2 · R · ∆t + I2 · r · ∆t

Pagal energijos tvermės dėsnį A = Q. Tad gauname: ε = I · R + I · r.

Srovės stiprio ir grandinės dalies varžos sandauga dažnai vadinama įtampos kritimu šioje dalyje.Vadinasi, evj lygi įtampos kritimų vidinėje ir išorinėje uždarosios grandinės dalyje sumai.

Paprastai Omo dėsnis uždarajai grandinei užrašomas taip:

Ši lygtis vadinama Omo dėsniu uždarajai grandinei: srovės stipris uždarojoje grandinėje tiesiog proporcingas srovės šaltinio elektrovaros jėgai ir atvirkščiai proporcingas išorinės bei vidinės grandinės dalies varžų sumai.

rRI