במאמר זה תלמדו את ההגדרות של זרם חשמלי, זרם ומתח. בואו נבין את המאפיינים והנוסחאות העיקריות של זרם, וכיצד להגן על עצמך מפני זרם חשמלי.

הַגדָרָה

בספר לימוד פיזיקהיש הגדרה:

חַשְׁמַל- זוהי תנועה מסודרת (מכוונת) של חלקיקים טעונים בהשפעת שדה חשמלי. חלקיקים יכולים להיות: אלקטרונים, פרוטונים, יונים, חורים.

בספרי לימוד אקדמייםההגדרה מתוארת כך:

חַשְׁמַלהוא קצב השינוי של המטען החשמלי לאורך זמן.

• מטען האלקטרונים שלילי.
• פרוטונים- חלקיקים עם מטען חיובי;
• נויטרונים- עם מטען ניטרלי.

חוזק נוכחיהוא מספר החלקיקים הטעונים (אלקטרונים, פרוטונים, יונים, חורים) הזורמים בחתך הרוחב של המוליך.

כל החומרים הפיזיקליים, כולל מתכות, מורכבים ממולקולות המורכבות מאטומים, אשר בתורם מורכבים מגרעינים ואלקטרונים המסתובבים סביבם. בְּמַהֲלָך תגובה כימיתאלקטרונים עוברים מאטום אחד לאחר, לכן, לאטומים של חומר אחד חסרים אלקטרונים, ובאטומים של חומר אחר יש עודף מהם. זה אומר שלחומרים יש מטענים הפוכים. אם הם באים במגע, אלקטרונים נוטים לעבור מחומר אחד למשנהו. זוהי תנועה זו של אלקטרונים כלומר חַשְׁמַל. זרם יזרום עד שהמטענים של שני החומרים יהיו שווים. האלקטרון שעזב מוחלף באחר. איפה? מהאטום השכן, אליו - מהשכן שלו, כך לקיצוני, לקיצוני - מהקוטב השלילי של מקור הזרם (למשל, סוללה). מהקצה השני של המוליך, אלקטרונים עוברים לקוטב החיובי של מקור הזרם. כאשר כל האלקטרונים על הקוטב השלילי נעלמים, הזרם ייפסק (הסוללה מתה).

מתחהוא מאפיין של השדה החשמלי ומייצג את הפרש הפוטנציאל בין שתי נקודות בתוך השדה החשמלי.

נראה שזה לא ברור. מנצח- במקרה הפשוט ביותר, זהו חוט עשוי מתכת (נחושת ואלומיניום משמשים לעתים קרובות יותר). מסת האלקטרון היא 9.10938215(45)×10 -31 ק"ג. אם לאלקטרון יש מסה, זה אומר שהוא חומר. אבל המוליך עשוי ממתכת, ומתכת מוצקה, אז איך זורמים בו כמה אלקטרונים?

מספר האלקטרונים בחומר השווה למספר הפרוטונים רק מבטיח את הנייטרליות שלו, והיסוד הכימי עצמו נקבע לפי מספר הפרוטונים והנייטרונים על סמך חוק תקופתימנדלייב. אם, באופן תיאורטי בלבד, נפחית את כל האלקטרונים שלו מהמסה של יסוד כימי כלשהו, ​​הוא כמעט לא יתקרב למסה של היסוד הכימי הקרוב ביותר. יותר מדי הבדל גדולבין מסות האלקטרון לגרעין (המסה של הפרוטון הראשון בלבד גדולה ב-1836 בערך ממסת האלקטרון). ירידה או עלייה במספר האלקטרונים אמורה להוביל רק לשינוי במטען הכולל של האטום. מספר האלקטרונים באטום בודד תמיד משתנה. או שהם עוזבים אותו עקב תנועה תרמית, או חוזרים בחזרה, לאחר שאיבדו אנרגיה.

אם אלקטרונים נעים בכיוון, זה אומר שהם "עוזבים" את האטום שלהם, והמסה האטומית לא תאבד וכתוצאה מכך תשתנה תרכובת כימיתמנצח? לא. יסוד כימי נקבע לא לפי המסה האטומית, אלא לפי מספר הפרוטונים בגרעין האטום, ושום דבר אחר. במקרה זה, אין חשיבות לנוכחות או היעדר אלקטרונים או נויטרונים באטום. בואו נוסיף - נחסר אלקטרונים - נקבל יון; נוסיף - נחסר נויטרונים - נקבל איזוטופ. במקרה זה, היסוד הכימי יישאר זהה.

עם פרוטונים זה סיפור אחר: פרוטון אחד הוא מימן, שני פרוטונים הם הליום, שלושה פרוטונים הם ליתיום וכו' (ראה טבלה מחזורית). לכן, לא משנה כמה זרם תעביר דרך המוליך, ההרכב הכימי שלו לא ישתנה.

אלקטרוליטים זה עניין אחר. זה המקום שבו ההרכב הכימי משתנה. יסודות אלקטרוליט משתחררים מהתמיסה בהשפעת הזרם. כשכולם ישתחררו, הזרם ייפסק. הסיבה לכך היא שנשאי המטען באלקטרוליטים הם יונים.

יש יסודות כימייםללא אלקטרונים:

1. מימן קוסמי אטומי.

2. גזים בשכבות העליונות של האטמוספירה של כדור הארץ וכוכבי לכת אחרים בעלי אטמוספירה.

2. כל החומרים נמצאים במצב פלזמה.

3. במאיצים, מתנגשים.

תחת השפעת זרם חשמלי חומרים כימיים(מוליכים) יכולים "להתפזר". למשל, נתיך. אלקטרונים נעים דוחפים אטומים זה מזה לאורך דרכם; אם הזרם חזק, סריג הקריסטל של המוליך נהרס והמוליך נמס.

בואו נבחן את פעולתם של מכשירי ואקום חשמליים.

הרשו לי להזכיר לכם שבמהלך פעולת זרם חשמלי במוליך רגיל, אלקטרון, שעוזב את מקומו, משאיר שם "חור" שמתמלא אז באלקטרון מאטום אחר, שבו בתורו נוצר גם חור. , שמתמלא לאחר מכן על ידי אלקטרון אחר. כל התהליך של תנועת האלקטרונים מתרחש בכיוון אחד, ותנועת ה"חורים" מתרחשת בכיוון ההפוך. כלומר, החור הוא תופעה זמנית, הוא מתמלא בכל מקרה. מילוי הכרחי כדי לשמור על שיווי משקל המטען באטום.

עכשיו בואו נסתכל על פעולתו של מכשיר ואקום חשמלי. לדוגמה, בואו ניקח את הדיודה הפשוטה ביותר - קנוטרון. אלקטרונים בדיודה במהלך פעולת הזרם החשמלי נפלטים מהקתודה לכיוון האנודה. הקתודה מצופה בתחמוצות מתכת מיוחדות, המאפשרות בריחת אלקטרונים מהקתודה לוואקום (פונקציית עבודה נמוכה). אין רזרבה של אלקטרונים בסרט הדק הזה. כדי להבטיח שחרור אלקטרונים, הקתודה מחוממת בחוזקה עם נימה. עם הזמן, הסרט החם מתאדה, מתיישב על דפנות הבקבוק, והפליטה של ​​הקתודה פוחתת. ומכשיר ואקום אלקטרוני כזה פשוט נזרק לפח. ואם המכשיר יקר, הוא משוחזר. כדי לשחזר אותו, הבקבוק אינו מולחם, הקתודה מוחלפת בחדשה, ולאחר מכן הבקבוק אטום בחזרה.

אלקטרונים במוליך נעים "נושאים את עצמם" חַשְׁמַל, והקתודה מתמלאת באלקטרונים מהמוליך המחובר לקתודה. האלקטרונים שיוצאים מהקתודה מוחלפים באלקטרונים ממקור הזרם.

המושג "מהירות תנועה של זרם חשמלי" אינו קיים. במהירות הקרובה למהירות האור (300,000 קמ"ש), מתפשט דרך המוליך שדה חשמלי, בהשפעתו כל האלקטרונים מתחילים לנוע במהירות נמוכה, השווה בקירוב ל-0.007 מ"מ לשנייה, לא שוכחים למהר גם בכאוטי בתנועה תרמית.

כעת נבין את המאפיינים העיקריים של זרם

בואו נדמיין את התמונה: יש לך תקן קופסת קרטוןעם משקה חזק ל-12 בקבוקים. ואתה מנסה להכניס לשם עוד בקבוק. נניח שהצלחת, אבל הקופסה בקושי החזיקה מעמד. אתה מכניס לשם עוד אחד, ופתאום הקופסה נשברת והבקבוקים נושרים.

ניתן להשוות קופסת בקבוקים לחתך רוחב של מוליך:

ככל שהקופסה רחבה יותר (החוט עבה יותר), כך כמות גדולהבקבוקים (CURRENT POWER), זה יכול להכיל (לספק).

ניתן להניח מבקבוק אחד עד 12 בקבוקים בקופסה (במוליך) - הוא לא יתפרק (המוליך לא ישרף), וכן מספר גדול יותרבקבוקים ( כוח גדולזרם) הוא אינו מכיל (מייצג התנגדות).
אם נניח קופסה נוספת על גבי הקופסה, אז על יחידת שטח אחת (חתך מוליך) נניח לא 12, אלא 24 בקבוקים, עוד אחד למעלה - 36 בקבוקים. ניתן לקחת אחת מהקופסאות (קומה אחת) כיחידה הדומה ל-VOLTAGE של זרם חשמלי.

ככל שהקופסה רחבה יותר (פחות התנגדות), כך היא יכולה לספק יותר בקבוקים (CURRENT).

על ידי הגדלת גובה הקופסאות (מתח), נוכל להגדיל את מספר הבקבוקים הכולל (POWER) מבלי להרוס את הקופסאות (מוליך).

בעזרת האנלוגיה שלנו קיבלנו:

המספר הכולל של הבקבוקים הוא POWER

מספר הבקבוקים בקופסה אחת (שכבה) הוא ה-CURRENT POWER

מספר הארגזים בגובה (קומות) הוא VOLTAGE

רוחב התיבה (הקיבולת) הוא ההתנגדות של קטע המעגל החשמלי

דרך האנלוגיות לעיל, הגענו ל" חוק OMA", אשר נקרא גם חוק אוהם עבור קטע של מעגל. בואו נציג את זה כנוסחה:

איפה אני - כוח נוכחי, U ר - התנגדות.

במילים פשוטות, זה נשמע כך: הזרם הוא פרופורציונלי ישר למתח וביחס הפוך להתנגדות.

בנוסף, הגענו ל" חוק ואט". בואו גם נצייר את זה בצורה של נוסחה:

איפה אני - כוח נוכחי, U - מתח (הפרש פוטנציאלי), ר – כוח.

במילים פשוטות, זה נשמע כך: הספק שווה למכפלת הזרם והמתח.

חוזק זרם חשמלינמדד על ידי מכשיר הנקרא מד זרם. כפי שניחשתם, כמות הזרם החשמלי (כמות המטען המועבר) נמדדת באמפר. כדי להגדיל את טווח ייעודי יחידות השינוי, קיימות ריבוי קידומות כגון מיקרו - מיקרואמפר (µA), מיילים - מיליאמפר (mA). קונסולות אחרות אינן בשימוש יומיומי. לדוגמה: הם אומרים וכותבים "עשרת אלפים אמפר", אבל הם אף פעם לא אומרים או כותבים 10 קילואמפר. ערכים כאלה ב חיים רגיליםלא אמיתי. אותו הדבר ניתן לומר על ננו-אמפר. בדרך כלל אומרים וכותבים 1×10 -9 אמפר.

מתח חשמלי(פוטנציאל חשמלי) נמדד על ידי מכשיר הנקרא Voltmeter, כפי שניחשתם נכון, המתח, כלומר הפרש הפוטנציאלים שגורם לזרם לזרום, נמדד בוולטים (V). בדיוק כמו לזרם, כדי להגדיל את טווח הייעודים, ישנן מספר קידומות: (מיקרו - מיקרו-וולט (μV), מיילים - מילי-וולט (mV), קילו - קילו-וולט (kV), מגה - מגה-וולט (MV). מתח נקרא גם EMF - כוח אלקטרו-מוטורי.

התנגדות חשמליתנמדד על ידי מכשיר שנקרא Ohmmeter, כפי שניחשתם נכון, יחידת ההתנגדות היא אוהם (אוהם). בדיוק כמו לזרם ולמתח, יש ריבוי קידומות: קילו - קילו אוהם (kOhm), מגה - מגה אוהם (MOhm). משמעויות אחרות אינן אמיתיות בחיי היומיום.

קודם לכן, למדת שההתנגדות של מוליך תלויה ישירות בקוטר המוליך. לכך אפשר להוסיף שאם מופעל זרם חשמלי גדול על מוליך דק, הוא לא יצליח לעבור אותו, ולכן הוא יתחמם מאוד ובסוף עלול להימס. פעולת הנתיכים מבוססת על עיקרון זה.

האטומים של כל חומר נמצאים במרחק מסוים זה מזה. במתכות, המרחקים בין האטומים כל כך קטנים עד שקליפות האלקטרונים כמעט נוגעות. זה מאפשר לאלקטרונים לנדוד בחופשיות מגרעין לגרעין, וליצור זרם חשמלי, וזו הסיבה שמתכות, כמו גם כמה חומרים אחרים, הם מוליכים של חשמל. לחומרים אחרים, להיפך, יש אטומים מרווחים, אלקטרונים הקשורים בחוזקה לגרעין, שאינם יכולים לנוע בחופשיות. חומרים כאלה אינם מוליכים והם נקראים בדרך כלל DIELECTRICS, המפורסם שבהם הוא גומי. זו התשובה לשאלה מדוע חוטי חשמל עשויים ממתכת.

נוכחות של זרם חשמלי מצוין את הפעולות הבאותאו התופעות הנלוות אליו:

;1. המוליך שדרכו זורם הזרם עלול להתחמם;

2. זרם חשמלי יכול לשנות את ההרכב הכימי של מוליך;

3. הזרם מפעיל כוח על זרמים שכנים וגופים ממוגנטים.

כאשר אלקטרונים מופרדים מהגרעינים, משתחררת כמות מסוימת של אנרגיה שמחממת את המוליך. קיבולת ה"חימום" של זרם נקראת בדרך כלל פיזור הספק ונמדדת בוואטים. אותה יחידה משמשת למדידת אנרגיה מכנית המומרת מאנרגיה חשמלית.

מפגעי חשמל ותכונות מסוכנות אחרות של חשמל ואמצעי זהירות

זרם חשמלי מחמם את המוליך שדרכו הוא זורם. זו הסיבה:

1. אם משק בית רשת חשמלחווה עומס יתר, הבידוד נשחק ומתפורר בהדרגה. קיימת אפשרות לקצר חשמלי, וזה מאוד מסוכן.

2. זרם חשמלי הזורם דרך חוטים ומכשירי חשמל ביתיים נתקל בהתנגדות, ולכן הוא "בוחר" את הנתיב עם ההתנגדות הנמוכה ביותר.

3. אם מתרחש קצר חשמלי, הזרם גדל בחדות. יחד עם זאת, זה בולט מספר גדול שלחום שיכול להמיס מתכת.

4. קצר חשמלי יכול להתרחש גם עקב לחות. אם מתרחשת שריפה במקרה של קצר חשמלי, אז במקרה של חשיפה לרטיבות על מכשירי חשמל, מי שסובל ראשון.

5. התחשמלות מסוכנת מאוד ועלולה להיות קטלנית. כאשר זרם חשמלי זורם בגוף האדם, התנגדות הרקמה יורדת בחדות. תהליכים של חימום רקמות, הרס תאים ומוות של קצות עצבים מתרחשים בגוף.

כיצד להגן על עצמך מפני התחשמלות

כדי להגן על עצמך מפני חשיפה לזרם חשמלי, השתמש באמצעי הגנה מפני התחשמלות: עבודה בכפפות גומי, השתמש בשטיח גומי, מוטות פריקה, התקני הארקה לציוד, מקומות עבודה. מפסקי חשמל עם הגנה תרמית והגנה על זרם גם לא תרופה רעההגנה מפני התחשמלות שיכולה להציל חיי אדם. כאשר אני לא בטוח שאין סיכון להתחשמלות בעת ביצוע פעולות מורכבותבחדרי בקרה חשמליים וביחידות ציוד אני נוהג לעבוד ביד אחת ומכניס את היד השנייה לכיס. זה מבטל את האפשרות של התחשמלות לאורך הנתיב של יד ביד במקרה של מגע מקרי עם גוף המגן או חפצים מוארקים אחרים.

לכיבוי שריפה המתרחשת בציוד חשמלי, משתמשים רק במטפי אבקה או פחמן דו חמצני. מטפי אבקה טובים יותר, אך לאחר כיסוי הציוד באבק ממטף, לא תמיד ניתן לשחזר את הציוד הזה.

ב-§ 8 הסתכלנו על ניסוי עם מנורה ושתי ספירלות (נגדים). ציינו כי בשינוי הזרם אנו מתכוונים לשינוי בזרימת האלקטרונים העוברים דרך המוליך. הביטוי הזה שהתייחס אליו מוליכי מתכת מוצקים.במתכות נוזליות (לדוגמה, כספית), בחומרים מותכים או מומסים (לדוגמה, במלחים, חומצות ואלקליות), וכן בגזים, הזרם נוצר על ידי אלקטרונים ויונים (ראה סעיף 8). כולם כן נושאי מטען חשמלי.
לכן, לפי חוזק הזרם נוח יותר להבין לא את מספר החלקיקים הטעונים השונים (אלקטרונים ו/או יונים) העוברים דרך מוליך לאורך תקופה, אלא המטען הכולל המועבר דרך מוליך ליחידת זמן.בצורת נוסחה זה נראה כך:

כך, חוזק הנוכחי - כמות פיזיקלית המראה את המטען העובר דרך מוליך ליחידת זמן.

מכשיר משמש למדידת חוזק זרם מַד זֶרֶם.הוא מחובר בסדרה עם הקטע של המעגל שבו צריך למדוד את הזרם. יחידת זרם - 1 אמפר(1 א'). הוא מותקן על ידי מדידת כוח האינטראקציה (משיכה או דחייה) של מוליכים עם זרם. להסבר, ראה את התמונה עם רצועות נייר כסף שפורסמה ממש בתחילת הנושא הזה.
1 אמפר נחשב לעוצמתו של זרם שעובר דרך שני מוליכים ישרים מקבילים באורך אינסופי ובקוטר קטן, הממוקמים במרחק של 1 מ' אחד מהשני בוואקום, גורם לכוח אינטראקציה השווה ל-0.0000002 N על קטע של המוליך באורך 1 מ'.
בואו להכיר חוקי ההפצה הנוכחיתבמעגלים עם חיבורים שונים של מוליכים. בתרשימים "a", "b", "c" המנורה והריאוסטט מחוברים ברצף.בתרשימים "d", "d", "f" המנורות מחוברות מַקְבִּיל.ניקח מד זרם ונמדוד את הזרם במקומות המסומנים בנקודות אדומות.
ראשית, אנו מפעילים את מד הזרם בין ריאוסטט למנורה (מעגל "a"), מודדים את עוצמת הזרם ומציינים אותו בסמל אניבדרך כלל. לאחר מכן אנו מניחים את מד הזרם משמאל לריאוסטט (תרשים "ב"). בואו נמדוד את עוצמת הזרם, נסמן אותו בסמל אני1 . לאחר מכן אנו מניחים את מד הזרם משמאל למנורה, מציינים את החוזק הנוכחי אני2 (תרשים "ג").


בכל חלקי המעגל עם חיבור סדרתי של מוליכים, עוצמת הזרם זהה:

הבה נמדוד כעת את עוצמת הזרם פנימה תחומים שוניםמעגלים עם חיבור מקביל של שתי מנורות. בתרשים "d", מד הזרם מודד את סך הזרם; בתרשימים "d" ו- "f" - עוצמת הזרמים העוברים דרך המנורות העליונות והתחתונות.


מדידות רבות מראות זאת עוצמת הזרם בחלק הלא מסועף של המעגל עם חיבור מקבילי של מוליכים (חוזק זרם כולל) שווה לסכום עוצמות הזרם בכל ענפי המעגל הזה.

הבזק מסנוור של ברק, קולות רעמים מתגלגלים. במשך זמן רב, האנושות התבוננה בתופעות הטבע האדירות הללו ומבלי להבין אותן חשה פחד מהן. ולפני קצת יותר ממאה שנים, אנשים לימדו את כוחות הטבע החשמליים לשרת את עצמם.

פיזיקה אקספרס

בטבע ישנם חלקיקים טעונים זעירים. יש חלקיקים טעונים ובעלי מטען עם סימן פלוס, ויש חלקיקים בעלי מטען שלילי עם סימן מינוס. חלקיקים בעלי מטען שלילי נקראים אלקטרונים. הם יכולים לרוץ על מוליכי מתכת. ומדענים קראו לזרימה הזו של חלקיקים טעונים זרם חשמלי.

אילו מאפיינים יש לזרם? ראשית, זהו עוצמת הזרם וצפיפותו, ושנית, זהו עוצמת הזרם. נסתכל על צפיפות זרם וכוח במאמר אחר; כעת הבה נפנה את תשומת לבנו לחוזק הנוכחי. בואו נבחן מה זה, איזו הגדרה ומשמעות יש לכמות הזו בפיזיקה. באילו כינויים משתמשים בזרם? איך למצוא חוזק נוכחי? בואו ללמוד עובדות מעניינות וחינוכיות על החוזק הנוכחי.

שפת נוסחאות

חוזק זרם הוא גודל פיזיקלי הקובע לא את מגוון החלקיקים שעברו בחתך רוחב של מוליך, אלא את סך המטען המועבר דרך המוליך ליחידת זמן. זה נראה כמו זה:

• I=q/t

כאשר I הוא הכוח הנוכחי שלנו נמדד באמפר (A), q הוא המטען שעובר דרך המוליך, יחידות המדידה שלו הן קולומב (C), ו-t הוא זמן התצפית הנמדד בשניות (שניות).

ולפי חוק אוהם, ניתן לקבוע את הזרם באופן הבא, ולשם כך נצטרך לדעת את המתח של קטע המעגל U, הנמדד בוולט (V), ואת ההתנגדות שלו R, הנמדדת באוהם (אוהם):

• I=U/R

כיצד נוכל לקבוע את עוצמת הזרם אם איננו יודעים את המטען העובר דרך המוליך? איך למצוא את הכוח הנוכחי אם זו לא בעיה בבית הספר? יש מכשיר מיוחד לכך - מד זרם. כדי לקבוע את עוצמת הזרם, עלינו לחבר את המכשיר שלנו בסדרה עם קטע המעגל שבו אנו מודדים את עוצמת הזרם. היכולת לקבוע את החוזק הנוכחי חשובה מאוד ופשוט הכרחית ב חיי היום - יום. זרם של 0.01 אמפר אינו מורגש או מורגש, אלא חלש מאוד. אבל זרם של 0.1 אמפר מוביל להפרעות גדולות בגוף האדם. וזרם של יותר מ-0.2 אמפר הוא קטלני, וכתוצאה מכך כוויות קשות והפסקת נשימה. היו מאוד זהירים וזהירים עם הכוח הנוכחי!

רבותי, שלום לכולם!

היום נדבר על מושג כה בסיסי של פיזיקה בכלל ואלקטרוניקה בפרט כמו חוזק הנוכחי. כל אחד מכם בטח שמע את המונח הזה יותר מפעם אחת. היום ננסה להבין את זה קצת יותר טוב.

היום נדבר בעיקר על זֶרֶם יָשָׁר. כלומר על משהו שגודלו קבוע בחוזק ובכיוון כל הזמן. רבותי יקרים, שעמום עלול להתחיל לחפור בעניין - מה זה אומר "כל הזמן"? אין מונח כזה. על כך נוכל לענות שהערך הנוכחי לא אמור להשתנות לאורך כל הזמן תצפיות.

אז, עדכני. חוזק נוכחי. מה זה? הכל די פשוט. זרם הוא התנועה הכיוונית של חלקיקים טעונים.שימו לב, רבותי, את זה מְכוּוָן. התנועה האקראית - התרמית - שממנה ממהרים אלקטרונים במתכת או יונים בנוזל/גז הלוך ושוב, מעניינת אותנו מעט. אבל אם אתה מעלה על התנועה האקראית הזו את התנועה של כל החלקיקים בכיוון אחד, אז זה קליקו שונה לחלוטין.

אילו סוגים של חלקיקים טעונים יכולים להיות? באופן כללי, זה לא משנה מה זה, זה לא משנה. יונים חיוביים, יונים שליליים, אלקטרונים - זה לא משנה. אם יש לנו תנועה מכוונת של החברים המכובדים האלה, זה אומר שיש זרם חשמלי.

ברור שלזרם יש כיוון מסוים. מֵאָחוֹר כיוון הזרםנהוג להניח תנועה של חלקיקים חיוביים. כלומר, למרות שהאלקטרונים עוברים ממינוס לפלוס, מאמינים שכיוון הזרם במקרה זה הוא הפוך - מפלוס למינוס. ככה הכל מעוות. מה אפשר לעשות - מחווה למסורת.

ייצוג סכמטי של מוליך נושא זרם מוצג באיור 1.

איור 1 - ייצוג סכמטי של מוליך נושא זרם

בואו נדמיין ענן עם יתושים. כן, אני יודע, יצורים מרושעים, והענן הוא בדרך כלל סוג של זוועה. אבל בכל זאת, בהדחקת הגועל, ננסה לדמיין אותם. אז בענן הזה, כל יתוש מגעיל עף מעצמו. זו תנועה לא מסודרת. עכשיו בואו נדמיין משב רוח חיסכון. הוא סוחב בו זמנית את כל עדר היתושים הזה לכיוון אחד, בתקווה הרחק מאיתנו. זו תנועה מכוונת. החלפת יתושים באלקטרונים, והבריזה בכמה מסתוריים כוח מניעאנו מקבלים, באופן כללי, איזושהי אנלוגיה לזרם חשמלי.

לרוב, יש זרם הנגרם מתנועת אלקטרונים. כן, חברים, לאורך כל חיינו אנו מוקפים באלקטרוניקה קטנה ומסכנה, נאלצים לנוע בכיוון, אפשר לומר בגיבוש, בהשפעת כוח כפייה. הם פועלים לאורך קווי חשמל, בכל השקעים שלנו, בכל המכשירים החכמים שלנו - מחשבים, מחשבים ניידים, סמארטפונים ועובדים בדיוק כמו פאפא קרלו כדי להקל על חיינו הקשים ולמלא אותם בהנאות.

יתושים הם יתושים, זה הכל מגניב, אבל הגיע הזמן להגדרות רשמיות.

אז, רבותי, עוצמת הזרם היא היחס בין המטען Δq, המועבר דרך חתך מסוים של המוליך S במהלך הזמן ∆t. כוח נוכחי נמדד, כפי שרבים כבר יודעים, באמפר. אז - הזרם במוליך שווה ל-1 אמפר אם 1 קולומב עובר דרך המוליך הזה בשנייה אחת.

"גדול!" – יצעק קורא יקר. ומה עלי לעשות עם הנוסחה הזו?!! ובכן, בסדר, יש לי שעון עצר באייפון שלי, אני אתזמן אותו. מה לגבי האישום? האם צריך לספור את מספר האלקטרונים בחוט ואז להכפיל במטען של אלקטרון אחד, למרבה המזל זו כמות ידועה, כדי לקבוע את הזרם?!

רגועים, רבותי! הכל יהיה. אל תמהר. לעת עתה, רק תזכור שהייתה איזושהי נוסחה. ואז מסתבר שבעזרתו אפשר לחשב כמה דברים מגניבים כמו טעינת קבלים ועוד הרבה יותר.

ובכן, לעת עתה... לעת עתה, ניתן לקחת מד זרם, למדוד את הזרם במעגל עם נורה ולגלות כמה מטען זורם בכל שנייה בחתך הרוחב של המוליך q = I t = I 1c= I.

כן, בכל שנייה זורם מטען השווה לזרם בו דרך חתך רוחב של מוליך. כעת ניתן להכפיל את הערך הזה במטען האלקטרון (למי ששכח, אני מזכיר לכם שהוא שווה) ולגלות כמה אלקטרונים פועלים במעגל. עלולות לעלות שאלות - מדוע? התשובה של המחבר היא רק בשביל הכיף. לא סביר שתפיק מכך תועלת מעשית כלשהי. אם רק תרצו את המורה שלכם. בעיה זו היא אקדמית בלבד.

עלולה להתעורר השאלה - כיצד מד זרם מודד זרם? האם הוא סופר אלקטרונים? ברור שלא, רבותי. כאן יש לנו עקיףמידות. הם מבוססים על הפעולה המגנטית של זרם במד זרם חוגה אנלוגי מיושן או על חוק אוהם - על ידי המרת הזרם הזורם דרך התנגדות ידועה למתח ואז עיבודו - בכל המולטימטרים המודרניים. אבל עוד על כך בהמשך.

עכשיו אני אתן את החישוב הזה. זה די פשוט וצריך להתעכל אפילו על ידי הומניסטים. אם יש לך חוסר סובלנות אינדיבידואלי למתן, ובכן, אתה יכול פשוט להסתכל על התוצאה.

בואו נזכור את החיוב שלנו ∆qשעובר עם הזמן ∆tדרך חתך המוליך ∆Sשעליו דיברנו קצת יותר גבוה. כמו מתמטיקאים אמיתיים, נסבך את זה עד כדי שערורייה, כך שרק לאחר מאמץ של המוח יהיה ברור שכתבנו זהות.

רבותי, בכנות, בלי הונאה. ה - מטען אלקטרונים, נ ריכוז האלקטרונים, כלומר מספר החלקים באחד מטר מרובע, v - מהירות תנועת האלקטרונים. זה ברור ש v∙∆t∙∆S - זהו בעצם הנפח שדרכו ינועו האלקטרונים. נכפיל את הריכוז בנפח - נקבל חתיכות, כמה חתיכות אלקטרונים עברו. נכפיל את החלקים במטען של אלקטרון אחד - נקבל את סך המטען העובר בחתך הרוחב. אמרתי לך שהכל הוגן!

הבה נציג את הרעיון של צפיפות זרם. משעממים שכבר קראו על זה משהו יקראו עכשיו - אהה, זו כמות וקטורית! אני לא מתווכח, רבותי, זה וקטור. אבל כדי לפשט חיים קשים כבר, נניח שכיוון וקטור צפיפות הזרם עולה בקנה אחד עם ציר המוליך, וזה מה שקורה ברוב המקרים. לכן, וקטורים הופכים מיד לסקלרים. באופן גס, צפיפות הזרם היא כמה אמפר יש לאחד מטר מרובעחתכי מוליך. ברור, כדי לעשות זאת, אתה צריך לחלק את הזרם לפי השטח. יש לנו

עכשיו, אני מקווה, ברור למה שינינו את הנוסחה כך? כדי לצמצם המון דברים!

אנחנו זוכרים את העיקר - אנחנו מחפשים מהירות. בואו נביע את זה:

הכל יהיה בסדר, אבל אנחנו עדיין לא יודעים את הריכוז. בואו נזכור את הכימיה. הייתה נוסחה כזו

איפה ρ=8900 ק"ג/מ"ר 3- צפיפות של נחושת, N A =6·10 23המספר של אבוגדרו M=0.0635 ק"ג/מול - מסה מולארית.

רבותי, אני מקווה שלא יהיה צורך להסביר מאיפה הגיעה הנוסחה הזו. אני לא ממש טוב בכימיה, למען האמת. למרות שלמדתי בבית הספר במשך כל 11 השנים מחקר מעמיקכימיה, לעומת זאת, בכיתה ח' נכנסתי לשיעור פיסיקה ומתמטיקה, התעניינתי בפיזיקה, בעיקר בחלק שלה שמדבר על חשמל, ואפשר לומר, ויתרתי על כימיה. למעשה, הם לא שאלו אותנו לעומק על זה; היינו פיזיקאים. עם זאת, אם פתאום יתעורר הצורך, אני עדיין מוכן להתעמק בג'ונגל הכימי הזה ולומר לכם מה זה מה.

לפיכך, מהירות התנועה של אלקטרונים במוליך עם זרם שווה ל

בואו נחליף מספרים ספציפיים. ליתר ביטחון, הבה נגדיר צפיפות זרם של 5 A/mm 2.

יש לנו כבר את כל שאר המספרים. עלולה להתעורר השאלה - למה בדיוק 5 A/mm 2.

זה פשוט, רבותי. זו לא הפעם הראשונה שאנשים עוסקים באלקטרוניקה. ניסיון מסוים נצבר בתחום זה, או, במונחים מדעיים, נתונים אמפיריים. אז, נתונים אמפיריים אלה אומרים כי צפיפות הזרם המותרת בחוטי נחושת היא בדרך כלל 5-10 A/mm 2. בצפיפות זרם גבוהה יותר, תיתכן התחממות יתר בלתי קבילה של המוליך. עם זאת, עבור מסלולים במעגל מודפס ערך זה גבוה בהרבה ומסתכם ב-20 A/mm 2 או אפילו יותר. עם זאת, זה נושא לשיחה אחרת לגמרי. נחזור למשימה שלנו, כלומר, חישוב מהירות האלקטרונים במוליך. אם תחליף את המספרים, נקבל את זה

רבותי, החישוב מראה ללא עוררין שאלקטרונים במוליך נושא זרם נעים במהירות של 0.37 מילימטרים לשנייה בלבד! כל כך לאט. עם זאת, יש לזכור שלא מדובר בתנועה תרמית, אלא בכיוון. התנועה התרמית הרבה הרבה יותר גדולה, בסדר גודל של 100 קמ"ש. שאלה סבירה - למה האור מהבהב מיד כשאני מסובב את המתג? זוכר מה אמרתי על סוג של כוח כפייה? זה עליה! אבל עוד על כך במאמר הבא. בהצלחה רבה לכולכם, ולהתראות שוב!

הצטרף אלינו

במהלך שיעור זה תוגדר תופעת הזרם החשמלי, מצבים שוניםמהלך שלו והשפעותיו השונות על הגוף. כמו כן, נאפיין את הזרם באמצעות גודל הזרם, ניתן את הגדרתו, ונבחן גם את הקשר שלו עם כמויות פיזיקליות אחרות.

משיעור זה מתחילים לחזור על הידע שרכשנו בכיתה ח' על זרם חשמלי, וכן להעמיק את הידע הזה.

הַגדָרָה.חַשְׁמַל- תנועה מסודרת מכוונת של חלקיקים טעונים (איור 1).

אורז. 1. תנועה של חלקיקים טעונים

החלקיקים שהוזכרו יכולים להיות שונים לחלוטין: אלקטרונים, יונים (חיוביים ושליליים כאחד). אפילו מאקרוגוף רגיל (למשל כדור), שקיבלו מטען מסוים ומהירות מסוימת, מייצר זרם באמצעות תנועתו.

חשוב גם להבין שתנועה מסודרת לא חייבת להתרחב לכל החלקיקים. כל חלקיק יכול לנוע בצורה כאוטית, אבל באופן כללי כל המסה של החלקיקים הללו נעקרה לכיוון מסוים, ותזוזה זו היא שגורמת לנוכחות הזרם (איור 2).

אורז. 2. תנועה מסודרת

לשם הפשטות, נלמד את מה שנקרא זֶרֶם יָשָׁר, כלומר, הזרם שבו המהירות הממוצעת של חלקיקים טעונים אינה משנה לא את ערכו או את כיוונו.

הכמות הפיזית העיקרית המאפיינת את הזרם היא חוזק הזרם.

לזרם שלוש פעולות עיקריות (מאפיינים).

• תֶרמִי.כאשר זרם מועבר דרך מוליך, חום משתחרר באופן פעיל (איור 3).

אורז. 3. השפעה תרמית של זרם

• כִּימִי.זרימת זרם יכולה להשפיע מבנה כימיחומרים (איור 4).

אורז. 4. פעולה כימיתנוֹכְחִי

• מַגנֶטִי.נוכחות הזרם יוזמת את הנוכחות שדה מגנטי(איור 5).

אורז. 5. אפקט מגנטי של זרם

עוצמת הזרם נקבעת על ידי היחס בין המטען העובר בחתך ליחידת זמן (לכל מרווח זמן) (איור 6).

הַגדָרָה.חוזק נוכחי– כמות פיזיקלית השווה ליחס בין המטען העובר בחתך המוליך לבין פרק הזמן שבו עבר מטען זה.

יחידת מדידה: A – אמפר (לכבוד הפיזיקאי הצרפתי אנדרה-מארי אמפר (איור 7).

אורז. 7. אנדרה-מארי אמפר (1775-1836)

המכשיר למדידת זרם הוא מד זרם (איור 8, 9). זהו מכשיר חשמלי שיש לחבר במעגל בסדרה עם הקטע בו יש למדוד את עוצמת הזרם (איור 10).

אורז. 8. מראה חיצונימַד זֶרֶם

אורז. 9. ייעוד מד הזרם בתרשים החשמל

אורז. 10. מד הזרם מחובר בסדרה למעגל

ניתן להשוות זרם חשמלי לתנועת מים דרך צינור, ומד זרם הוא מכשיר שמודד את מהירות התנועה הזו.

הבה נבחן את המקרה של זרם ישר הזורם במוליך גלילי ונגזר נוסחה הקובעת את מהירות התנועה המסודרת של אלקטרונים במתכות.

אורז. 11. סכימה של זרימת זרם במוליך

נרשום את ההגדרה של זרם:

במהלך הזמן, כל אותם אלקטרונים שנמצאים בחלל המוליך, מוגבלים באורך (המרחק שעבר האלקטרונים בזמן), הצליחו לחצות את החתך. לכן ניתן לחשב אותו כך:

כאן: - מטען של חלקיק אחד; - ריכוז אלקטרונים במוליך.

בואו נחליף את השוויון הזה בהגדרה של חוזק זרם, ותוך התחשבות בעובדה שזהו הערך המוחלט של מטען האלקטרון:

מהירות ממוצעת של תנועה מסודרת של מטענים.

נקבל את הנוסחה:

כלומר, עוצמת הזרם ומהירות התנועה הכיוונית של אלקטרונים הם כמויות פרופורציונליות ישירות.

כדי לקבוע את ריכוז האלקטרונים, יש צורך ליישם נוסחאות מהקורס בפיסיקה מולקולרית. אם נניח שיש אלקטרון אחד לכל אטום של החומר המוליך, אז נכון הדבר הבא:

כשאנחנו יודעים את זה, אנחנו מקבלים:

הבה נחליף ו , היכן היא המסה המולרית (המסה של שומה אחת של חומר); - מספר אבוגדרו (מספר המולקולות בשומה אחת של חומר). אנחנו מקבלים:

כלומר, בהנחה שלנו, ריכוז האלקטרונים החופשיים תלוי רק בחומר המוליך (צפיפות ומסה מולרית).

אורז. 12. כל האלקטרונים לאורך כל נפח המוליך מתחילים לנוע כמעט בו זמנית

בשיעור הבא נבחן את התנאים שנוכחותם הכרחית לקיומו של זרם.

בִּיבּלִיוֹגְרָפִיָה

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. פיזיקה ( רמה בסיסית של) - M.: Mnemosyne, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. פיזיקה כיתה י'. - מ.: Ilexa, 2005.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. פיזיקה. אלקטרודינמיקה. - מ': 2010.

1. פורטל האינטרנט "Physics.ru" ().
2. פורטל האינטרנט "Mugo.narod.ru" ().
3. פורטל אינטרנט "זרם חשמלי. חוזק וצפיפות נוכחיים" ().

שיעורי בית

1. עמוד 101: מס' 775. פיזיקה. ספר בעיות. כיתות י'-י"א. רימקוביץ' א.פ. - M.: Bustard, 2013. ()
2. האם חלקיקים טעונים נעים במוליך שלא זורם דרכו זרם?
3. אילו השפעות של זרם ניתן לראות על ידי העברת זרם דרכו מי ים?
4. באיזה חוזק זרם עובר 32 C דרך חתך המוליך תוך 4 שניות?
5. *האם זרם חשמלי אפשרי בהיעדר שדה חשמלי?