Лекции по „Основи електроніки та електротехніки”

У провідниках другого  роду іони переміщуються до протилежно заряджених полюсів джерела.

Явище напрямленого руху вільних носіїв електричних зарядів у провіднику називають електричним струмом провідності або просто електричним струмом і позначають буквою I. Одиницею електричного струму є ампер (А). Струм, який з часом не змінює своєї величини і напряму, називається постійним (рис.).

Величина струму виражає  інтенсивність проходження заряду через провідник за одиницю часу:   I=Q/t

де Q — величина заряду, Кл; t — час, с; I — електричний струм, А.

Величина струму дорівнює одному амперу, якщо за одну секунду через поперечний переріз провідника переміщується заряд в один кулон: А == Кл/с. Дольними частинами ампера є міліампер (мА) і мікроампер (мкА): А  = 10^3 мА = 10^6 мкА; мА = 10^(-3) А; мкА = 10^(-6) А.

Поряд з терміном «величина струму»  вживають терміни «сила струму»  і «струм». Електричний струм  «проходить» або «тече» тільки по замкненому електричному колу.

Електричним колом називають сукупність різних пристроїв, джерел енергії (струму) та провідників, що їх з'єднують,утворюючи шлях проходження електричного струму (рис.).                           ..     Для постійного струму необхідне постійне електричне поле, яке підтримується джерелом постійної електричної енергії.

Електричні кола поділяють на нерозгалужені  та розгалужені.    У нерозгалуженому  колі струм у будь-якій точці кола є той самий. У розгалужених колах  на різних ділянках проходить різний струм. Розгалуження буває досить складним і різноманітним (в телевізорах, в електронних обчислювальних машинах та ін.).

Вимірюють струм приладом, який називається  амперметром.

Електричною схемою називають  графічне зображення електричного кола, на якому умовно подано його елементи та їх з'єднання.

Вважають, що в зовнішній частині  кола струм має напрям від позитивного затискача джерела струму (+), до негативного затискача (-). Цей напрям протилежний напряму руху електронів. У внутрішній частині кола (в джерелі електричної енергії) струм має напрям від негативного затискача до позитивного (див. рис. ).

Крім величини і напряму, струм  характеризується густиною.

Величину струму, що проходить  через одиницю площі поперечного  перерізу провідника електричного кола, називають густиною струму і позначають буквою j: j=I/S

де j — густина струму, А/мм^2; I — електричний струм; S — площа поперечного перерізу провідника, мм^2.

Електричний струм, проходячи по електричному колу, може викликати такі дії: теплову, магнітну, електродинамічну, біологічну, хімічну. Тому електричний струм широко застосовують у багатьох галузях науки, техніки та народного господарства.

Електропровідність і  опір провідників

Електропровідність. Інтенсивність, густина або величина струму в електричному колі пропорційна напруженості електричного поля (Е) і залежить від властивостей провідника, через який проходить струм.

Показник провідника, який визначає густину струму в даному електричному полі, називають електропровідністю і позначають буквою v: j= vE.

Щоб визначити фізичну суть електропровідності, розглянемо відрізок провідника l з поперечним перерізом S при напрузі U і напруженості електричного поля Е. Згідно з формулою: U=El, звiдки  E=U/l

Тоді  j=I/S= vS/l, I= vSU/l.

Поділивши на U, дістанемо: I/U= vS/l=G

Відношення  величини струму I до напруги джерела  енергії U називають провідністю, або  активною провідністю і позначають буквою G.

Провідність залежить від  електропровідності провідника v, його поперечного перерізу S i довжини l; вона визначає величину утворюваного струму при заданих розмірах і властивостях провідника, якщо напруга на його кінцях дорівнює 1 В. Часто використовують такий запис: G=I/U.

Одиницею провідності  е ампер на вольт (А/В) або сименс (См). А/В (См) = А/В.

Електропровідність провідника з поперечним перерізом один квадратний міліметр і довжиною один метр визначає питома електропровідність, яку позначають буквою у. Одиницею питомої електропровідності є сименс на метр (См/м).

Надпровідність. На початку XX ст. вченими було виявлено, що при температурах, близьких до абсолютного нуля (—273,16 °С або 0 К), деякі провідники втрачають властивості опору електричного струму. Це явище назвали надпровідністю.

Оскільки надпровідність може дати великий економічний ефект, то почалися роботи над тим, щоб дістати надпровідність при більш високих, або критичних, температурах Tк, коли провідник стає надпровідником. Якщо в 1911 р. для ртуті Tк = 4,1 К, то в 1965 р. було одержано сплави, критична температура яких 20,4 К.

У 1086 р. Швейцарські фізики одержали керамічний матеріал, Tк якого була близько З0 К, а в 1987 р. з'явилися матеріали з властивостями надпровідності при Тк = 100 К.

Фізичні явища надпровідності розглядаються в спеціальній літературі. Подамо напрями застосування надпровідників.

Надпровідники можуть застосовуватися:

 при передачі електроенергії, де в звичайних лініях втрати становлять близько 10 %. Проте, не дивлячись на дешевизну рідкого азоту, надпровідниковий матеріал дуже дорогий, крім того, на квадратний сантиметр він може пропустити лише тисячі ампер;

як сильні електромагніти. Надпровідники можуть мати велике магнітне поле у поїздах на магнітних подушках, швидкість таких поїздів — 500 км/год. Проте тут виникають питання про залізничне полотно і вплив магнітного поля на пасажирів;

для накопичення енергії. У катушках з надпровідників струм може циркулювати вічно, але якщо треба, то проходження його можна припинити. Проте магнітне поле буде розпирати таку катушку сильніше, ніж порохові гази в стволі гармати у момент розстрілу і витримувати це не долі секунд, а постійно. Матеріалів, що витримали б такий тиск немає;

у ЕОМ. Вони знижують виділення тепла схемою, сприяють підвищенню швидкості обчислення та ін.

Електричний опір. Електричний опір — це величина, що характеризує протидію електричного кола електричним зарядам, які рухаються.

Електричний опір є величиною, оберненою  до провідності: R=1/G.

На підставі формули можна записати: R=U/I, I=U/R, U=IR.

Одиницею електричного опору є 0м. Це опір такого провідника, в якому при різниці потенціалів  на його кінцях в І В встановлюється струм в І А:

Ом = В/А.

У техніці застосовуються елементи електричних кіл, які включаються  для електричного опору і називаються резисторами.

Опір провідника залежить від матеріалу, з якого він зроблений, від  розмірів (довжини та поперечного  перерізу) і від температури. В  електричному колі опір залежить і  від надійного з'єднання провідників  і елементів кола між собою та затискачами.

Залежність опору від матеріалу  і розмірів провідника визначається формулою:

R=rl/S,

де R — опір, 0м; r — питомий опір, 0м • м; l — довжина, м; S — площа поперечного перерізу, м².

Питомим опором називається  опір провідника довжиною 1 м з площею поперечного перерізу 1 м² при температурі 20 °С. Наприклад, r алюмінію — 0,029 х 10^(-6) 0м·м, нікеліну —0,4. 10^(-6) 0м·м. Питомий опір діелектриків дуже великий; так, для скла—5 х 10¹¹ 0м . м, ебоніту — 10¹⁰ 0м·м, слюди — 5 х 10¹⁴ 0м·м. З формули (2.9) маємо: r=RS/l

Звідси одиницею питомого опору є ом на метр (0м·м).

Питомий опір провідника можна визначити через питому електропровідність як обернену до неї величину: r_n=1/ v,

де r — питомий опір, a v — питома електропровідність провідника.

Якщо провідники з  металів і сплавів нагрівати, то в них зростає рух вільних  електронів, збільшується число зіткнень з іншими частинками і між собою), а отже, зменшується впорядкований рух електронів. Внаслідок цього опір провідника збільшується.

Величина, яка характеризує зміну одного ома опору провідника при зміні температури на 1 °С, називається температурним коефіцієнтом і позначається a. У широкому діапазоні зміни температури провідників з металів та сплавів їх опір визначається за формулою R₂=R₁(1+a(t₂-t₁)), де R₁ —опір провідника при температурі t₁, 0м; R₂— опір провідника при температурі t₂, 0м; a — температурний коефіцієнт, °С^(-1) Наприклад, температурний коефіцієнт алюмінію — 0,0042 °С^(-1) латуні — 0,002 °С^(-1) срібла—0,004 °С^(-1).

У деяких провідників  з підвищенням температури число  вільних зарядів збільшується, що приводить до зменшення опору. Такі провідники мають від'ємний температурний коефіцієнт. Наприклад, вугілля —0,0005 °С^(-1), електроліти—0,025 °С^(-1).

 

Електрорушійна  сила і напруга

Джерелом електричної  енергії називають пристрій, який перетворює різні види енергії в  електричну. У колах постійного струму джерелами електричної енергії є електромеханічні генератори, електрохімічні джерела (гальванічні елементи, акумулятори тощо), термоелектрогенератори (пристрої прямого перетворення теплової енергії в електричну), фотоелектрогенератори (перетворювачі променевої енергії в електричну).

Перетворення різних видів енергії в електричну пояснюється тим, що при певних умовах не електромагнітні процеси можуть утворювати електричні заряди. Сили, які викликають такий процес, називаються сторонніми. Наприклад, механічні — в електромеханічних генераторах, хімічні — в хімічних джерелах електричної енергії.

При перетворенні будь-якого  виду енергії в електричну в джерелі  відбувається розподіл позитивних і  негативних зарядів, що утворює електрорушійну силу. Таким чином, електричну енергію можна дістати з інших видів енергії, якщо є стороннє поле або iндуковане електричне поле.

 Величину, яка характеризує спроможність стороннього поля й індукованого електричного поля викликати електричний струм, називають електрорушійною силою (ЕРС) і позначають буквою Е.

ЕРС чисельно дорівнює роботі джерела електричної енергії  по переміщенню одиничного позитивного  електричного заряду вздовж всього кола. Математично електрорушійна сила визначається так: E=A/Q,

де Е — ЕРС джерела, В; А - робота, Дж; Q — величина перенесеного заряду, Кл. Одиницею ЕРС є вольт, В; В = Дж/Кл.

Джерело електричної  енергії утворює ЕРС в один вольт, якщо при переміщенні вздовж всього замкненого кола заряду в один кулон здійснюється робота в один джоуль. Позначають джерело електричної енергії буквою G. При наявності електричного струму в колі частина роботи джерела витрачається на переміщення зарядів вздовж зовнішньої ділянки кола (зосередженої, наприклад, в резисторі R), що утворює різницю потенціалів між двома точками електричного кола і називається напругою (U). Друга частина енергії витрачається на переміщення зарядів всередині джерела і називається спадом напруги всередині джерела (Uo). Якщо коло замкнене, то матимемо Ui Uo; а якщо коло розімкнене, то на затискачах напруга буде Е, причому E=U+U₀

де U — напруга на затискачах джерела, або спад напруги на зовнішній ділянці кола, a Uo — спад напруги всередині джерела. З формули маємо

U=E-U₀.

Напруга на затискачах джерела  при замкненому колі менша від його ЕРС на величину спаду напруги всередині джерела.

Якщо джерело виробляє ЕРС, але зовнішня ділянка кола відключена, то переміщення зарядів відсутнє   і спаду напруги всередині  джерела немає, uo = 0. Тоді напруга на затискачах дорівнює EPC,U = Е.

Вимірюють ЕРС і напругу вольтметром. Щоб виміряти ЕРС джерела, слід вольтметр підключити до затискачів паралельно джерелу, а зовнішнє електричну коло розімкнути.

Для вимірювання напруги  на ділянці кола вольтметр підключають  у точках кола, між якими треба  зробити вимірювання.

 

Закон Ома

Закон Ома є одним  з основних законів електротехніки. Він широко застосовується для аналізів та розрахунків електричних кіл і формулюється так:

величина струму в замкненому електричному колі прямо  пропорційна електрорушійній силі І вбернено пропорційна опору електричного кола:

I=E/(R+R_i),

де I— величина струму, А; Е — ЕРС джерела, В; R — опір зовнішньої ділянки кола, 0м; Ri — внутрішній опір джерела, 0м.

Фізична суть закону полягає  в тому, що чим більше ЕРС джерела, тим більше носіїв зарядів надходить на його затискачі, і збільшується швидкість руху зарядів. При цьому в одиницю часу по провіднику проходить більше носіїв зарядів, а тому збільшується величина струму. Якщо опір електричного кола збільшується, то збільшується протидія руху носіїв заряду, зменшується швидкість Їх і зменшується величина струму.

Закон Ома застосовується для будь-якого електричного кола і йоге ділянки. Для замкненого кола можна зробити такі висновки.

1. Електрорушійна сила дорівнює добутку величини струму на опір всього кола:

E=I(R+Ri).

2. Опір всього кола чисельно дорівнює відношенню ЕРС до струму: R+R_i=E/I .

З формули маємо Е = IR +IRі.

Це означає, що ЕРС  джерела витрачає енергію для  подолання опору кола і поділяється на дві частини — зовнішню частину кола, IR = U, і внутрішню, IRi = Uo. Тодi з формули IR = U можна записати закон Ома для ділянки електричного кола:

I=U/R,

тобто сила струму на ділянці електричного кола прямо .пропорційна спаду напруги на цій ділянці і обернено пропорційна опору даної ділянки.

 Для ділянки кола можна зробити такі висновки.

 1. Напруга на ділянці електричного кола дорівнює добутку величин струму і опору:

U=IR.