Тұрақты электр тоғы

Электр тогы деп электр зарядтарының реттелген қозғалысын айтады.

Өткiзгiштегi оң зарядталған бөлшектердiң қозғалыс бағыты электр тогының бағыты ретiнде алынады.

Ток күшi деп аталатын скалярлық шама I электр тогының сандық сипаттамасы болады. Өткiзгiштiң көлденең қимасы арқылы бiр уақыт аралығында тасымалданатын заряд мөлшерiн ток күшi дейдi. Егер өткiзгiштiң көлденең қимасы арқылы Δt уақыт аралығында Δq заряды тасымалданса, ток күшi:  (5.1) тең болады.

Халықаралық бiрлiктер жүйесiнде СИ ток күшi ампермен (1 А) өлшенедi. Ол француз ғалымы Андре Мари Ампердiң атымен аталады.

Өткiзгiштегi ток күшiнiң ток тасушылар концентрациясына n, олардың бағытталған қозғалысының жылдамдығына v, өткiзгiштiң қимасының ауданына S және әрбiр ток тасушының тасымалдаған зарядына q тәуелдiлiгi мынадай болады:

I = qnvS. (5.2)

Немiс физигi Георг Ом ток күшi тiзбектiң бөлiгiндегi кернеуге тура пропорционал екенiн тапты:

I~U .

Ол өткiзгiштi басқа өткiзгiшпен ауыстырғанда тiзбектегi кернеу дәл сондай, ал ток күшi өзгеше болатынын байқады. Демек, әр түрлi өткiзгiштер тiзбектегi ток күшiн әр түрлi шектейдi. Тәжiрибелер нәтижелерiн математикаша былай жазуға болады:

 немесе  , (5.3)

мұндағы   -пропорционал коэффициентi, ол өткiзгiштердiң қасиетiне тәуелдi. Өткiзгiштiң тiзбектегi ток күшiн шектеу қасиетiн сипаттайтын шама кедергi деп аталады. Еркiн электрондардың кристалл торының иондарымен соқтығысуы өткiзгiш кедергiсiне себеп болады.

(5.3) өрнегi бойынша, ток күшi тiзбек бөлшегiндегi кернеуге тура пропорционал және сол бөлшектiң кедергiсiне керi пропорционал болады (5.1 сурет):

Ом заңы бойынша өткiзгiш кедергiсi өткiзгiштiң ұштарындағы кернеудiң ток күшiне қатынасына тең:

. (5.4)

Халықаралық бiрлiктер жүйесiнде СИ кедергi оммен (1 Ом) өлшенедi:

.

§ 5.2 Өткiзгiштердi тiзбектей және параллель қосу. Өткiзгiштiң меншiктi кедергiсi

Өткiзгiштер тiзбектей қосу: Барлық өткiзгiштер тiзбекке бiрiнен кейiн бiрi тiзiлiп қосылады (5.2 сурет).

Өткiзгiштер тiзбектей қосылғанда:

а) барлық өткiзгiштердегi ток күшi бiрдей

, (5.5)

б) тiзбектегi кернеу бөлiктер кернеулерiнiң қосындысына тең

, (5.6)

в) өткiзгiштердегi кернеу олардың кедергiлерiне тура пропорционал

, (5.7)

г) тiзбектей қосылған n өткiзгiштердiң толық кедергiсi бөлiктердiң кедергiлерiнiң қосындысына тең:

. (5.8)

Өткiзгiштер параллель қосу (5.3 сурет).

а) тарамдалмаған бөлiктегi ток күшi тарамдалған бөлiктердегi ток күштерiнiң қосындысына тең

, (5.9)

б) параллель қосылған тiзбек бөлiктерiндегi кернеулер бiрдей

, (5.10)

в) тарамдалған тiзбектiң бөлiктерiндегi ток күштерi олардың кедергiлерiне керi пропорционал

. (5.11)

Өткiзгiштiң кедергiсi оның материалына және геометриялық өлшемдерiне тәуелдi. Ұзындығы l және көлденең қимасының ауданы S болатын өткiзгiштiң кедергiсi мынаған тең (5.4 сурет):

, (5.12)

мұндағы ρ -өткiзгiштiң меншiктi кедергiсi. Меншiктi кедергiнiң сандық мәнi берiлген материaлдан жасалған ұзындығы 1 метр және көлденең қимасының ауданы 1 м² болатын цилиндiрлiк өткiзгiштiң кедергiсiне тең.

§ 5.3 Электр қозғаушы күш. Тұйық тiзбек үшiн Ом заңы

Қарама-қарсы таңбалы зарядтар тасыйтын екi ток өткiзетiн денелердi алайық. Егер осы денелердi өткiзгiш арқылы қоссақ, сол зарядтардың электр өрiсiнiң әсерiнен өткiзгiште электр тогы пайда болады (5.5 сурет). Бiрақ бұл ток өте қысқа уақыт болады. Екi дене арасындағы электр өрiсi әлсiзденедi де, ақыр аяғында денелердiң потенциалдары теңесуiнiң нәтижесiнде жоқ болады.

Тұйық контурдағы электр қозғаушы күш (қысқаша ЭҚК) зарядты контурдың бойымен орын ауыстыруындағы бөгде күштердiң жұмысының сол зарядқа қатынасын анықтайды:

Толық тiзбек үшiн Ом заңы. ЭҚК-i ε, кедергiсi r (iшкi кедергi) ток көзiнен кедергiсi R болатын сыртқы тiзбек бөлiгiнен тұратын тұйық тiзбектек үшiн Ом заңы

 (5.14)

формуласымен өрнектеледi (5.6 сурет). Тұйық тiзбектегi ток күшi ток көзiнiң ЭҚК-нiң, тiзбектiң сыртқы және iшкi кедергiлер қосындысына қатынасына тең.

§ 5.4 Ток көзiнiң ЭҚК-i және оның iшкi кедергiсi

Егер көздiң полюстарын көздiң iшкi кедергiсiмен салыстарғанда өте аз кедергiсi бар өткiзгiпен жалғастырса, қысқаша тұйықталу жағдайы болады.

Егер сыртқы тiзбектiң сыртқы кедергiсi R=0 болса, қысқаша тұйықталудың ток күшiнiң максимал шамасы

  (5.15)

болатыны Ом заңынан шығады. Осыдан қысқаша тұйықталудың ток күшi көздiң ЭҚК-сынан басқа iшкi кедергiсiне де тәуелдi екенiн көремiз. Сондықтан қысқаша тұйықталу әр түрлi iшкi кедергiсi бар ток көздерi үшiн әр түрлi қауып келтiредi.

Ток көзiнiң iшкi кедергiсi зарядтар қозғалатын ток көзiнiң iшiндегi ортаны сипаттайды.

. (5.16)

§ 5.5 Ток көзiнiң пайдалы әрекет коэффициентi (ПӘК). ПӘК-тың сыртқы жүкке тәуелдiлiгi.

Тұйық тiзбектегi ток көзiнiң толық қуаты мынаған тең:

, (5.17)

мұндағы I -ток күшi , ε-ток көзiнiң ЭҚК-i.

Сыртқы тiзбектегi пайдалы қуат N_n тiзбектегi кернеудiң ток күшiне көбейтiндiсiне тең болады:

. (5.18)

Пайдалы қуаттың толық қуатқа қатынасын ток көзiнiң пайдалы әрекет коэффициентi дейдi:

. (5.19)

(5.13) толық тiзбек және (5.3) тiзбектiң бөлiгi үшiн Ом заңдарын пайдалынып, пайдалы қуаттың ток көзiнiң ЭҚК-i, оның iшкi және сыртқы кедергiлерi арқылы өрнегiн табуға болады:

. (5.20)

(5.18) қатынасының экстремумын зерттеп, яғни N_n -ның R бойынша туындысын нолге теңеп , пайдалы қуаттың максимал шамасы сыртқы кедергi iшкi кедергiге тең (R= r) жағдайда болатының табамыз.