Дифференциальная форма закона полного тока

Трактовка и пределы применимости закона Ома

Закон Ома, в отличие от, например, закона Кулона, является не фундаментальным физическим законом, а лишь эмпирическим соотношением, хорошо описывающим наиболее часто встречаемые на практике типы проводников в приближении небольших частот, плотностей тока и напряжённостей электрического поля, но перестающим соблюдаться в ряде ситуаций.

В классическом приближении закон Ома можно вывести при помощи теории Друде:

J=n⋅e2⋅τm⋅E=σ⋅E.{\displaystyle \mathbf {J} ={\frac {n\cdot e_{0}^{2}\cdot \tau }{m}}\cdot \mathbf {E} =\sigma \cdot \mathbf {E} .}

Здесь:

σ{\displaystyle \sigma } — электрическая удельная проводимость;
n{\displaystyle n} — концентрация электронов;
e{\displaystyle e_{0}} — элементарный заряд;
τ{\displaystyle \tau } — время релаксации по импульсам (время, за которое электрон «забывает» о том, в какую сторону двигался);
m{\displaystyle m} — эффективная масса электрона.

Проводники и элементы, для которых соблюдается закон Ома, называются омическими.

Закон Ома может не соблюдаться:

При высоких частотах, когда скорость изменения электрического поля настолько велика, что нельзя пренебрегать инерционностью носителей заряда.
При низких температурах для веществ, обладающих сверхпроводимостью.
При заметном нагреве проводника проходящим током, в результате чего зависимость напряжения от тока (вольт-амперная характеристика) приобретает нелинейный характер. Классическим примером такого элемента является лампа накаливания.
При приложении к проводнику или диэлектрику (например, воздуху или изоляционной оболочке) высокого напряжения, вследствие чего возникает пробой.
В вакуумных и газонаполненных электронных лампах (в том числе люминесцентных).
В гетерогенных полупроводниках и полупроводниковых приборах, имеющих p-n-переходы, например, в диодах и транзисторах.

1.3.28

Проверке по экономической плотности тока не
подлежат:

сети промышленных предприятий и сооружений напряжением до 1
кВ при числе часов использования максимума нагрузки предприятий до 4000-5000;

ответвления к отдельным электроприемникам напряжением до 1
кВ, а также осветительные сети промышленных предприятий, жилых и общественных
зданий;

сборные шины электроустановок и ошиновка в пределах
открытых и закрытых распределительных устройств всех напряжений;

проводники, идущие к резисторам, пусковым реостатам и т.
п.;

сети временных сооружений, а также устройства со сроком
службы 3-5 лет.

Полный электрический ток

Полный электрический ток принято разделять на следующие основные виды: ток проводимости, ток переноса и ток смещения.

Полный электрический ток, проходящий сквозь замкнутый контур, равен интегралу напряжения магнитного поля по контуру, причем положительное направление прохождения сквозь контур и положительное направление обхода контура-связаны правилом правой руки.

Полный электрический ток содержит четыре составляющие. Поэтому эквивалентным многополюсником служит восьмиполюсник, который, однако, распадается на параллельно соединенные емкость двойного слоя Ся д и шестиполюсник.

Полный электрический ток j определяется как изменение полного электрического смещения, отнесенное к единице времени. Он включает обычный электрический ток вместе с током смещения Максвелла.

Полный электрический ток дрейфа определяется суммой электронной и дырочной компонент, причем оба члена этой суммы имеют одинаковые знаки, так как выражения (4.114) и (4.115) различаются не только знаком заряда электронов и дырок, но и знаком их подвижности.

Полный электрический ток электрохимической реакции, включающей две адсорбционные стадии, как видно из уравнения (10.24), содержит три составляющих — емкостный ток и два адсорбционных тока.

Полным электрическим током называется совокупность всех явлений, при которых образуется магнитное поле.

Полным электрическим током называется совокупность всех явленищ при которых образуется магнитное поле.

Полным электрическим током называется совокупность всех явлений, при которых образуется магнитное поле.

Очевидно, что полный электрический ток представляет собой два разнородных явления: движение электрических зарядов и изменение электрического поля во времени. Поэтому полный электрический ток представляет собой совокупность явлений, при которых образуется магнитное поле, причем токи смещения преобладают в диэлектриках, токи проводимости — в проводниках, а в полупроводниках нужно учитывать все составляющие полного тока.

Интенсивность часто характеризуют полным электрическим током, создаваемым пучком. Для получения тока, очевидно, надо умножить число частиц, вылетающих за одну секунду, на заряд отдельной частицы.

Этот важный принцип гласит: полный электрический ток сквозь взятую в какой угодно среде замкнутую поверхность равен нулю. При этом выходящий из поверхности ток считается положительным, входящий — отрицательным.

Постоянное магнитное поле настолько велико, что полный электрический ток, обусловленный электрическим полем, направлен параллельно магнитному полю. Составляющая электрического поля в направлении, перпендикулярном к магнитному полю, приводит к поперечному дрейфу плазмы без ускорения. Если электрическое поле параллельно магнитному, массовая скорость плазмы равна нулю и магнитное поле вообще можно не учитывать.

9.1.4. Неразветвленная магнитная цепь

Задачей расчета неразветвленной магнитной цепи в большинстве случаев является определение МДС F=Iw , необходимой для того, чтобы получить заданные значения магнитного потока или магнитной индукции в некотором участке магнитопровода (чаще всего в воздушном зазоре).

На рис. 9.9 приведен пример неразветвленной магнитной цепи — магнитопровод постоянного поперечного сечения S1

с зазором. На этом же рисунке указаны другие геометрические размеры обоих участков магнитопровода: средняя длинаl1 магнитной линии первого участка из ферромагнитного материала и длинаl2 второго участка — воздушного зазора. Магнитные свойства ферромагнитного материала заданы основной кривой намагничиванияВ(Н) (рис. 9.10) и тем самым по (9.4) зависимостьюma(Н).

По закону полного тока (9.2)

где H1

иH2 — напряженности магнитного поля в первом и втором участках.

В воздушном зазоре значения магнитной индукции В2

и напряженностиH2 связаны простым соотношениемВ2 =mН2 , а для участка из ферромагнитного материалаВ1 =ma1Н1. Кроме того, в неразветвленной магнитной цепи магнитный поток одинаков в любом поперечном сечении магнитопровода:

Ф = В1S1=B2S2, (9.6)

где S1

иS2 — площади поперечного сечения участка из ферромагнитного материала и воздушного зазора.

Если задан магнитный поток Ф

, то по (9.6) найдем значения индукцийB1 иB2 . Напряженность поляH1 определим по основной кривой намагничивания (рис. 9.10), аH2 =B2m . Далее по (9.5) вычислим необходимое значение МДС.

Сложнее обратная задача: расчет магнитного потока при заданной МДС F

Заменив в (9.5) напряженности магнитного поля значениями индукции, получим

или с учетом (9.6)

где rMk=lkSkmak — магнитное сопротивлениеk -гoучастка магнитной цепи, причем магнитное сопротивлениеk -гo участка нелинейное, если зависимостьВ(H) для этого участка нелинейная (рис. 9.10), т.е.mak ≠ const.

можно построить вебер-амперную характеристику — зависимость магнитного потокаФ от магнитного напряженияUM на этом участке магнитопровода. Вебер-амперная характеристика участка магнитопровода рассчитывается по основной кривой намагничивания ферромагнитного материалаВ(H) . Чтобы построить вебер-амперную характеристику, нужно ординаты и абсциссы всех точек основной кривой намагничивания умножить соответственно на площадь поперечного сечения участкаS и его среднюю длинуl .

На рис. 9.11 приведены вебер-амперные характеристики Ф

(UM1 ) для ферромагнитного участка с нелинейным магнитным сопротивлениемrM1 иФ (UM 2) для воздушного зазора с постоянным магнитным сопротивлениемrM 2 =l2S2m магнитопровода по рис. 9.9.

Между расчетами нелинейных электрических цепей постоянного тока и магнитных цепей с постоянными МДС нетрудно установить аналогию. Действительно, из уравнения (27.7) следует, что магнитное напряжение на участке магнитной цепи равно произведению магнитного сопротивления участка на магнитный поток UM

=rMФ . Эта зависимость аналогична закону Ома для резистивного элемента электрической цепи постоянного токаU = rI . Сумма магнитных напряжений в контуре магнитной цепи равна сумме МДС этого контураSUM =SF , что аналогично второму закону Кирхгофа для электрических цепей постоянного токаSU =SE. Продолжая дальше аналогию между электрическими цепями постоянного тока и магнитными цепями с постоянными МДС, представим неразветвленную магнитную цепь (рис. 9.9) схемой замещения (рис. 9.12, а).

Советуем изучить Штроборез своими руками – что это такое, пошаговая инструкция

В качестве иллюстрации ограничимся применением для анализа неразветвленной магнитной цепи графических методов: метода сложения вебер-амперных характеристик (рис. 9.11) и метода нагрузочной характеристики (рис. 9.12, б).

Согласно первому методу построим вебер-амперную характеристику всей неразветвленной магнитной цепи Ф

(UM1 +UM 2), графически складывая по напряжению вебер-амперные характеристики ее двух участков. При известной МДСF=Iw по вебер-амперной характеристике всей магнитной цепи определим рабочую точкуА , т. е. магнитный потокФ , а по вебер-амперным характеристикам участков магнитопровода — магнитные напряжения на каждом из них.

Согласно второму методу для второго (линейного) участка построим нагрузочную характеристику

т. е. прямую, проходящую через точку F

на оси абсцисс и точкуFrM2 на оси ординат. Точка пересеченияА нагрузочной характеристики с вебер-амперной характеристикой ферромагнитного участка цепи Ф(UM1 ) определяет магнитный потокФ в цепи и магнитные напряжения на ферромагнитном участкеUM1 и воздушном зазореUM2 . Значение индукции в воздушном зазореB2= Ф/S2 .

Физический смысл закона

Рассмотрим упрощённый вариант влияния магнитной индукции на электрическое поле. Для этого представим себе два параллельных проводника, по которым циркулируют постоянные токи, например, I1 и I2. Вблизи этих проводников образуется поле, которое мысленно можно ограничить неким контуром L – воображаемой замкнутой фигурой, плоскость которой пересекает потоки движущихся зарядов.

В пределах плоскости, охватываемой контуром L, формируется магнитное поле, напряжённость которого распределена в соответствии с направлениями токов. При этом циркуляция вектора магнитного поля в плоскости замкнутого контура прямо пропорциональна сумме токов, пронзающих данный контур. Полный электрический ток равен векторной сумме его составляющих:

Направления векторов I1 и I2 определяется по правилу буравчика.

Приведённые выше рассуждения можно рассматривать в качестве примера изображающего упрощённую модель частного случая рассматриваемого закона. В действительности же, процессы взаимного влияния магнитных и электрических полей намного сложнее, и они описываются интегральными и дифференциальными уравнениями Максвелла.

9.1.5. Неразветвленная магнитная цепь с постоянным магнитом

Рассмотрим расчет простейшей
неразветвленной магнитной цепи с постоянным магнитом. Предположим, что тороид длиной l и площадью поперечного сечения S (рис. 9.13,а) изготовлен из магнитно-твердого
материала, часть предельного статического цикла гистерезиса которого В(Н) изображена на рис. 9.13, б. Материал тороида был предварительно намагничен так, что его
магнитное состояние характеризуется остаточной индукцией В_r.

Вырежем из тороида участок длинойl_B << l (рис. 9.13, в). Оставшаяся часть тороида будет постоянным магнитом, а в образовавшемся
воздушном зазоре магнитное поле возбуждается этим постоянным магнитом.
Пренебрегая неоднородностью магнитного поля в воздушном зазоре, будем считать,
что всюду в зазоре магнитное поле характеризуется напряженностью магнитного поляH_B и
индукцией В_B = mH_B. Учтем, что вследствие
“выпучивания” магнитных линий в воздушном зазоре площадь поперечного
сечения воздушного зазора S_B больше площади поперечного сечения
постоянного магнита S_m = S.

По закону полного тока (9.5) для контура,
совпадающего со средней линией магнитопровода,

H_Ml_M + H_Bl_B = 0 (9.8)

где H_Mи l_M– напряженность магнитного ноля и длина средней линии
постоянного магнита.

Из (9.8) следует, что

(9.9)

Кроме того, так как магнитный
поток Ф в неразветвленной магнитной цепи
постоянен, то

(9.10)

Подставив значение индукции в
воздушном зазоре В_Bиз (9.10) в (9.9), получим уравнение прямой линии,
проходящей через начало координат (рис. 9.13, б):

(9.11)

где N_M = S_Ml_BmS_Bl_M – коэффициент размагничивания постоянного
магнита.

Точка пересечения А
прямой Н_M = –N_MB_M и предельного статического цикла
гистерезиса материала В(Н) определяет индукцию в магните В = В_M, а следовательно, и индукцию в воздушном
зазоре по (9.10).

Если в воздушный зазор
медленно вводить ферромагнитный замыкатель с малым
магнитным сопротивлением, то значение индукции в магнитопроводе
будет увеличиваться по частному гистерезисному циклу, показанному на
рис. 9.13, б штриховой линией. При многократном магнитном замыкании и
размыкании воздушного зазора изменение индукции магнита происходит по
некоторому установившемуся частному циклу.

Для получения больших
значений индукции в воздушном зазоре необходимо изготовлять постоянный магнит
из магнитно-твердых материалов, т. е. с большим значением коэрцитивной силы Н_C.

Контрольные вопросы по теме
9.1.

1. Почему сердечники трансформаторов
изготовляют из стали? Можно ли в сердечниках
трансформаторов применять алюминий?

2. Замкнутый сердечник катушки
изготовлен из ферромагнитного материала, известна напряженность магнитного поля
в сердечнике. Как найти магнитную индукцию в сердечнике?

3. При изготовлении сердечника
трансформатора из электротехнической
стали в местах соединения его участков (между стержнем и ярмом) остается
некоторый воздушный зазор. Почему этот зазор стремятся по возможности
уменьшить?

4. Свойства ферромагнитных материалов
связаны с изменением ориентации магнитных моментов доменов. Как объяснить с
этой точки зрения магнитное насыщение, магнитный гистерезис и остаточную
намагниченность?

Задание для самостоятельной
работы по теме 9.1.

1. На замкнутый сердечник, длина которого 30 см и поперечное сечение S = 5 см2, намотана
обмотка, состоящая из 500 витков. Определить индуктивность катушки и магнитный
поток в сердечнике при токе в обмотке I =3 A, если
сердечник изготовлен:

– из электротехнической
стали;

– из неферромагнитного материала.

Найти абсолютную магнитную проницаемость
электротехнической стали при найденных величинах В и
Н.

2. Кольцевая катушка содержит 600 витков и имеет
сердечник, средний радиус которого r = 5 см и площадь поперечного
сечения S = 6 см2.
Магнитный поток в сердечнике Ф = 36 мкВб. Определить ток и индуктивность кактушки
в двух случаях:

– сердечник неферромагнитный;

– сердечник из
электротехнической стали.

3. В равномерном магнитном поле с индукцией В = 1,2 Тл находится прямолинейный проводник длиной 80 см с током I = 20A. Определить
силу, действующую на проводник в различных случаях его расположения по
отношению к магнитному полю: угол aмежду направлением тока и
вектора магнитной индукции равен 30°, 60° и 90°.

Формула закона полного тока

В этом разделе приведены формулы для уточненных расчетов и примеры типовых конструкций. Для интегральных вычислений вполне подходит закон Гаусса, который применяют в электростатике.

Интегральная формула закона полного тока

Пояснения:

L – обозначает замкнутый контур, созданный по произвольной траектории;
векторы В и r направлены перпендикулярно;
dl (dl0) – элементы произвольной части (силовой линии), соответственно;
ϕ – угол между элементами.

Из формулы на рисунке понятно, что циркуляция вектора индукции не равняется нулю. Такие поля называют «соленоидальными» или вихревыми. В отличие от электродинамики, в данном случае отсутствуют потенциальные характеристики. Как и в базовом определении, полный ток определяется циркуляцией магнитной индукции (векторное выражение) по контуру произвольной формы, окружающему сумму токов.

Формула для расчета индуктивности, которую создает длинный соленоид

В этом примере n – число витков обмотки на единицу длины основы.

Расчет параметров поля внутри тороида

Параметры:

количество сделанных витков – N;
внешний, внутренний и произвольный радиусы – R1, R2 и r.

Следует помнить! Вне тороида магнитное поле равно нулю.

Рассмотренные методики расчетов применяют с учетом реальных условий. Особое значение при выборе компонентов конструкций уделяют ферромагнитным свойствам сердечника. Проводники для обмоток выбирают с запасом, учитывая максимальную силу тока источника.

Советуем изучить Разделение автоматических выключателей по время токовым характеристикам

Закон Ома

Сопротивление тока: формула

Для токопроводящей среды, обладающей изотропными характеристиками, данный закон имеет следующий вид:

j=E* σ,

где j – плотность идущего электротока, Е – полевая напряженность в рассматриваемой точке (скалярная величина, как и предыдущая), а σ – удельная проводимость средового окружения.

Что касается работы электрополя для такой среды (w), то она может быть выражена следующими формулами:

w= E2* σ=j2/σ=p*j2 (p здесь – удельное сопротивление).

Выражение для работы в этом случае примет вид:

w=E* σ *E=j*p*j (E и j в данном случае – скалярные величины).

В матрице справа налево умножают столбчатый вектор на строчной и на матрицу. Тензорные величины р и σ генерируют релевантные им квадратичные формы.

Использование плотности тока на практике

Очень часто возникает вопрос о возможности использования конкретного провода для тех или иных целей. То есть, способен ли он выдержать определенную нагрузку

В этих случаях, очень важно определить плотность электротока с допустимой величиной

Данный показатель очень важен, поскольку в каждом проводнике возникает сопротивление току, протекающему через него. Происходят потери тока, из-за чего проводник начинает нагреваться. При слишком больших потерях, наступает критическое нагревание, вызывающее расплавление проводника. Чтобы исключить подобные ситуации, каждому прибору или потребителю устанавливается наиболее оптимальная плотность тока, формула которой позволит рассчитать .

Когда возникает необходимость выбрать нужное сечение провода или кабеля, необходимо учитывать допустимое значение плотности электротока. Для практических расчетов во время проектирования используются специальные таблицы и формулы, позволяющие получить желаемый результат.

Для разных существуют различные значения плотности. В настоящее время используются только медные провода, в которых плотность электротока не должна превышать 6-10 А/мм2. Это особенно актуально для долговременной эксплуатации, когда проводке обеспечивается облегченный режим. Допускается эксплуатация и при повышенных нагрузках, только на очень короткое время.

Электрическим током называется направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц.

Электрический ток в проводниках различного рода представляет собой либо направленное движение электронов в металлах (проводники первого рода), имеющих отрицательный заряд, либо направленное движение более крупных частиц вещества – ионов, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд – в электролитах (проводники второго рода), либо направленное движение электронов и ионов обоих знаков в ионизированных газах (проводники третьего рода).

За направление электрического тока условно принято направление движения положительно заряженных частиц.

Для существования электрического тока в веществе необходимо:

наличие заряженных частиц, способных свободно перемещаться по проводнику под действием сил электрического поля;
наличие источника тока, создающего и поддерживающего в проводнике в течение длительного времени электрическое поле.

Количественными характеристиками электрического тока являются сила тока I и плотность тока j.

Сила тока – скалярная физическая величина, определяемая отношением заряда q, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени t, к этому промежутку времени.

Единицей силы тока в СИ является ампер (А).

Если сила тока и его направление со временем не изменяются, то ток называется постоянным.

Единица силы тока – основная единица в СИ 1 А – есть сила такого неизменяющегося тока, который, проходя по двум бесконечно длинным параллельным прямолинейным проводникам очень маленького сечения, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает силу взаимодействия между ними 2·10 -7 Н на каждый метр длины проводников.

Рассмотрим, как зависит сила тока от скорости упорядоченного движения свободных зарядов.

Выделим участок проводника площадью сечения S и длиной l (рис. 1). Заряд каждой частицы q 0 . В объеме проводника, ограниченном сечениями 1 и 2, содержится nSl частиц, где n – концентрация частиц. Их общий заряд

Если средняя скорость упорядоченного движения свободных зарядов , то за промежуток времени

все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через сечение 2. Поэтому сила тока:

Таким образом, сила тока в проводнике зависит от заряда, переносимого одной частицей, их концентрации, средней скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника.

Заметим, что в металлах модуль вектора средней скорости упорядоченного движения электронов при максимально допустимых значениях силы тока ~ 10 -4 м/с, в то время как средняя скорость их теплового движения ~ 10 6 м/с.

J – это векторная физическая величина, модуль которой определяется отношением силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника, т.е.

В СИ единицей плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м 2).

Как следует из формулы (1),

направление вектора плотности тока совпадает с направлением вектора скорости упорядоченного движения положительно заряженных частиц. Плотность постоянного тока постоянна по всему поперечному сечению проводника.

Виды электротока, условия протекания

Частицы, несущие заряд, могут перемещаться в толще проводника беспорядочно или целенаправленно двигаться в определенном направлении. Во втором случае говорят о наличии электрического тока. Основная его характеристика – наличие вектора перемещения. Вектор токового движения идентичен направлению заряженных частиц.

Хаотичное и направленное перемещение заряженных частиц

Важно! Токовый ход может быть постоянным и переменным. В первом случае поток частиц перемещается четко в одном направлении по прямой, без колебаний и возмущений. Во втором – имеют место синусоидальные колебания с определенной частотой

Для трансформации (выпрямления) переменного электротока применяют специальные устройства. Вообще для существования константного тока требуется, чтобы с одного конца проводникового элемента все время имел место избыток отрицательно заряженных частиц, а со второго – дефицит. Также требуется сила, которая будет эти заряды перемещать

Во втором – имеют место синусоидальные колебания с определенной частотой. Для трансформации (выпрямления) переменного электротока применяют специальные устройства. Вообще для существования константного тока требуется, чтобы с одного конца проводникового элемента все время имел место избыток отрицательно заряженных частиц, а со второго – дефицит. Также требуется сила, которая будет эти заряды перемещать.

Переменный ток, в противоположность постоянному, не требует соблюдения полярности. В отличие от постоянного, он имеет частоту – так называется количество смен направления перемещения частиц за единицу времени. В стандартной бытовой сети число таких смен равно 50 в секунду. Различные приборы, питающиеся от аккумуляторных элементов и батарей, а также бытовая техника, ноутбуки, стационарные компьютеры потребляют постоянный электроток. Сама батарея является генератором постоянного токового хода, но его можно инвертировать в переменный с помощью специальных устройств.

Ток, вызываемый электрополем, принято называть током проводимости. Элементарные частицы, переносящие заряд, отличаются у разных типов проводниковых материалов. В случае металлических элементов это свободные электроны, у части полупроводниковых материалов – целенаправленно движущиеся ионы. В электролитах (в том числе применяемых в аккумуляторных батареях) ионы с плюсовым и минусовым зарядами движутся в разные стороны. Последнее характерно для всех проводников, представляющих собой жидкости.

В конвекционном электротоке электроны перемещаются под действием инерции. Еще одна разновидность тока – протекающий в вакуумных условиях (такое явление применяется в электронных лампочках). Основными характеристиками электротока являются сила и плотность тока.

Направленное перемещение электронов в проводнике

Закон полного тока простыми словами