Հաստատուն Հոսանք

Էլեկտրական Հոսանք                        

Հաղորդիչում առկա ազատ լիցքերը, համաձայն մոլեկուլային-կինետիկ տեսության, կատարում են անկանոն, քաոսային շարժում: Սա նշանակում է, որ յուրաքանչյուր պահի որևէ ուղղությամբ միջին հաշվով շարժվում է նույնքան լիցքավորված մասնիկ, որքան և հակառակ ուղղությամբ: Այդ պատճառով հաղորդչի լայնական հատությով անցած գումարային լիցքը զրո է, և հաղորդչում լիցքի մակրոսկոպական տեղափոխություն չի կատարում: (տես նկար 1 ա)

նկար 1

Պատկերն էապես փոխվում է հաղորդչի ծայրերին պոտենցիալների տարբերություն կիրառելիս, այսինքն՝ երբ նրա մեջ ստեղծվում է էլեկտրական դաշտ: Էլեկտրական դաշտը յուրաքաչյուր ազատ լիցքի վրա ազդում է որոշակի ուժով, որի ազեցությամբ մասնիկները փոխում են իրենց արագությունը: Եթե ազատ մասնիկներն ունեն դրական լիցք, ապա արագության այդ փոփոխությունն ունի էլեկտրական դաշտի լարվածության ուղղությունը, բացասական լիցքի դեպքում՝ դաշտի լարվածության հակադիր ուղղությունը: Ազատ լիցքերի շարժումն արդեն լրիվ քաոսային չէ. Ջերմային շարժման հետ մեկտեղ նրանք կատարում են ուղղորդված, կարգավորված շարժում: (տես նկար 1 բ) Լիցքավորված մասնիկների ուղղորդված շարժումը, որի հետևանքով տեղի է ունենում լիցքի տեղափոխություն, կոչվում է էլեկտրական հոսանք:                                                                            

Հոսանքի Ուղղություն                                                                                                                                             

Որպես հոսանքի ուղղություն՝ պայմանականորեն ընդունված է դրականապես լիցքավորված մասնիկների ուղղորդված շարժման ուղղությունը: Եթե հոսանքը պայմանավորված է բացասականապես լիցքավորված մասնիկների շարժմամբ, ինչպես մետաղներում է, ապա հոսանքի ուղղությունը հակադիր է մասնիկների ուղղորդված շարժման ուղղությունը:                                  

Հոսանքի Շարժման Ուղղություն                                 

Էլեկտրական հոսանք ստանալու համար նախ անհրաժեշտ է, որ նյութում լինեն լիցքավորված ազատ մասնիկներ: Բացի այդ՝ ազատ լիցքակիրներն կարգավորված շարժում հաղորդելու համար հաղորդչում անհրաժեշտ է նաև էլեկտրական դաշտի առկայություն: Եթե ուղղարդված շարժում կատարող մասնիկները միջավայրում խոչընդոտների չհանդիպեին, ապա էլեկտրական դաշտ չէր պահանջվի: Սակայն իրականում ազատ լիցքակիրներն անընդհատ բախվում են միջավայրի ատոմներին ու իոններին: Յուրաքանչյուր բախումից հետո մասնիկները թռչում են պատահական ուղղություններով, որի հետևանքով նրանց ուղղորդված շարժումը փոխակերպվում է անկանոն (ջերմային) շարժման:

Հաստատուն Էլեկտրական Հոսանք

Միավոր ժամանակամիջոցում հաղորդչի լայնական հատույթով անցած լիցքի քանակը ժամանակի ընթացքում կարող է փոփոխվել կամ մնալ հաստատուն: Հոսանքը կաչվումմ է հաստատուն, եթե հաղորդչի լայնական հատույթով կամայական հավասար ժամանակամիջոցներում անցնում է լիցքի նույն քանակը:  Էլեկտրական հոսանքի քանակական բնութագրիչը հոսանքի ուժ կոչվող ֆիզիկական մեծությունն է: Հաստատուն հոսանքի ուժ կոչվում է այն սկալյար մեծությունը, որը հավասար է հաղորդչի լայնական հատույթով անցած լիցքի և այն ժամանակամիջոցի հարաբերությանը, որի ընթացքում այդ լիցքն անցել է: Եթե Δt ժամանակամիջոցում հաղորդչի լայնական հատույթով սնցնում է Δq լիցք, ապա հոսանքի ուժը՝ 

նկար 2

Համաձայն սույն սահմանման՝ հոսանքի ուժը թվապես հավասար  միավոր ժամանակամիջոցում հաղորդչի լայնական հատույթով անցած լիցքին: Եթե հայտնի է հաստատուն հոսանքի ուժը, ապա որևէ Δt ժամանակամիջոցում հաղորդչի լայնական հատույթով անցած լիցքը կորոշվի Δq = IΔt բանաձևով: Միավորների ՄՀ-ում հոսանքի ուժի միավորը մեկ ամպերն է, որը հիմնական միավորն է և սահմանվում է հոսանքակիր հաղորդչի մագնիսական փոխազդեցության հիման վրա: (Տես Նկար 2)  Հոսանքի ուժը հավասար է 1 ամպերի, եթե վակումում իրարից 1մ հեռավորությամբ երկու անվերջ երկար և անվերջ բարակ հաղորդալարերով անցնելիս նրանցից յուրաքանչյուրի 1մ երկարությամբ հատվածի վրա մյուսի կողմից ազդում է 2·10^-7 Ն ուժ:  Հոսանքի ուժը կախված է հոսանքն առաջացնող լիցքակիրների ուղղորդված շարժման v միջին արագությունից, n կոնցենտրացիայից, յուրաքանչյուր մասնիկի q₀ լիցքի մեծություից հաղորդչի լայնական հատույթի S մակերեսից:

Օհմի Օրենք

Հաղորդչում էլեկտրական հոսանք ստեղծելու համար անհրաժեշտ է նրա ծայրերին կիրառել պոտենցիալների տարբերություն: Որքան մեծ է կիրառված լարումը, այնքան մեծ է հաղորդչում առաջացած էլեկտրական դաշտի լարվածությունը, էլեկտրական դաշտն այնքան մեծ ուժով է ազդում ազատ լիցքակիրների վրա, լիցքակիրներն ուղղորդված շարժման ավելի մեծ արագություն են ձեռք բերում և, հետևաբար, մեծ է հոսանքի ուժը: Այս դատողություններից հատևում է, որ հոսանքի ուժը կախված է լարումից: Տարբեր միջավայրերում այդ կախումը տարբեր է: Մետաղե հաղորդիչներում հոսանքի ուժի կախումը լարումից առաջին անգամ փորձնական ճանապարհով հայտնաբերել է գերմանացի ֆիզիկոս Գեորգ Օհմը, ուստի այն կրում է Օհմի օրենք անվանումը:      

                 

նկար 3

3-րդ  նկարում պատկերված շղթայի տեղամասի a և b ծայրերին կիրառենք որոշակի հաստատուն լարու և վոլտաչափով ու ամպերաչափով չափենք լարման և հոսանքի ուժի արժեքները: Այնուհետև, փոփոխելով լարման արժեքը և ամեն անգամ չափելով հոսանքի ուժը, կհամոզվենք, որ քանի անգամ մեծացնում ենք լարումը, նույնքան անգամ մեծացնում ենք լարումը, նույնքան մեծանում է հոսանքի ուժը:

Այսինքն՝ հոսանքի ուժը շղթայի տեղամասում ուղիղ համեմատական է նրա ծայրերին կիրառված լարմանը:

Սա էլ հենց Օհմի օրենքն է շղթայի տեղամասի համար: Հաղորդչում հոսանք ուժի կախումը լարումից պատկերող գրաֆիկը կոչվում է հաղորդչի վոլտ-ամպերային բնութագիծ: Համաձայն Օհմի օրենքի՝ մետաղե հաղորդիչների վոլտ-ամպերային բնութագիծն ուղիղ գիծ է, որն անցնում է կոորդինատների սկզբնակետով:

նկար 4

4-րդ նկարում պատկերված են երկու տարբեր դիմադրություններ ունեցող մետաղե հաղորդիչների վոլտ-ամպերային բնութագծերը: Գրաֆիկներից հետևում է, որ լարման նույն արժեքի դեպքում հոսանքի ուժն I հաղորդչում ավելի մեծ է, քան II-ում: Դա նշանակում է, որ առաջին հաղորդչի դիմադրությունն ավելի փոքր է, քան երկրորդինը՝ R₁ < R₂:                                 

Դիմադրություն

Դիմադրությունը հաղորդչի էլեկտրական հատկությունները բնութագրող հիմնական մեծություններից է: Այն հաղորդչի՝ ազատ լիցքակիրների ուղղարդված շարժմանը խաչընդոտելու հատկության քանակական չափն է: Միավորների ՄՀ-ում դիմադրության միավորը 1 օհմ-ն է (կրճատ՝ Օմ)՝ ի պատիվ Գևորգ Օհմի: Այն սահմանվում է ըստ Օհմի օրենքի՝ [R] = [U]/[I] =1Վ /1Ա = 1Օմ:1 Օմ-ն այն հաղորդչի դիմադրությունն է, որի ծայրերին 1Վ լարում կիրառելիս նրա միջով անցնող հոսանքի ուժը 1 Ա է. 1Օմ ժ 1Վ/Ա:                                                                                                             

Հաղորդիչների Հաջորդական և Զուգահեռ Միացումներ

Հոսանքի աղբյուրից սպառիչներին էլեկտրաէներգիա հաղորդելու համար կազմում են տարբեր բարդության էլեկտրական շղթաներ: Էլեկտրական շղթան կազմված է հոսանքի աղբյուրից, էլեկտրաէներգիայի սպառւչներից, միացնող հաղորդալարերից, ինչպես նաև շղթայի տարբեր տեղամասերում միացված չափիչ սարքերից (ամպերաչափ, վոլտաչափ և այլն):

Հաղորդիչների հաջորդական միացում      

Հաջորդական միացման դեպքում հաղորդիչները միացվում են հերթով՝ մեկը մյուսի հետևից: Այդ դեպքում շղթայի տեղամասը ճյուղավորումներ չունի: 5-րդ նկարում պատկերված է R_1, R₂  և R₃ դիմադրություններով երեք հաղորդիչների հաջորդական միացումը:          

                                          

նկար 5 

Քանի որ հաղորդիչներում լիցք չի կուտակվում, ապա հաջորդաբար միացված հաղորդիչների լայնական հատությով միավոր ժամանակում անցնում է միևնույն լիցքը: Հետևաբար՝ հաջորդական միացման դեպքում բոլոր հաղորդիչներում հոսանքի ուժը նույնն է. 

նկար 6

Հաղորդիչների զուգահեռ միացում 

Զուգահեռ միացման դեպքում հաղորդիչների մեկական ծայրերը միացվում են մի կետում, իսկ մյուս շծայրերը՝ մեկ այլ կետում: Այդ կետերը կոչվում են շղթայի հանգույցներ: 6-րդ նկարում պատկերված է R_1, R₂  և R₃ դիմադրություններով երեք հաղորդիչների զուգահեռ միացումը: Քանի որ հանգույցներում լիցքը չի կուտակվում, ապա միավոր ժամանակում շղթայի հանգույց մտած լիցքը հավասար է հանգույցից դուրս եկած լիցքերի գումարին: Հետևաբար՝ զուգահեռ միացման դեպքում հոսանքի ուժը շղթայի չճյուղավորված մասում հավասար է առանձին ճյուղերով անցնող հոսանքի ուժերի գումարին՝ 

Էլեկտրական Հոսանքի Աշխատանքն ու Հզորությունը

Ջոուլ-Լենցի Օրենքը

Հաղորդչով էլեկտրական հոսանք անցնելիս էլեկտրական դաշտը կատարում է աշխատանք՝ ազատ լիցքակիրներինկարգավորված շարժում, հետևաբար՝ նաև կինետիկ էներգիա հաղորդելով: Էլեկտրական դաշտի կատարած այդ աշխատանքն ընդունված է անվանել հոսանքի աշխատանք: Հոսանքի աշխատանքի շնորհիվ էլեկտրաէներգիան փոխակերպվում է էներգիայի այլ տեսակների:

Օրինակ՝

նկար 7

Դիտարկենք շղթայի որևէ տեղամաս (տես նկար 7): Դա կարող է լինել շիկացման լամպ, էլեկտրակաշարժիչի փաթույթ կամ մեկ այլ սպառիչ: Դիցուք՝ տեղամասում լարումն U է, սպառիչով անցնելիս հոսանքի ուժը՝ I: Եթե  Δt ժամանակում տեղամասով անցնում է Δq լիցք ապա կատարված աշխատանքը՝ 

Հոսանքի ուժի առաջին բանաձևից Δq = IUΔt, ուստի նախորդ արտահայտությունից կստանանք՝

Հաստատուն հոսանքի ախատանքը շղթայի տեղամասում հավասար է հոսանքի ուժի, լարման և այն ժամանակամիջոցի արտադրյալին, արի ընթացքում կատարվել է այդ աշխատանքը:

նկար 8

Էլեկտրական Ուժ

Երկու մետաղե գնդեր լիցքավորենք մոդուլով հավասար տարանուն լիցքերով և հաղորդալարով միացնենք իրար (տես նկար 7 ա): Գնդերի էլեկտրական դաշտի ազդեցությամբ բացասականապես լիցքավորված A գնդի հավելուրդային էլեկտրոնները հաղորդալարով կշարժվեն դեպի B գունդը և կչեզոքացնեն նրա դրական լիցքը: Կարճ ժամանակում գնդերի պոտենցիալները կհավասարվեն, և հոսանքը կընդհատվի: Հաղորդալարում երկարատև հոսանք պահպանելու համար անհրաժեշտ է միշտ համալրել գնդերի լիցքերը: Դա կարելի է անդել, օրինակ B գնդից էլեկտրոնները մեկ այլ ճանապարհով  անընդհատ տեղափոխվելով դեպի A գունդ (տե նկար 7 բ): Էլեկտրոնների նմսն տեղափոխությունն ինքնակամ տեղի ունենալ չի կարող, քանի որ այդ տեղամասում էլեկտրական դաշտը խանգարում է նրանց շարժմանը: Անհրաժեշտ են ոչ էլեկտրական ուժեր, որոնք այդ մասնիկները կարող են տեղափոխել էլեկտրական ուժերին հակառակ ուղղությամբ: Այդ ուժերը չեն կարող լինել էլեկտրաստատիկ բնույթի:

Լիցքավորված մասնիկներն ուղղորդված շարժման մեջ դնող, դրական և բացասական լիցքերն իրարից անջատող ոչ էլեկտրաստատիկ բնույթի ուժերը կոչվում են կողմնակի ուժեր:

Օհմի Օրենքը Լրիվ Շղթայի Համար

Փակ շղթայում լիցքերի ուղղորդված շարժմանը խոչընդոտում է ոչ միայն շղթայի արտաքին տեղամասը, այլև հոսանքի աղբյուրը, այսինքն՝ վերջինիս նույնպես օտված է դիմադրությամբ: Դրա ապացույցն է այն փաստը, որ շղթայով հոսանք անցնելիս տաքանում է ոչ միայն նրա արտաքին տեղամասը, այլև հոսանքի աղբյուրը: Հոսանքի աղբյուրի դիմադրությունն անվանում են ներքին դիմադրություն և սովորաբար նշանակում են r տառով: Շղթայի լրիվ դիմադրությունը հավասար է նրա R արտաքին և r ներքին դիմադրությունների գումարին՝ R+r:

նկար 9

Դիտարկենք r ներքին դիմադրությամբ և ε էլՇՈՒ-ով հոսանքի աղբյուրից և R դիմադրությամբ սպառիչից կազմված լրիվ շղթա (տես նկար 8): Հաշվենք հոսանքի ուժը փակ շղթայում՝ օգտվելով էներգիայի պահպանման օրենքից: Համաձայն Ջոուլ-Լենցի օրենքի՝ շղթայով հոսանք անցնելիս նրա արտաքին և ներքին տեղամասերում Δt ժամանակամիջոցում անջատված ջերմաքանականը՝

Այդ ջերմաքանակն անջատվում է հոսանքի աղբյուրի ներսում կողմնակի ուժերի կատարած A_կողմ = εΔq աշխատանքի հաշվին: Հոսանքի ուժի I = Δq/Δt սահմանման համաձայն՝ Δq = IΔt, ուստի

Եթե շղթայում էլեկտրաէներգիան փոխակերպվում է միայն ներքին էներգիայի, ապա, համաձայն էներգիայի պահպանման օրենքի, կողմնակի ուժերի կատարած աշխատանքը պետք է հավասար լինի շղթայի արտաքին և ներքին տեղամասերում անջատված ջերմաքանակների գումարին՝ A_կողմ=Q: Հավասարեցնելով 4-րդ և 5-րդ արտահայտությունները և հավասարման երկու կողմերը բաժանելով IΔt-ի կստանանք՝

7-բանաձևն արտահայտում է Օհմի օրենքը լրիվ շղթայի համար: Հոսանքի ուժը փակ շղթայում հավասար է հոսանքի աղբյուրի էլեկտրաշարժ ուժի և շղթայի լրիվ դիմադրության հարաբերությանը: