O‘zgarmas elektr toki - Reja: Om va Joul-Lens qonunlarining integral va differensial ifodalari. Berk zanjir uchun...

O‘zgarmas elektr toki
Moddaning tuzilishi, atomlarning tarkibi, elementar zarrachalarning ayrim xususiyatlari elektr va magnit hodisalariga bog‘liq.
Elektr so‘zi grekcha «elektron» so‘zidan olingan bo‘lib, qahrabo demakdir. Elektr to‘g‘risidagi ta’limot, ya’ni zaryadlangan zarrachalar, masalan, elektron, pozitron, proton, ion va hokazolarninng mavjudligi, harakati hamda o‘zaro ta’siri bilan bog‘liq elektromagnit hodisalari majmui.
Elektrning harakat holatiga elektr toki deyiladi. Fizikaning muvaffaqqiyatlariga asoslansak, elektr tokini elektrlangan materiya va uning mayda zarrachalarining harakatlaridan iborat deb tushunmoq mumkin. Bu zarrachalarning harakati turli muhitda turlicha bo‘lishi mumkin. Elektr o‘tkazadigan muhitda ro‘y bergan tok (o‘tkazgich toki) dielektriklardagi tok (siljish toki) dan farq qiladi. Elektrolitlar va gazlarda elektrlangan zarrachalarning harakati natijasida hosil bo‘lgan tok (konveksion tok) yana boshqacha. Ya’ni turli muhitda elektr harakati, elektrokinetik jarayoni – elektr toki turlicha tabiatga ega bo‘ladi.
Elektr zaryadlarining tartibli harakati elektr toki deyiladi. Metallarda o‘tkazgich toklari elektr harakati vaqtida sodir bo‘ladi. O‘tkazgichlardagi elektr toki ulardagi erkin elektronlarning harakatidan iborat. Tashqaridan elektr kuchi ta’sir etmasa, bunday elektronlarning tartibsiz (xaotik) harakati hech qanday elektr xususiyatlarini namoyon qilmaydi. Ammo biror elektr maydoni ta’sir etsa, elektronlarning harakati aniq tomonga yo‘naladi. Demak, o‘tkazgichlardagi erkin elektronlarning yo‘nalgan harakatini o‘tkazgich toki deb ataladi.
Umumiyroq qilib olsak, elektr toki qanday va qayerda sodir bo‘lmasin, u muayyan elektr miqdorining harakatidir, deyishimiz mumkin.
Harakat ishtirok elektr miqdorlari oz yoki ko‘p bo‘lishi mumkin. Buning uchun tok kuchi degan tushuncha ishlatiladi. O‘tkazgichning ko‘ndalang kesimidan vaqt birligi ichida o‘tgan elektr miqdoriga tok kuchi deb aytiladi.
Umuman tok kuchi o‘zgaruvchan bo‘lishi mumkin, demak, tok kuchi:
(1)
bu yerda: dq – dt qisqa vaqt ichida o‘tkazgichning ko‘ndalang kesim yuzidan o‘tuvchi elektr zaryad.
Agar vaqt o‘tishi bilan tok kuchi va uning yo‘nalishi o‘zgarmasa, ya’ni I = const bo‘lsa, tok o‘zgarmas deb ataladi. O‘zgarmas tokning kuchi quyidagiga teng:
(2)
Elektr zanjirini hisoblashda zanjirdan o‘tayotgan tok kuchi yoki qisqacha tok muhim ahamiyatga ega.
SI sistemada tokning asosiy birligi amper (A) hisoblanadi. Tok birligining nomi fransuz fizigi A.Amper sharafiga amper deb ataladi.
(2) formuladan elektr miqdorining SI sistemadagi o‘lchov birligini aniqlashda foydalanish mumkin, ya’ni:
q = Jt (3) [q] = [J] [t] = 1A · 1c = 1Kl.
Amalda tokning ancha kichik birliklari – milliamper (mA) va mikroamper (mkA) lardan foydalanishga to‘g‘ri keladi:
1mA = 10-3 A; 1mkA = 10-6 A.
Zanjirda tok kuchini o‘lchash uchun ampermetr deb ataluvchi asbobdan foydalaniladi. Ampermetr zanjirga faqat ketma-ket ulanadi.
Ba’zida zanjirdan o‘tayotgan tok shunchalik kichik bo‘ladiki, uni ampermetr bilan o‘lchab bo‘lmaydi. Bunday hollarda galvonometr deb ataluvchi asbobdan foydalaniladi. Kuchsiz toklar, uncha katta bo‘lmagan kuchlanish va kichik elektr miqdorini qayd qilish va o‘lchash uchun qo‘llaniladigan asbob galvonometr deyiladi. U qanday maqsadda ishlatilishiga qarab zanjirga ketma-ket yoki parallel ulanadi.
Kuchlanishni o‘lchash uchun ishlatiladigan asbob voltmetr deyiladi. Uning vazifasi tokli o‘tkazgichning istalgan ikki nuqtasi orasidagi potensiallar farqini ulashdan iborat. Voltmetrni zanjirga parallel ulash lozim.
Bu asboblarning sxemalardagi shartli belgilari 1-rasmda ko‘rsatilagan.
А
Ampermetr
V
Voltmetr
G
Galvonometr
1-rasm
O‘tkazgichdan o‘tgan tok uning yo‘g‘on – ingichkaligiga qarab zichroq yoki siyrakroq bo‘lishi mumkin. O‘tkazgich ko‘ndalang kesimining yuza birligi orqali o‘tgan tok kuchiga tok zichligi deyiladi. Bu kattalik elektr tokni o‘tkazgichning ko‘ndalang kesimida taqsimlanishini harakterlaydi:
(4)
bu yerda dJ – dS elementar yuzadan o‘tuvchi tok kuchi.
Tajribalar ko‘rsattiki, o‘tkazgichni butun ko‘ndalang kesimida o‘zgarmas tokni zichligi bir xil. Shunnig uchun o‘zgarmas tok uchun:
J = j · S (5)
CI sistemasida tokning zichligi kvadrat metrga amper o‘lchanadi.
Bu birlik juda kichik bo‘lgani uchun tok zichligini, ko‘pincha kvadrat santimetrga amper yoki kvadrat millimetrga amper hisobida ifodalanadi:
; (6)
Tok zichligi doimo o‘tkazgichning yo‘g‘onligiga mos bo‘lishi lozim, aks holda o‘tkazgich qizib ketadi yoki elektr zanjirida keraksiz darajada elektr nobudliklari ro‘y beradi. O‘tkazgichning yo‘g‘onligiga qarab unda iqtisodiy jihatdan ijozat etiladigan tok zichligi qanday bo‘lishini ko‘rsatuvchi maxsus jadval ishlab chiqilgan. Elektr uzatish simlari shunday jadvallardan foydalanib chiqariladi.
O‘tkazgichlarda elektr tokini vujudga keltirish uchun o‘tkazgich ichida elektr maydon hosil bo‘lishi shartdir. Bu vazifani tok manbalari bajaradi.
Elektr tok manbalari xilma-xil bo‘lib, ularning barchasida musbat va manfiy zaryadlarni ajratish ishi bajariladi. Ajratilgan zaryadlar tok manbaining qutblarida to‘planadi. Tok manbaining qutblari orasida ichki elektr maydon hosil bo‘ladi.
Agar tok manbaining qutblari o‘tkazgich bilan ulansa, o‘tkazgichda tashqi elektr maydon hosil bo‘lib, maydon ta’sirida o‘tkazgich bo‘ylab erkin elektronlar harakatlanadi va elektr toki vujudga keladi.
O‘zgarmas tokning manbalari sifatida Volta elementi, Plante elementi, (akkumulyator), elektromexanik va magnitodinamik (MGD) generatorlar qo‘llaniladi. Hozirgi paytda, ayniqsa elektrotransportda qo‘llaniladigan o‘zgarmas tok energiyasining ko‘p qismi turli tipdagi to‘g‘rilagichlar vositasida o‘zgaruvchan toklardan hosil qilinadi. O‘zgarmas tok hosil qilish uchun o‘zgarmas tok generatorlaridan ham keng foydalaniladi.
Tok manbalarida zaryadlarni ajratish jarayonida mexanik ximiyaviy va boshqa turdagi energiyalar elektr energiyasiga aylanadi. Shunday qilib, har qanday tok manbalarida elektr energiya boshqa ko‘rinishdagi energiya hisobiga hosil qilinadi.
Masalan, termoelementda ichki energiya, fotoelementda yorug‘lik energiyasi, galvanik elementda va akkumulyatorda ximiyaviy energiyalar elektr energiyaga aylanadi.
Agar o‘tkazgichda elektr maydoni hosil qilinsa-yu, ammo uni saqlab turish uchun chora ko‘rilmasa, bunda zaryad tashuvchilarning harakati o‘tkazgich ichidagi maydonning tezlik bilan yo‘qolishiga va demak, tokning to‘xtashiga olib keladi. Tokning muntazam oqib turishi uchun zanjirning ma’lum sohalariga yoki butun zanjirga ta’sir etuvchi tashqi kuchlar zarur ekan.
Tashqi kuchlarni zanjirda harakatlanuvchi zaryadlar ustida bajargan ishi orqali harakterlash mumkin.
Manbaning elektr yurituvchi kuchi (EYUK) deb, bir birlik musbat zaryadni yopik zanjir bo‘ylab ko‘chirishda tashqi kuchning bajargan ishiga miqdor jihatdan teng bo‘lgan fizik kattalikka aytiladi. Demak, q zaryad ustida bajarilgan tashqi kuchlarning ishi A bo‘lsa, u paytda:
(7)
Elektr yurituvchi kuch berk eletr zanjirida tok hosil bo‘lishiga sabab bo‘ladi.
Elektr yurituvchi kuch manbalari elektr zanjiri bo‘ylab tok hosil etganda manba tashqarisida va manbaning ichida potensiallar farqi vujudga keladi. Tokning manbadan tashqi yo‘lidagi qismini tashqi zanjir, manba ichidagisini ichki zanjir deb ataladi. Tashqi zanjirda elektr miqdori birligining bajargan ishi kuchlanish deb ataladi.
Elektrostatik va tashqi kuchlarning birlik musbat zaryadni ko‘chirishda bajargan ishlarining yig‘indisiga teng bo‘lgan kattalik kuchlanish deyiladi, ya’ni
(8)
y oki
(9)
Om qonuniga binoan, bir jinsli metall o‘tkazgichdan tok kuchi o‘tkazgichdagi kuchlanish tushuvchiga proporsional bo‘ladi, ya’ni:
(10)
bu yerda -o‘tkazgichning o‘tkazuvchanligi = 1 Cm
Odatda, amaliy hisoblashlarda o‘tkazuvchanlikning teskari ifodasi bo‘lgan kattalikdan foydalaniladi va unga o‘tkazgichning qarshiligi deyiladi:
(11)
O‘tkazgichning zanjirdagi tokni cheklash xossasiga o‘tkazgichning qarshiligi deyiladi.
O‘tkazgich qarshiligi orqali tok kuchi va kuchlanish orasida bog‘lanish quyidagicha bo‘ladi:
(12)
(12) formula zanjirning bir qismi uchun Om qonuni deyiladi va u quyidagicha ta’riflanadi:
Zanjirning bir qismidan o‘tayotgan tokning kuchi o‘tkazgich uchlaridagi kuchlanishga to‘g‘ri proporsonal va o‘tkazgichning qarshiligiga teskari proporsionaldir.
Tok kuchi va kuchlanishning bog‘lanish grafiki berilgan o‘tkazgichning volt-amper harakteristikasi deyiladi (2-rasm).
J
J1
0 u
u1
2-rasm
2-rasmda ko‘rsatilgan to‘g‘ri chiziqni og‘ish burchagi zanjir uchastkasini qarshiligiga bog‘liq, ya’ni:
(13)
O‘tkazgichning qarshiligi uning o‘lchamlariga, shakliga, shuningdek, uning qanday materialdan yasalganiga bog‘liq.
(14)
b u yerda - o‘tkazgichning uzunligi; S- uning ko‘ndalang kesim yuzasi; ρ – o‘tkazgichning solishtirma qarshiligi bo‘lib, u o‘tkazgich materialining ichki xususiyatlariga va tashqi sharoitga bog‘liq.
O‘tkazgich qancha uzun bo‘lsa, qarshiligi shuncha ko‘p, qancha yo‘g‘on bo‘lsa (ko‘ndalang kesim yuzi qancha katta bo‘lsa), qarshiligi shuncha kam bo‘ladi.
O‘tkazgich qarshiligining temperaturga qarab nisbiy o‘zgarishi ro‘y beradi va bunday o‘zgarish temperaturani o‘zgarishiga to‘g‘ri proporsional bo‘ladi, ya’ni:
(15)
bu yerda R0 – 0o S temperaturada o‘tkazgichning qarshiligi; R – to S temperaturada o‘tkazgichning qarshiligi; α - qarshilikning temperatura koeffitsiyenti deyiladi va u quyidagiga teng:
(16)
O‘tkazgichni bir gradusga qizdirilganda qarshilikning nisbiy o‘zgarishini ko‘rsatadigan fizik kattalik qarshilikning temperatura koeffitsiyenti deyiladi.
|