Nuolatinė elektros srovė: kryptingas krūvių judėjimas grandinėse

Pereiname nuo nejudančių krūvių (elektrostatikos) prie kryptingai judančių krūvininkų – elektros srovės. Elektros srovė yra daugelio mums įprastų prietaisų veikimo pagrindas, nuo paprasčiausios lemputės iki sudėtingų kompiuterių. Šiame straipsnyje išsiaiškinsime, kas yra nuolatinė elektros srovė, kokios sąlygos reikalingos jai atsirasti, kokie fizikiniai dydžiai ją apibūdina (srovės stipris, įtampa, varža), kaip šiuos dydžius sieja Omo dėsnis, kaip jungiami laidininkai grandinėse ir kaip skaičiuojamas srovės atliekamas darbas bei galia.

Elektros srovė ir jos atsiradimo sąlygos

• Apibrėžimas: Elektros srovė yra kryptingas (tvarkingas) laisvųjų elektros krūvį turinčių dalelių (krūvininkų) judėjimas.
  • Metaluose krūvininkai yra laisvieji elektronai.
  • Elektrolitų tirpaluose ir lydaluose – teigiamieji ir neigiamieji jonai.
  • Dujose (jonizuotose) – elektronai ir teigiamieji jonai.
  • Puslaidininkiuose – elektronai ir skylės (vietos, iš kurių „pabėgo“ elektronas, turinčios efektinį teigiamą krūvį).
• Srovės kryptis: Pagal susitarimą, elektros srovės kryptimi laikoma teigiamųjų krūvininkų judėjimo kryptis. Todėl metaluose, kur juda neigiami elektronai, srovės kryptis yra priešinga elektronų judėjimo krypčiai.
• Sąlygos srovei tekėti: Kad laidininke atsirastų ir tekėtų elektros srovė, turi būti įvykdytos dvi pagrindinės sąlygos:
  1. Laisvųjų krūvininkų buvimas: Medžiagoje turi būti dalelių, galinčių laisvai judėti (pvz., metaluose – laisvųjų elektronų). Dielektrikuose srovė tekėti negali (arba teka labai silpnai), nes juose laisvųjų krūvininkų nėra.
  2. Elektrinio lauko buvimas: Laidininke turi būti sukurtas elektrinis laukas, kuris veiktų krūvininkus jėga ir priverstų juos kryptingai judėti. Šį lauką paprastai sukuria elektros srovės šaltinis. Kad srovė tekėtų nuolat, grandinė turi būti uždara.

Vaizdinė medžiaga: Schema, vaizduojanti chaotišką elektronų judėjimą metale be elektrinio lauko ir kryptingą dreifą (superponuotą ant chaotiško judėjimo), kai atsiranda elektrinis laukas. Paprastos elektros grandinės schema (šaltinis, jungiklis, lemputė, jungiamieji laidai).

Srovės stipris, įtampa, varža: pagrindiniai srovės dydžiai

Elektros srovei apibūdinti naudojami keli pagrindiniai fizikiniai dydžiai:

• Srovės stipris ($I$): Fizikinis dydis, lygus elektros krūviui ($\Delta q$), pratekėjusiam pro laidininko skerspjūvį per laiko vienetą ($\Delta t$). Jis rodo, kaip intensyviai teka srovė. $$ I = \frac{\Delta q}{\Delta t} $$ SI vienetas – amperas (A). Amperas yra vienas iš pagrindinių SI vienetų. $1 , \text{A} = 1 , \text{C} / 1 , \text{s}$. Srovės stipris matuojamas ampermetru, kuris į grandinę jungiamas nuosekliai.
• Įtampa ($U$): Fizikinis dydis, apibūdinantis elektrinio lauko darbą ($A$), perkeliant vienetinį teigiamąjį krūvį ($q$) tarp dviejų grandinės taškų. Ji rodo potencialų skirtumą tarp tų taškų ir yra srovės tekėjimo priežastis grandinės dalyje. $$ U = \frac{A}{q} $$ SI vienetas – voltas (V). $1 , \text{V} = 1 , \text{J} / 1 , \text{C}$. Įtampa matuojama voltmetru, kuris prie grandinės dalies (kurios įtampą matuojame) jungiamas lygiagrečiai.
• Elektrinė varža ($R$): Fizikinis dydis, apibūdinantis laidininko (ar grandinės dalies) gebėjimą priešintis elektros srovei. Ji priklauso nuo laidininko medžiagos, geometrinių matmenų ir temperatūros. SI vienetas – omas (Ω). $1 , \Omega = 1 , \text{V} / 1 , \text{A}$.

Vaizdinė medžiaga: Schemos, rodančios teisingą ampermetro ir voltmetro įjungimą į grandinę.

Omo dėsnis grandinės daliai: srovės, įtampos ir varžos ryšys

Šis fundamentalus dėsnis, atrastas Georgo Omo 1826 m., susieja tris pagrindinius elektros srovės dydžius tam tikrai grandinės daliai (kurioje nėra srovės šaltinio).

• Formuluotė: Srovės stipris ($I$) grandinės dalyje yra tiesiogiai proporcingas tos dalies įtampai ($U$) ir atvirkščiai proporcingas jos varžai ($R$). $$ I = \frac{U}{R} $$ Iš šio dėsnio taip pat gauname: $U = IR$ ir $R = U/I$.
• Voltamperinė charakteristika: Priklausomybės $I(U)$ (arba $U(I)$) grafikas vadinamas grandinės dalies voltamperine charakteristika (VACh). Laidininkams, kuriems galioja Omo dėsnis (t. y., jų varža $R$ nepriklauso nuo įtampos ar srovės stiprio), VACh yra tiesė, einanti per koordinačių pradžią. Tokie elementai vadinami ominais. Yra elementų (pvz., puslaidininkiniai diodai, kaitinimo lemputės), kurių VACh nėra tiesė – jie vadinami neominais, ir jiems Omo dėsnis $I=U/R$ negalioja (arba R laikoma kintama).

Vaizdinė medžiaga: Ominio laidininko voltamperinės charakteristikos grafikas (tiesė). Neominių elementų (pvz., diodo, lemputės) VACh pavyzdžiai (kreivės).

Interaktyvūs elementai:

• 🔗 Interaktyvi simuliacija „Omo dėsnis“ (PhET) (Leidžia keisti įtampą, varžą ir stebėti srovės stiprį).

• Uždavinio sprendimo pavyzdys:

  Kokio stiprio srovė teka rezistoriumi, kurio varža 20 Ω, kai prie jo prijungta 6 V įtampa?

  Duota: $R = 20 \, \Omega$, $U = 6$ V.

  Rasti: $...