Podstawowe wielkości elektryczne: ładunek, napięcie, prąd, moc, opór

Podstawowe wielkości elektryczne: prąd, napięcie, rezystancja i moc.

Ładowanie

Najważniejszym zjawiskiem fizycznym w obwodach elektrycznych jest ruch ładunek elektryczny… W przyrodzie występują dwa rodzaje ładunków — dodatnie i ujemne. Takie same ładunki się przyciągają, takie same ładunki się odpychają. Prowadzi to do tego, że istnieje tendencja do grupowania ładunków dodatnich z ujemnymi w równych ilościach.

Atom składa się z dodatnio naładowanego jądra otoczonego chmurą ujemnie naładowanych elektronów. Całkowity ładunek ujemny w wartości bezwzględnej jest równy dodatniemu ładunkowi jądra. Dlatego atom ma zerowy całkowity ładunek, mówi się również, że jest elektrycznie obojętny.

W materiałach, które mogą wytrzymać Elektryczność, niektóre elektrony są oddzielone od atomów i mają zdolność poruszania się w materiale przewodzącym. Te elektrony nazywane są ładunkami ruchomymi lub nośnikami ładunku.

Ponieważ każdy atom w stanie początkowym jest obojętny, po oddzieleniu ujemnie naładowanego elektronu staje się jonem naładowanym dodatnio.Jony dodatnie nie mogą się swobodnie poruszać i tworzą system stacjonarnych, stałych ładunków (zob. Jakie substancje przewodzą prąd).

W półprzewodnikachstanowiąc ważną klasę materiałów, ruchome elektrony mogą poruszać się na dwa sposoby: lub elektrony po prostu zachowują się jak ujemnie naładowane nośniki. Lub złożony zbiór wielu elektronów porusza się w taki sposób, jakby w materiale były dodatnio naładowane ruchome nośniki. Opłaty stałe mogą mieć dowolny charakter.

Materiały przewodzące można traktować jako materiały zawierające ruchome nośniki ładunku (które mogą mieć jeden z dwóch znaków) oraz ładunki stałe o przeciwnej biegunowości.

Istnieją również materiały zwane izolatorami, które nie przewodzą prądu. Wszystkie ładunki w izolatorze są stałe. Przykładami izolatorów są powietrze, mika, szkło, cienkie warstwy tlenków, które tworzą się na powierzchniach wielu metali i oczywiście próżnia (w której w ogóle nie ma ładunków).

Ładunek jest mierzony w kulombach (C) i zwykle oznaczany przez Q.

Ilość ładunku lub ilość ujemnej elektryczności na elektron została ustalona w wielu eksperymentach i wynosi 1,601 × 10-19 CL lub 4,803 × 10-10 ładunków elektrostatycznych.

Pewne wyobrażenie o liczbie elektronów przepływających przez drut, nawet przy stosunkowo niskich prądach, można uzyskać w następujący sposób. Ponieważ ładunek elektronu wynosi 1,601 • 10-19 CL, to liczba elektronów tworzących ładunek równy kulombowi jest odwrotnością danego, czyli jest w przybliżeniu równa 6 • 1018.

Prąd 1 A odpowiada przepływowi 1 C na sekundę, a przy prądzie tylko 1 μmka (10-12 A) przez przekrój drutu około 6 milionów elektronów na sekundę.Prądy o takiej wielkości są jednocześnie tak małe, że ich wykrycie i pomiar wiąże się ze znacznymi trudnościami eksperymentalnymi.

Ładunek jonu dodatniego jest całkowitą wielokrotnością ładunku elektronu, ale ma przeciwny znak. W przypadku cząstek, które są pojedynczo zjonizowane, ładunek okazuje się równy ładunkowi elektronu.

Gęstość jądra jest znacznie większa niż gęstość elektronu.Większość objętości zajmowanej przez atom jako całość jest pusta.

Pojęcie zjawisk elektrycznych

Poprzez pocieranie o siebie dwóch różnych ciał, a także przez indukcję, można nadać im specjalne właściwości — elektryczne. Takie ciała nazywane są naelektryzowanymi.

Nazywa się zjawiska związane z oddziaływaniem ciał naelektryzowanych zjawiska elektryczne.

O oddziaływaniu między naelektryzowanymi ciałami decyduje tzw Siły elektryczne, które różnią się od sił innego rodzaju tym, że powodują, że naładowane ciała odpychają się i przyciągają, niezależnie od prędkości ich ruchu.

W ten sposób oddziaływanie między naładowanymi ciałami różni się np. od oddziaływania grawitacyjnego, które charakteryzuje się jedynie przyciąganiem ciał, czy też od sił pochodzenia magnetycznego, które zależą od względnej prędkości ruchu ładunków, powodując magnetyczne zjawiska.

Elektrotechnika bada głównie prawa zewnętrznej manifestacji właściwości naelektryzowane ciała — prawa pól elektromagnetycznych.

Napięcie

Ze względu na silne przyciąganie przeciwnych ładunków większość materiałów jest elektrycznie obojętna. Oddzielenie ładunków dodatnich i ujemnych wymaga energii.

na ryc. 1 przedstawia dwie przewodzące, początkowo nienaładowane płytki, oddalone od siebie o odległość d.Przyjmuje się, że przestrzeń między płytami jest wypełniona izolatorem, takim jak powietrze, lub znajdują się w próżni.

Ryż. 1. Dwie przewodzące, początkowo nienaładowane płytki: a — płytki są elektrycznie obojętne; b — ładunek -Q jest przekazywany do dolnej płyty (pomiędzy płytkami występuje różnica potencjałów i pole elektryczne).

na ryc. 1, obie płyty są neutralne, a całkowity zerowy ładunek na górnej płycie można przedstawić jako sumę ładunków +Q i -Q. na ryc. 1b ładunek -Q jest przenoszony z górnej płyty na dolną. Jeśli na rys. 1b łączymy płytki drutem, wówczas siły przyciągania przeciwnych ładunków spowodują, że ładunek szybko się przeniesie i wrócimy do sytuacji pokazanej na rys. 1, za. Ładunki dodatnie przesunęłyby się na płytkę naładowaną ujemnie, a ładunki ujemne na płytkę naładowaną dodatnio.

Mówimy, że między naładowanymi płytkami pokazanymi na ryc. 1b występuje różnica potencjałów i że na dodatnio naładowanej górnej płytce potencjał jest wyższy niż na ujemnie naładowanej dolnej płytce. Ogólnie rzecz biorąc, istnieje różnica potencjałów między dwoma punktami, jeśli przewodzenie między tymi punktami powoduje przeniesienie ładunku.

Ładunki dodatnie poruszają się od punktu o wysokim potencjale do punktu o niskim potencjale, kierunek ruchu ładunków ujemnych jest przeciwny — od punktu o niskim potencjale do punktu o wysokim potencjale.

Jednostką pomiaru różnicy potencjałów jest wolt (V). Różnica potencjałów nazywana jest napięciem i jest zwykle oznaczana literą U.

Aby określić ilościowo napięcie między dwoma punktami, stosuje się pojęcie pole elektryczne… W przypadku pokazanym na rys.1b, między okładkami panuje jednorodne pole elektryczne skierowane od obszaru o wyższym potencjale (od płytki dodatniej) do obszaru o niższym potencjale (do płytki ujemnej).

Natężenie tego pola, wyrażone w woltach na metr, jest proporcjonalne do ładunku na płytach i można je obliczyć na podstawie praw fizyki, jeśli znany jest rozkład ładunków. Zależność między wielkością pola elektrycznego a napięciem U między płytami ma postać U = E NS e (wolt = wolt / metr x metr).

Tak więc przejście od niższego potencjału do wyższego odpowiada ruchowi przeciwnemu do kierunku pola.W bardziej złożonej strukturze pole elektryczne może nie być wszędzie jednorodne i aby wyznaczyć różnicę potencjałów między dwoma punktami, konieczne jest wielokrotne stosowanie równania U = E NS e.

Odstęp między interesującymi nas punktami podzielony jest na wiele odcinków, z których każdy jest na tyle mały, że pole jest w nim jednolite. Następnie równanie stosuje się kolejno do każdego segmentu U = E NS e i sumuje się różnice potencjałów dla każdej sekcji. Zatem dla dowolnego rozkładu ładunków i pól elektrycznych można znaleźć różnicę potencjałów między dowolnymi dwoma punktami.

Przy określaniu różnicy potencjałów konieczne jest wskazanie nie tylko wielkości napięcia między dwoma punktami, ale także tego, który punkt ma najwyższy potencjał. Jednak w obwodach elektrycznych zawierających kilka różnych elementów nie zawsze można z góry określić, który punkt ma największy potencjał. Aby uniknąć nieporozumień, należy przyjąć warunek dla znaków (ryc. 2).

Ryż. 2… Określenie polaryzacji napięcia (napięcie może być dodatnie lub ujemne).

Dwubiegunowy element obwodu jest reprezentowany przez skrzynkę wyposażoną w dwa zaciski (ryc. 2, a). Zakłada się, że linie prowadzące od puszki do zacisków są idealnymi przewodnikami prądu elektrycznego. Jeden zacisk jest oznaczony znakiem plus, drugi znakiem minus. Znaki te ustalają względną polaryzację. Napięcie U na rys. 2, i jest określony przez warunek U = (potencjał zacisku «+») — (potencjał zacisku «-«).

na ryc. 2b, naładowane płytki są podłączone do zacisków w taki sposób, że zacisk „+” jest połączony z płytą o wyższym potencjale. Tutaj napięcie U jest liczbą dodatnią. na ryc. 2, zacisk «+» jest podłączony do dolnej płytki potencjałowej. W rezultacie otrzymujemy napięcie ujemne.

Należy pamiętać o algebraicznej postaci reprezentacji naprężeń. Po ustaleniu biegunowości napięcie dodatnie oznacza, że ​​zacisk „+” ma (wyższy potencjał), a napięcie ujemne oznacza, że ​​zacisk „-” ma wyższy potencjał.

Aktualny

Zauważono powyżej, że nośniki ładunku dodatniego przemieszczają się z obszaru o wysokim potencjale do obszaru o niskim potencjale, podczas gdy nośniki ładunku ujemnego przemieszczają się z obszaru o niskim potencjale do obszaru o wysokim potencjale. Każde przeniesienie opłat oznacza wygaśnięcie Elektryczność.

na ryc. 3 pokazuje kilka prostych przypadków przepływu prądu elektrycznego, wybrano powierzchnię C i pokazano hipotetyczny kierunek dodatni. Jeżeli w czasie dt przez odcinek S całkowity ładunek Q przepłynie w wybranym kierunku, wówczas prąd I płynący przez S będzie równy I = dV/dT. Jednostką miary prądu jest amper (A) (1A = 1C/s).

Ryż. 3… Zależność między kierunkiem prądu a kierunkiem przepływu ładunków ruchomych.Prąd jest dodatni (aib), jeśli wynikający z tego przepływ ładunków dodatnich przez pewną powierzchnię C pokrywa się z wybranym kierunkiem. Prąd jest ujemny (b i d), jeśli wynikowy przepływ ładunków dodatnich przez powierzchnię jest przeciwny do wybranego kierunku.

Często pojawiają się trudności w ustaleniu znaku obecnego Iz. Jeśli ruchome nośniki ładunku są dodatnie, to dodatni prąd opisuje rzeczywisty ruch ruchomych nośników w wybranym kierunku, podczas gdy ujemny prąd opisuje przepływ ruchomych nośników ładunku w kierunku przeciwnym do wybranego kierunku.

Jeśli operatorzy telefonii komórkowej są ujemni, należy zachować ostrożność przy określaniu kierunku prądu. Rozważ rys. 3d, w którym ujemne nośniki ładunku ruchomego przecinają S w wybranym kierunku. Załóżmy, że każdy nośnik ma ładunek -q, a natężenie przepływu przez S wynosi n nośników na sekundę. Podczas dt całkowity przepływ ładunków C w wybranym kierunku będzie wynosił dV = -n NS q NS dt, co odpowiada prądowi I = dV/dT.

Dlatego prąd na ryc. 3d jest ujemny. Co więcej, prąd ten pokrywa się z prądem wytwarzanym przez ruch nośników dodatnich z ładunkiem + q przez powierzchnię S z prędkością n nośników na sekundę w kierunku przeciwnym do wybranego (ryc. 3, b). Zatem dwucyfrowe ładunki są odzwierciedlane w dwucyfrowym prądzie. W większości przypadków w obwodach elektronicznych znak prądu jest znaczący i nie ma znaczenia, które nośniki ładunku (dodatnie czy ujemne) przenoszą ten prąd. Dlatego często, gdy mówią o prądzie elektrycznym, zakładają, że nośniki ładunku są dodatnie (zob. Kierunek prądu elektrycznego).

Jednak w urządzeniach półprzewodnikowych różnica między nośnikami ładunku dodatniego i ujemnego ma kluczowe znaczenie dla działania urządzenia.Szczegółowe badanie działania tych urządzeń powinno wyraźnie rozróżnić oznaki nośników ładunku mobilnego. Koncepcję prądu płynącego przez określony obszar można łatwo uogólnić na prąd przepływający przez element obwodu.

na ryc. 4 przedstawia element bipolarny. Kierunek prądu dodatniego jest pokazany strzałką.

Ryż. 4. Prąd płynący przez element obwodu. Ładunki wchodzą do komórki przez terminal A z szybkością i (kulombów na sekundę) i opuszczają komórkę przez terminal A' z tą samą szybkością.

Jeśli dodatni prąd płynie przez element obwodu, dodatni ładunek wpływa do zacisku A z szybkością i kulombów na sekundę. Ale, jak już wspomniano, materiały (i elementy obwodu) zwykle pozostają elektrycznie obojętne. (Nawet „naładowane” ogniwo na ryc. 1 ma zerowy całkowity ładunek). Dlatego też, jeśli ładunek wpływa do ogniwa przez zacisk A, taka sama ilość ładunku musi jednocześnie wypływać z ogniwa przez zacisk A'. Ta ciągłość przepływu prądu elektrycznego przez element obwodu wynika z neutralności elementu jako całości.

Moc

Każdy element dwubiegunowy w obwodzie może mieć napięcie między swoimi zaciskami i może przez niego przepływać prąd. Znaki prądu i napięcia można określić niezależnie, ale istnieje ważny fizyczny związek między biegunowością napięcia i prądu, dla którego wyjaśnienia zwykle przyjmuje się dodatkowe warunki.

na ryc. 4 pokazuje, w jaki sposób określa się względne polaryzacje napięcia i prądu. Po wybraniu kierunku prądu przepływa do zacisku «+». Gdy spełniony jest ten dodatkowy warunek, można wyznaczyć ważną wielkość elektryczną — moc elektryczną. Rozważ element obwodu na ryc. 4.

Jeśli napięcie i prąd są dodatnie, następuje ciągły przepływ ładunków dodatnich od punktu o wysokim potencjale do punktu o niskim potencjale. Aby utrzymać ten przepływ, konieczne jest oddzielenie ładunków dodatnich od ujemnych i wprowadzenie ich do zacisku „+”. Ta ciągła separacja wymaga ciągłego wydatkowania energii.

Gdy ładunki przechodzą przez element, uwalniają tę energię. A ponieważ energia musi być magazynowana, jest albo uwalniana w elemencie obwodu jako ciepło (na przykład w tosterze), albo jest w nim magazynowana (na przykład podczas ładowania akumulatora samochodowego). Nazywa się szybkość, z jaką zachodzi ta konwersja energii moc i jest określony przez wyrażenie P = U NS Az (waty = wolty x ampery).

Jednostką miary mocy jest wat (W), co odpowiada zamianie 1 J energii na 1 s. Moc równa iloczynowi napięcia i prądu o biegunowościach określonych na rys. 4 jest wielkością algebraiczną.

Jeśli P > 0, tak jak w powyższym przypadku, moc jest rozpraszana lub absorbowana w elemencie. Jeśli P < 0, to w tym przypadku element zasila obwód, w którym jest podłączony.

Elementy rezystancyjne

Dla każdego elementu obwodu można zapisać określoną zależność między napięciem na zaciskach a prądem przepływającym przez ten element. Element rezystancyjny to element, dla którego można wykreślić zależność między napięciem a prądem.Wykres ten nazywany jest charakterystyką prądowo-napięciową. Przykład takiej cechy pokazano na ryc. 5.

Ryż. 5. Charakterystyka prądowo-napięciowa elementu rezystancyjnego

Jeśli napięcie na zaciskach elementu D jest znane, to wykres może określić prąd płynący przez element D.Podobnie, jeśli prąd jest znany, można określić napięcie.

Doskonała odporność

Idealny opór (lub rezystor) to liniowy element rezystancyjny… Z definicji liniowości zależność między napięciem a prądem w liniowym elemencie rezystancyjnym jest taka, że ​​gdy prąd jest podwojony, napięcie również się podwaja. Generalnie napięcie powinno być proporcjonalne do prądu.

Nazywa się proporcjonalną zależność między napięciem a prądem Prawo Ohma dla odcinka obwodu i jest zapisywany na dwa sposoby: U = I NS R, gdzie R jest rezystancją elementu, oraz I = G NS U, gdzie G = I / R jest przewodnictwem elementu. Jednostką oporu jest om (om), a jednostką przewodności jest siemens (cm).

Charakterystykę prądowo-napięciową idealnej rezystancji pokazano na ryc. 6. Wykres jest linią prostą przechodzącą przez początek układu współrzędnych o nachyleniu równym Az/R.

Ryż. 6. Oznaczenie (a) i charakterystyka prądowo-napięciowa (b) idealnego rezystora.

Moc z doskonałym oporem

Wyrażanie mocy pochłanianej przez idealny opór:

P = U NS I = I2NS R, P = U2/ R

Tak jak moc pochłaniana w idealnej rezystancji zależy od kwadratu prądu (lub napięcia), tak znak mocy pochłanianej v w idealnej rezystancji zależy od znaku R. Chociaż czasami stosuje się ujemne wartości rezystancji podczas symulacji pewnych typów urządzeń działających w określonych trybach wszystkie rzeczywiste rezystancje są zwykle dodatnie. Dla tych rezystancji pochłonięta moc jest zawsze dodatnia.

Energia elektryczna pochłonięta przez opór, wg prawo zachowania energii, Musi NPrzemienić się w inny gatunek.Najczęściej energia elektryczna jest przekształcana w energię cieplną, zwaną ciepłem Joule'a. Szybkość wydalania ciepło dżuli pod względem rezystancji odpowiada szybkości pochłaniania energii elektrycznej. Wyjątkiem są te elementy rezystancyjne (np. żarówka czy głośnik), gdzie część pochłoniętej energii jest zamieniana na inne formy (energię świetlną i dźwiękową).

Wzajemne zależności głównych wielkości elektrycznych

W przypadku prądu stałego podstawowe jednostki pokazano na ryc. 7.

Ryż. 7. Wzajemne zależności głównych wielkości elektrycznych

Cztery podstawowe jednostki — prąd, napięcie, rezystancja i moc — są ze sobą połączone wiarygodnie ustalonymi zależnościami, co pozwala nam dokonywać nie tylko pomiarów bezpośrednich, ale także pośrednich lub obliczać potrzebne nam wartości z innych mierzonych. Tak więc, aby zmierzyć napięcie w części obwodu, trzeba mieć woltomierz, ale nawet w przypadku jego braku, znając natężenie prądu w obwodzie i rezystancję prądu w tym odcinku, można obliczyć wartość napięcia.