Põhilised elektrisuurused: laeng, pinge, vool, võimsus, takistus

Põhilised elektrisuurused: vool, pinge, takistus ja võimsus.

Laadimine

Kõige olulisem füüsikaline nähtus elektriahelates on liikumine elektrilaeng… Looduses on kahte tüüpi laenguid – positiivseid ja negatiivseid. Nagu laengud tõmbavad, nagu laengud tõrjuvad. See toob kaasa asjaolu, et on kalduvus grupeerida positiivseid laenguid negatiivsetega võrdsetes kogustes.

Aatom koosneb positiivselt laetud tuumast, mida ümbritseb negatiivselt laetud elektronide pilv. Negatiivne kogulaeng absoluutväärtuses võrdub tuuma positiivse laenguga. Seetõttu on aatomi kogulaeng null, väidetavalt on see ka elektriliselt neutraalne.

Materjalidest, mis mahutavad elektrit, mõned elektronid on aatomitest eraldatud ja neil on võime liikuda juhtivas materjalis. Neid elektrone nimetatakse mobiillaenguteks või laengukandjateks.

Kuna iga aatom algolekus on neutraalne, muutub see pärast negatiivselt laetud elektroni eraldumist positiivselt laetud iooniks.Positiivsed ioonid ei saa vabalt liikuda ja moodustada statsionaarsete fikseeritud laengute süsteemi (vt. Millised ained juhivad elektrit).

PooljuhtidesMoodustades olulise materjaliklassi, võivad liikuvad elektronid liikuda kahel viisil: või elektronid lihtsalt käituvad negatiivselt laetud kandjatena. Või liigub paljude elektronide kompleksne kogum nii, nagu oleks materjalis positiivselt laetud mobiilikandjad. Fikseeritud tasud võivad olla mõlemat tüüpi.

Juhtivaid materjale võib käsitleda kui materjale, mis sisaldavad liikuvaid laengukandjaid (millel võib olla üks kahest märgist) ja vastupidise polaarsusega fikseeritud laenguid.

On ka materjale, mida nimetatakse isolaatoriteks, mis ei juhi elektrit. Kõik tasud isolaatoris on fikseeritud. Isolaatoriteks on näiteks õhk, vilgukivi, klaas, õhukesed oksiidikihid, mis tekivad paljude metallide pindadele, ja loomulikult vaakum (milles laenguid üldse pole).

Laengut mõõdetakse kulonides (C) ja seda tähistatakse tavaliselt Q-ga.

Laengu või negatiivse elektri kogus elektroni kohta on kindlaks tehtud arvukate katsetega ja leitud, et see on 1,601 × 10-19 CL või 4,803 × 10-10 elektrostaatilist laengut.

Teatava ettekujutuse traadi kaudu voolavate elektronide arvust isegi suhteliselt madala voolu korral saab järgmiselt. Kuna elektroni laeng on 1,601 • 10-19 CL, siis kuloniga võrdse laengu tekitavate elektronide arv on antud pöördväärtus, see tähendab, et see on ligikaudu võrdne 6 • 1018-ga.

Voolutugevus 1 A vastab voolule 1 C sekundis ja ainult 1 μmka (10-12 A) voolu korral läbib juhtme ristlõiget ligikaudu 6 miljonit elektroni sekundis.Sellise ulatusega hoovused on samal ajal nii väikesed, et nende tuvastamine ja mõõtmine on seotud oluliste katseraskustega.

Positiivse iooni laeng on elektroni laengu täisarvuline kordne, kuid sellel on vastupidine märk. Osakeste puhul, mis on üksikult ioniseeritud, osutub laeng võrdseks elektroni laenguga.

Tuuma tihedus on palju suurem kui elektroni tihedus Suurem osa aatomi kui terviku poolt hõivatud mahust on tühi.

Elektrinähtuste mõiste

Kahte erinevat keha kokku hõõrudes, aga ka induktsiooni abil saab kehadele anda erilised omadused — elektrilised. Selliseid kehasid nimetatakse elektrifitseerituks.

Elektrifitseeritud kehade vastasmõjuga seotud nähtusi nimetatakse elektrilised nähtused.

Elektrifitseeritud kehade vastastikmõju määrab nn Elektrilised jõud, mis erinevad teist laadi jõududest selle poolest, et panevad laetud kehad üksteist tõrjuma ja ligi tõmbama, olenemata nende liikumiskiirusest.

Nii erineb laetud kehade omavaheline interaktsioon näiteks gravitatsioonilisest, mida iseloomustab ainult kehade külgetõmbejõud, või magnetilise päritoluga jõududest, mis sõltuvad laengute suhtelisest liikumiskiirusest, põhjustades magnetilist. nähtusi.

Elektrotehnika uurib peamiselt omaduste välise avaldumise seaduspärasusi elektrifitseeritud kehad — elektromagnetväljade seadused.

Pinge

Vastandlaengute vahelise tugeva külgetõmbe tõttu on enamik materjale elektriliselt neutraalsed. Positiivsete ja negatiivsete laengute eraldamiseks kulub energiat.

Joonisel fig. 1 kujutab kahte juhtivat, algselt laenguta plaati, mis on üksteisest vahemaa d kaugusel.Eeldatakse, et plaatide vaheline ruum on täidetud isolaatoriga, näiteks õhuga, või on need vaakumis.

Riis. 1. Kaks juhtivat, algselt laenguta plaati: a — plaadid on elektriliselt neutraalsed; b — laeng -Q kantakse põhjaplaadile (plaatide vahel on potentsiaalide erinevus ja elektriväli).

Joonisel fig. Nagu on näidatud joonisel 1, on mõlemad plaadid neutraalsed ja ülemise plaadi nulllaengut saab esitada laengute +Q ja -Q summana. Joonisel fig. 1b, kantakse laeng -Q ülemiselt plaadilt alumisele plaadile. Kui joonisel fig. 1b, ühendame plaadid traadiga, siis vastupidiste laengute külgetõmbejõud põhjustavad laengu kiire tagasikandumise ja pöördume tagasi joonisel fig. 1, a. Positiivsed laengud liiguksid negatiivselt laetud plaadile ja negatiivsed laengud positiivselt laetud plaadile.

Me ütleme, et joonisel fig 1 näidatud laetud plaatide vahel. 1b, on potentsiaalide erinevus ja et positiivselt laetud ülemisel plaadil on potentsiaal suurem kui negatiivselt laetud alumisel plaadil. Üldiselt on kahe punkti vahel potentsiaalne erinevus, kui nende punktide vaheline juhtivus põhjustab laengu ülekande.

Positiivsed laengud liiguvad kõrge potentsiaaliga punktist madala potentsiaaliga punkti, negatiivsete laengute liikumissuund on vastupidine — madala potentsiaaliga punktist kõrge potentsiaaliga punkti.

Potentsiaalide erinevuse mõõtmise ühik on volt (V). Potentsiaalide erinevust nimetatakse pingeks ja seda tähistatakse tavaliselt tähega U.

Kahe punkti vahelise pinge kvantifitseerimiseks kasutatakse mõistet elektriväli… Joonisel fig.1b, on plaatide vahel ühtlane elektriväli, mis on suunatud kõrgema potentsiaaliga piirkonnast (positiivselt plaadilt) madalama potentsiaaliga piirkonda (negatiivsele plaadile).

Selle välja tugevus, väljendatuna voltides meetri kohta, on võrdeline plaatide laenguga ja seda saab arvutada füüsikaseaduste järgi, kui on teada laengute jaotus. Elektrivälja tugevuse ja plaatide vahelise pinge U seos on kujul U = E NS e (volt = volt / meeter x meeter).

Nii et üleminek madalamalt potentsiaalilt kõrgemale vastab väljasuunalisele liikumisele.Keerulisema struktuuri korral ei pruugi elektriväli olla kõikjal ühtlane ning kahe punkti potentsiaalide erinevuse määramiseks, siis on võimalik, et elektriväli ei ole võimalik. on vaja korduvalt kasutab võrrandit U = E NS e.

Intervall meile huvipakkuvate punktide vahel on jagatud paljudeks osadeks, millest igaüks on piisavalt väike, et väli oleks selles ühtlane. Seejärel rakendatakse võrrandit järjestikku igale segmendile U = E NS e ja iga lõigu potentsiaalsed erinevused summeeritakse. Seega saate mis tahes laengute ja elektriväljade jaotuse korral leida potentsiaalse erinevuse mis tahes kahe punkti vahel.

Potentsiaalide erinevuse määramisel on vaja näidata mitte ainult kahe punkti vahelise pinge suurust, vaid ka seda, millisel punktil on suurim potentsiaal. Mitut erinevat elementi sisaldavates elektriahelates ei ole aga alati võimalik eelnevalt kindlaks teha, millisel punktil on suurim potentsiaal. Segaduste vältimiseks on vaja nõustuda märkide tingimusega (joonis 2).

Riis. 2… Pinge polaarsuse määramine (pinge võib olla positiivne või negatiivne).

Bipolaarset vooluahela elementi kujutab kahe klemmiga varustatud kast (joonis 2, a). Eeldatakse, et karbist klemmideni viivad liinid on ideaalsed elektrivoolu juhid. Üks terminal on tähistatud plussmärgiga, teine ​​miinusmärgiga. Need märgid fikseerivad suhtelise polaarsuse. Pinge U joonisel fig. 2, ja määratakse tingimusega U = (klemmi «+» potentsiaal) — (klemmi «-« potentsiaal).

Joonisel fig. 2b on laetud plaadid ühendatud klemmidega nii, et «+» klemm on ühendatud suurema potentsiaaliga plaadiga. Siin on pinge U positiivne arv. Joonisel fig. 2, on "+" klemm ühendatud alumise potentsiaaliplaadiga. Selle tulemusena saame negatiivse pinge.

Oluline on meeles pidada pinge esituse algebralist vormi. Kui polaarsus on kindlaks määratud, tähendab positiivne pinge, et "+" klemmil on (kõrgem potentsiaal) ja negatiivne pinge tähendab, et "-" klemmil on suurem potentsiaal.

Praegune

Eespool märgiti, et positiivsed laengukandjad liiguvad kõrge potentsiaaliga piirkonnast madala potentsiaaliga piirkonda, negatiivsed laengukandjad aga madala potentsiaaliga piirkonda. Igasugune tasude ülekandmine tähendab aegumist elektrit.

Joonisel fig. 3 on näidatud mõned lihtsad elektrivoolu voolujuhtumid, pind valitakse C ja näidatud on mõtteline positiivne suund. Kui aja jooksul dt läbi sektsiooni S liigub kogulaeng Q valitud suunas, siis vool I kuni S võrdub I = dV/dT. Voolu mõõtühik on amper (A) (1A = 1C / s).

Riis. 3… Seos voolu suuna ja mobiililaengute voolu suuna vahel.Vool on positiivne (a ja b), kui tekkiv positiivsete laengute voog läbi mõne pinna C langeb kokku valitud suunaga. Vool on negatiivne (b ja d), kui sellest tulenev positiivsete laengute voog üle pinna on vastupidine valitud suunale.

Raskused tekivad sageli praeguse Iz märgi määramisel. Kui mobiilsed laengukandjad on positiivsed, siis positiivne vool kirjeldab mobiilsete laengukandjate tegelikku liikumist valitud suunas, negatiivne aga mobiilsete laengukandjate liikumist valitud suunale vastupidises suunas.

Kui mobiilioperaatorid on negatiivsed, tuleb voolu suuna määramisel olla ettevaatlik. Kaaluge joonist fig. 3d, milles negatiivsed mobiilsed laengukandjad ristuvad S valitud suunas. Oletame, et igal kandjal on laeng -q ja voolukiirus läbi S on n kandjat sekundis. Ajavahemikus dt on laengute C summaarne läbimine valitud suunas dV = -n NS q NS dt, mis vastab voolule I = dV/dT.

Seetõttu on vool joonisel 3d negatiivne. Veelgi enam, see vool langeb kokku vooluga, mis tekib positiivsete kandjate liikumisel laenguga + q läbi pinna S kiirusega n kandjat sekundis valitud suunas vastupidises suunas (joonis 3, b). Seega kajastuvad kahekohalised laengud kahekohalises voolus. Enamikul juhtudel on elektroonikaahelates voolu märk märkimisväärne ja pole vahet, millised laengukandjad (positiivsed või negatiivsed) seda voolu kannavad. Seetõttu eeldavad nad sageli elektrivoolust rääkides, et laengukandjad on positiivsed (vt. Elektrivoolu suund).

Pooljuhtseadmetes on aga positiivsete ja negatiivsete laengukandjate erinevus kriitilise tähtsusega seadme töös.Nende seadmete töö üksikasjalik uurimine peaks selgelt eristama mobiilsete laengukandjate tunnuseid. Teatud ala läbiva voolu kontseptsiooni saab kergesti üldistada vooluahelaks läbi vooluahela elementi.

Joonisel fig. 4 kujutab bipolaarset elementi. Positiivse voolu suund on näidatud noolega.

Riis. 4. Vool läbi vooluahela elemendi. Laengud sisenevad rakku läbi terminali A kiirusega i (kuloneid sekundis) ja väljuvad rakust läbi terminali A' sama kiirusega.

Kui vooluringi elementi läbib positiivne vool, siseneb positiivne laeng klemmi A kiirusega i kuloni sekundis. Kuid nagu juba märgitud, jäävad materjalid (ja vooluahela elemendid) tavaliselt elektriliselt neutraalseks. (Isegi "laetud" elemendil joonisel fig. 1 on kogulaeng null.) Seega, kui laeng voolab elementi läbi klemmi A, peab võrdne kogus laengut samaaegselt elemendist välja voolama läbi klemmi A'. See vooluahela elemendi läbiva elektrivoolu pidevus tuleneb elemendi kui terviku neutraalsusest.

Võimsus

Ahela mis tahes bipolaarse elemendi klemmide vahel võib olla pinge ja vool võib seda läbida. Voolu ja pinge tunnuseid saab määrata iseseisvalt, kuid pinge ja voolu polaarsuste vahel on oluline füüsikaline seos, mille selgitamiseks võetakse tavaliselt mõned lisatingimused.

Joonisel fig. 4 näitab, kuidas määratakse pinge ja voolu suhteline polaarsus. Kui voolu suund on valitud, voolab see "+" terminali. Kui see lisatingimus on täidetud, saab määrata olulise elektrilise suuruse – elektrivõimsuse. Mõelge joonisel fig. 4.

Kui pinge ja vool on positiivsed, siis toimub pidev positiivsete laengute voog kõrge potentsiaaliga punktist madala potentsiaaliga punkti. Selle voolu säilitamiseks on vaja eraldada positiivsed laengud negatiivsetest ja viia need "+" terminali. Selline pidev eraldamine nõuab pidevat energiakulu.

Kui laengud läbivad elementi, vabastavad nad selle energia. Ja kuna energiat tuleb salvestada, siis see kas eraldub vooluahela elemendis soojusena (näiteks rösteris) või talletub selles (näiteks autoaku laadimisel). Selle energia muundamise kiirust nimetatakse võimsus ja määratakse avaldisega P = U NS Az (vatti = volti x ampreid).

Võimsuse mõõtühik on vatt (W), mis vastab 1 J energia muundamisele 1 sekundiks. Võimsus, mis võrdub pinge ja voolu korrutisega joonisel fig. 4 on algebraline suurus.

Kui P > 0, nagu ülaltoodud juhul, siis võimsus hajub või neeldub elemendis. Kui P < 0, siis antud juhul annab element toite ahelale, kuhu see on ühendatud.

Resistiivsed elemendid

Iga vooluahela elemendi jaoks saate kirjutada konkreetse seose klemmi pinge ja elementi läbiva voolu vahel. Takistuselement on element, mille jaoks saab joonistada pinge ja voolu vahelise seose.Seda graafikut nimetatakse voolu-pinge karakteristikuks. Sellise funktsiooni näide on näidatud joonisel fig. 5.

Riis. 5. Takistuselemendi voolu-pinge karakteristikud

Kui elemendi D klemmide pinge on teada, saab graafikuga määrata elementi D läbiva voolu.Samuti, kui vool on teada, saab määrata ka pinge.

Täiuslik vastupanu

Ideaalne takistus (või takisti) on lineaarne takistuselement… Lineaarsuse definitsiooni järgi on pinge ja voolu vaheline suhe lineaarses takistuselemendis selline, et voolu kahekordistamisel kahekordistub ka pinge. Üldiselt peaks pinge olema võrdeline vooluga.

Pinge ja voolu vahelist võrdelist seost nimetatakse Ohmi seadus vooluringi lõigu kohta ja kirjutatakse kahel viisil: U = I NS R, kus R on elemendi takistus ja I = G NS U, kus G = I / R on elemendi juhtivus. Takistuse ühik on oom (ohm) ja juhtivuse ühik on siemens (cm).

Ideaalse takistuse voolu-pinge karakteristikud on näidatud joonisel fig. 6. Graafik on alguspunkti läbiv sirgjoon, mille kalle on võrdne Az/R-ga.

Riis. 6. Ideaalse takisti tähistus (a) ja voolu-pinge karakteristikud (b).

Võimsus täiusliku takistusega

Ideaalse takistuse poolt neelatud võimsuse väljendamine:

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

Nii nagu neelduv võimsus ideaaltakistuse korral sõltub voolu (või pinge) ruudust, sõltub ideaalses takistuses neeldunud võimsuse v märk R märgist. Kuigi mõnikord kasutatakse negatiivseid takistuse väärtusi teatud tüüpi seadmete simuleerimisel teatud režiimides on kõik reaalsed takistused tavaliselt positiivsed. Nende takistuste korral on neeldunud võimsus alati positiivne.

Takistuse poolt neeldunud elektrienergia, vt energia jäävuse seadus, Peab NStransformeerima teisteks liikideks.Kõige sagedamini muundatakse elektrienergia soojusenergiaks, mida nimetatakse Joule'i soojuseks. Eritumise kiirus džauli soojust takistuse poolest vastab see elektrienergia neeldumiskiirusele. Erandiks on need takistuslikud elemendid (näiteks pirn või kõlar), kus osa neelduvast energiast muundatakse muudeks vormideks (valgus- ja helienergia).

Peamiste elektrisuuruste omavaheline seos

Alalisvoolu korral on põhiühikud näidatud joonisel fig. 7.

Riis. 7. Peamiste elektrisuuruste omavaheline seos

Neli põhiühikut - vool, pinge, takistus ja võimsus - on omavahel ühendatud usaldusväärselt loodud suhetega, mis võimaldab meil teha mitte ainult otseseid, vaid ka kaudseid mõõtmisi või arvutada vajalikke väärtusi teiste mõõdetud mõõtude põhjal. Niisiis, pinge mõõtmiseks vooluringi ühes osas peab olema voltmeeter, kuid isegi selle puudumisel, teades vooluringi voolu ja voolutakistust selles jaotises, saate pinge väärtuse arvutada.