Grunnleggende elektriske størrelser: ladning, spenning, strøm, kraft, motstand

Grunnleggende elektriske størrelser: strøm, spenning, motstand og effekt.

Lader

Det viktigste fysiske fenomenet i elektriske kretser er bevegelse elektrisk ladning… Det er to typer ladninger i naturen – positive og negative. Like ladninger tiltrekker seg, like ladninger frastøter. Dette fører til at det er en tendens til å gruppere positive ladninger med negative i like store mengder.

Et atom består av en positivt ladet kjerne omgitt av en sky av negativt ladede elektroner. Den totale negative ladningen i absolutt verdi er lik den positive ladningen til kjernen. Derfor har atomet null total ladning, det sies også å være elektrisk nøytralt.

I materialer som kan holde elektrisitet, noen elektroner er separert fra atomer og har evnen til å bevege seg i et ledende materiale. Disse elektronene kalles mobilladninger eller ladningsbærere.

Siden hvert atom i starttilstanden er nøytralt, etter separasjonen av det negativt ladede elektronet, blir det et positivt ladet ion.Positive ioner kan ikke bevege seg fritt og danne et system av stasjonære, faste ladninger (se - Hvilke stoffer leder strøm).

I halvledereutgjør en viktig klasse av materialer, mobile elektroner kan bevege seg på to måter: eller elektronene rett og slett oppfører seg som negativt ladede bærere. Eller en kompleks samling av mange elektroner beveger seg på en slik måte som om det var positivt ladede mobile bærere i materialet. Faste avgifter kan være av begge typer.

Ledende materialer kan betraktes som materialer som inneholder mobile ladningsbærere (som kan ha ett av to tegn) og faste ladninger med motsatt polaritet.

Det finnes også materialer som kalles isolatorer som ikke leder strøm. Alle ladninger i isolatoren er faste. Eksempler på isolatorer er luft, glimmer, glass, tynne lag av oksider som dannes på overflaten av mange metaller, og selvfølgelig et vakuum (der det ikke er noen ladninger i det hele tatt).

Ladning måles i coulombs (C) og er vanligvis betegnet med Q.

Mengden av ladning eller mengden negativ elektrisitet per elektron har blitt fastslått gjennom en rekke eksperimenter og funnet å være 1,601 × 10-19 CL eller 4,803 x 10-10 elektrostatiske ladninger.

En viss ide om antall elektroner som strømmer gjennom en ledning selv ved relativt lave strømmer kan fås som følger. Siden ladningen til elektronet er 1,601 • 10-19 CL, er antallet elektroner som skaper en ladning lik coulomb den gjensidige av det gitte, det vil si at det er omtrent lik 6 • 1018.

En strøm på 1 A tilsvarer en strømning på 1 C per sekund, og ved en strøm på kun 1 μmka (10-12 A) gjennom ledningens tverrsnitt, omtrent 6 millioner elektroner per sekund.Strømmer av en slik størrelsesorden er samtidig så små at deteksjon og måling er forbundet med betydelige eksperimentelle vanskeligheter.

Ladningen på et positivt ion er et heltalls multiplum av ladningen på et elektron, men har motsatt fortegn. For partikler som er enkelt ionisert, viser ladningen seg å være lik ladningen til elektronet.

Kjernens tetthet er mye høyere enn elektronets tetthet, og det meste av volumet som opptas av atomet som helhet er tomt.

Konseptet med elektriske fenomener

Ved å gni to forskjellige legemer sammen, samt ved induksjon, kan kroppene gis spesielle egenskaper — elektriske. Slike kropper kalles elektrifiserte.

Fenomenene knyttet til samspillet mellom elektrifiserte kropper kalles elektriske fenomener.

Samspillet mellom elektrifiserte kropper bestemmes av den såkalte Elektriske krefter som skiller seg fra krefter av annen natur ved at de får ladede kropper til å frastøte og tiltrekke hverandre, uavhengig av bevegelseshastigheten.

På denne måten skiller samspillet mellom ladede legemer seg for eksempel fra den gravitasjonsmessige, som bare er preget av tiltrekning av legemer, eller fra kreftene av magnetisk opprinnelse, som avhenger av den relative bevegelseshastigheten til ladninger, og forårsaker magnetisk fenomener.

Elektroteknikk studerer hovedsakelig lovene for ytre manifestasjon av egenskaper elektrifiserte organer — lover for elektromagnetiske felt.

Spenning

På grunn av den sterke tiltrekningen mellom motsatte ladninger, er de fleste materialer elektrisk nøytrale. Det krever energi å skille de positive og negative ladningene.

I fig. 1 viser to ledende, innledningsvis uladede plater adskilt i en avstand d.Det antas at rommet mellom platene er fylt med en isolator, for eksempel luft, eller de er i vakuum.

Ris. 1. To ledende, i utgangspunktet uladede plater: a — platene er elektrisk nøytrale; b — ladning -Q overføres til bunnplaten (det er en potensialforskjell og et elektrisk felt mellom platene).

I fig. 1 er begge platene nøytrale, og den totale nullladningen på den øvre platen kan representeres av summen av ladningene +Q og -Q. I fig. 1b overføres ladningen -Q fra den øvre platen til den nedre platen. Hvis i fig. 1b, kobler vi platene med en ledning, så vil tiltrekningskreftene til de motsatte ladningene føre til at ladningen raskt overføres tilbake og vi vil gå tilbake til situasjonen vist i fig. 1, a. Positive ladninger vil flytte til den negativt ladede platen og negative ladninger til den positivt ladede platen.

Vi sier at mellom de ladede platene vist i fig. 1b er det en potensialforskjell og at på den positivt ladede øvre platen er potensialet høyere enn på den negativt ladede nedre plate. Generelt er det en potensiell forskjell mellom to punkter hvis ledning mellom disse punktene resulterer i ladningsoverføring.

Positive ladninger beveger seg fra et punkt med høyt potensial til et punkt med lavt potensial, bevegelsesretningen til negative ladninger er motsatt - fra et punkt med lavt potensial til et punkt med høyt potensial.

Enheten for å måle potensialforskjellen er volt (V). Potensialforskjellen kalles spenning og er vanligvis betegnet med bokstaven U.

For å kvantifisere spenningen mellom to punkter, brukes konseptet elektrisk felt… I tilfellet vist i fig.1b er det et jevnt elektrisk felt mellom platene rettet fra området med høyere potensial (fra den positive platen) til området med lavere potensial (til den negative platen).

Styrken til dette feltet, uttrykt i volt per meter, er proporsjonal med ladningen på platene og kan beregnes ut fra fysikkens lover hvis fordelingen av ladninger er kjent. Forholdet mellom størrelsen på det elektriske feltet og spenningen U mellom platene har formen U = E NS e (volt = volt / meter x meter).

Så overgangen fra et lavere potensial til et høyere tilsvarer bevegelsen mot feltets retning. I en mer kompleks struktur kan det hende at det elektriske feltet ikke er ensartet overalt, og for å bestemme potensialforskjellen mellom to punkter, det er nødvendig å gjentatte ganger bruker ligningen U = E NS e.

Intervallet mellom severdighetene for oss er delt inn i mange seksjoner, som hver er liten nok til at feltet er ensartet i det. Ligningen påføres deretter suksessivt på hvert segment U = E NS e og potensialforskjellene for hver seksjon summeres. For enhver fordeling av ladninger og elektriske felt kan du således finne potensialforskjellen mellom to punkter.

Når du bestemmer potensialforskjellen, er det nødvendig å angi ikke bare størrelsen på spenningen mellom to punkter, men også hvilket punkt som har det høyeste potensialet. Men i elektriske kretser som inneholder flere forskjellige elementer, er det ikke alltid mulig å avgjøre på forhånd hvilket punkt som har høyest potensial. For å unngå forvirring er det nødvendig å akseptere betingelsen for tegn (fig. 2).

Ris. 2... Bestemme spenningspolaritet (spenning kan være positiv eller negativ).

Et bipolart kretselement er representert av en boks utstyrt med to terminaler (fig. 2, a). Linjene som fører fra boksen til terminalene antas å være ideelle ledere av elektrisk strøm. Den ene terminalen er merket med plusstegn, den andre med minustegn. Disse tegnene fikser den relative polariteten. Spenning U i fig. 2, og bestemmes av betingelsen U = (potensial for terminal «+») — (potensial for terminal «-«).

I fig. 2b, kobles de ladede platene til terminalene slik at «+»-terminalen kobles til platen med høyere potensial. Her er spenningen U et positivt tall. I fig. 2, er «+»-terminalen koblet til den nedre potensialplaten. Som et resultat får vi en negativ spenning.

Det er viktig å huske på den algebraiske formen for stressrepresentasjon. Når polariteten er bestemt, betyr en positiv spenning at «+»-terminalen har et (høyere potensial) og en negativ spenning betyr at «-»-terminalen har et høyere potensial.

Nåværende

Det ble bemerket ovenfor at positive ladningsbærere beveger seg fra høypotensialområdet til lavpotensialområdet, mens negative ladningsbærere beveger seg fra lavpotensialområdet til høypotensialområdet. Eventuell overføring av gebyrer betyr utløp elektrisitet.

I fig. 3 viser noen enkle tilfeller av elektrisk strømflyt, overflaten er valgt C og den teoretiske positive retningen er vist. Hvis over tid dt gjennom seksjonen S, vil den totale ladningen Q passere i den valgte retningen, da vil strømmen I til S være lik I = dV/dT. Måleenheten for strøm er ampere (A) (1A = 1C / s).

Ris. 3... Forholdet mellom strømretningen og strømningsretningen til mobilladninger.Strømmen er positiv (a og b) hvis den resulterende strømmen av positive ladninger gjennom en overflate C faller sammen med den valgte retningen. Strømmen er negativ (b og d) hvis den resulterende strømmen av positive ladninger over overflaten er motsatt av den valgte retningen.

Det oppstår ofte vanskeligheter med å bestemme tegnet til den nåværende Iz. Hvis de mobile ladebærerne er positive, så beskriver den positive strømmen den faktiske bevegelsen til mobilbærerne i den valgte retningen, mens den negative strømmen beskriver flyten av mobile ladebærere motsatt av den valgte retningen.

Hvis mobiloperatørene er negative, må du være forsiktig når du bestemmer retningen på strømmen. Tenk på fig. 3d hvor de negative mobile ladningsbærerne krysser S i den valgte retningen. Anta at hver bærer har ladning -q og strømningshastigheten gjennom S er n bærere per sekund. Under dt er den totale passasjen av ladninger C i den valgte retningen vil være dV = -n NS q NS dt, som tilsvarer strømmen I = dV/dT.

Derfor er strømmen i fig.3d negativ. Dessuten faller denne strømmen sammen med strømmen som skapes av bevegelsen av positive bærere med ladning + q gjennom overflaten S med en hastighet på n bærere per sekund i motsatt retning av den valgte (fig. 3, b). Dermed reflekteres tosifrede ladninger i den tosifrede strømmen. For de fleste tilfeller i elektroniske kretser er strømmens fortegn betydelig, og det spiller ingen rolle hvilke ladningsbærere (positive eller negative) som bærer den strømmen. Derfor, ofte når de snakker om elektrisk strøm, antar de at ladningsbærerne er positive (se - Retning av elektrisk strøm).

I halvlederenheter er imidlertid forskjellen mellom positive og negative ladningsbærere avgjørende for driften av enheten.En detaljert undersøkelse av driften av disse enhetene bør tydelig skille tegnene til mobile ladebærere. Konseptet med en strøm som flyter gjennom et bestemt område kan lett generaliseres til en strøm gjennom et kretselement.

I fig. 4 viser et bipolart element. Retningen til den positive strømmen er vist med en pil.

Ris. 4. Strøm gjennom et kretselement. Ladninger kommer inn i cellen gjennom terminal A med en hastighet i (coulombs per sekund) og forlater cellen gjennom terminal A' med samme hastighet.

Hvis en positiv strøm flyter gjennom et kretselement, kommer en positiv ladning inn i terminal A med en hastighet på i coulombs per sekund. Men, som allerede nevnt, forblir materialer (og kretselementer) vanligvis elektrisk nøytrale. (Selv en "ladet" celle i fig. 1 har null total ladning.) Derfor, hvis ladning strømmer inn i cellen gjennom terminal A, må en lik mengde ladning samtidig strømme ut av cellen gjennom terminal A'. Denne kontinuiteten av elektrisk strømflyt gjennom kretselementet følger av nøytraliteten til elementet som helhet.

Makt

Ethvert bipolart element i en krets kan ha en spenning mellom terminalene og strøm kan flyte gjennom den. Tegnene på strøm og spenning kan bestemmes uavhengig, men det er et viktig fysisk forhold mellom polaritetene til spenning og strøm, for avklaringen som vanligvis tas noen tilleggsbetingelser.

I fig. 4 viser hvordan de relative polaritetene til spenning og strøm bestemmes. Når gjeldende retning er valgt, flyter den inn i «+»-terminalen. Når denne tilleggsbetingelsen er oppfylt, kan en viktig elektrisk mengde – elektrisk kraft – bestemmes. Tenk på kretselementet i fig. 4.

Hvis spenningen og strømmen er positive, er det en kontinuerlig strøm av positive ladninger fra et punkt med høyt potensial til et punkt med lavt potensial. For å opprettholde denne flyten, er det nødvendig å skille de positive ladningene fra de negative og introdusere dem i «+»-terminalen. Denne kontinuerlige separasjonen krever et kontinuerlig forbruk av energi.

Når ladninger passerer gjennom elementet, frigjør de denne energien. Og siden energi må lagres, frigjøres den enten i kretselementet som varme (for eksempel i en brødrister) eller lagres i den (for eksempel når du lader et bilbatteri). Hastigheten som denne energiomdannelsen skjer med kalles makt og bestemmes av uttrykket P = U NS Az (watt = volt x ampere).

Måleenheten for effekt er watt (W), som tilsvarer konverteringen av 1 J energi til 1 s. Effekt lik produktet av spenning og strøm med polaritetene definert i fig. 4 er en algebraisk størrelse.

Hvis P > 0, som i tilfellet ovenfor, forsvinner eller absorberes kraft i elementet. Hvis P < 0, så leverer elementet i dette tilfellet strøm til kretsen det er koblet til.

Resistive elementer

For hvert kretselement kan du skrive et spesifikt forhold mellom klemmespenningen og strømmen gjennom elementet. Et resistivt element er et element som forholdet mellom spenning og strøm kan plottes for. Denne grafen kalles strøm-spenningskarakteristikk. Et eksempel på en slik funksjon er vist i fig. 5.

Ris. 5. Strømspenningskarakteristikk for et resistivt element

Hvis spenningen ved terminalene til element D er kjent, kan grafen bestemme strømmen gjennom element D.På samme måte, hvis strømmen er kjent, kan spenningen bestemmes.

Perfekt motstand

Den ideelle motstanden (eller motstanden) er lineært resistivt element… Per definisjon av linearitet er forholdet mellom spenning og strøm i et lineært resistivt element slik at når strømmen dobles, dobles også spenningen. Generelt bør spenningen være proporsjonal med strømmen.

Det proporsjonale forholdet mellom spenning og strøm kalles Ohms lov for en del av en krets og skrives på to måter: U = I NS R, hvor R er motstanden til elementet, og I = G NS U, hvor G = I / R er ledningsevnen til elementet. Motstandsenheten er ohm (ohm), og enheten for ledningsevne er siemens (cm).

Strømspenningskarakteristikken til den ideelle motstanden er vist i fig. 6. Grafen er en rett linje gjennom origo med en helning lik Az/R.

Ris. 6. Betegnelse (a) og strøm-spenningskarakteristikk (b) for en ideell motstand.

Kraft med perfekt motstand

Uttrykker kraften som absorberes av den ideelle motstanden:

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

Akkurat som den absorberte kraften, i en ideell motstand, avhenger av kvadratet til strømmen (eller spenningen), avhenger tegnet på kraften absorbert v i en ideell motstand av tegnet til R. Selv om negative motstandsverdier noen ganger brukes når man simulerer visse typer enheter som opererer i visse moduser, er alle reelle motstander vanligvis positive. For disse motstandene er den absorberte kraften alltid positiv.

Den elektriske energien absorbert av motstanden, iht loven om bevaring av energi, Må NSomdannes til andre arter.Oftest blir elektrisk energi omdannet til varmeenergi, kalt Joule-varme. Utskillelseshastighet joule varme når det gjelder motstand, samsvarer den med hastigheten på absorpsjon av elektrisk energi. Unntak er de resistive elementene (for eksempel en lyspære eller høyttaler), der en del av den absorberte energien omdannes til andre former (lys- og lydenergi).

Sammenheng mellom de viktigste elektriske størrelsene

For likestrøm er grunnenhetene vist i fig. 7.

Ris. 7. Sammenheng mellom de viktigste elektriske størrelsene

Fire grunnleggende enheter - strøm, spenning, motstand og kraft - er sammenkoblet av pålitelig etablerte relasjoner, som lar oss gjøre ikke bare direkte, men også indirekte målinger eller beregne verdiene vi trenger fra andre målte. Så for å måle spenningen i en del av kretsen, må man ha et voltmeter, men selv i fravær kan du beregne verdien av spenningen ved å vite strømmen i kretsen og strømmotstanden i denne delen.