Galvenie elektriskie lielumi: lādiņš, spriegums, strāva, jauda, ​​pretestība

Galvenie elektriskie lielumi: strāva, spriegums, pretestība un jauda.

Uzlāde

Vissvarīgākā fiziskā parādība elektriskajās ķēdēs ir kustība elektriskais lādiņš… Dabā ir divu veidu lādiņi — pozitīvi un negatīvi. Kā lādiņi pievelk, kā lādiņi atgrūž. Tas noved pie tā, ka pastāv tendence vienādos daudzumos grupēt pozitīvos lādiņus ar negatīvajiem.

Atoms sastāv no pozitīvi lādēta kodola, ko ieskauj negatīvi lādētu elektronu mākonis. Kopējais negatīvais lādiņš absolūtā vērtībā ir vienāds ar kodola pozitīvo lādiņu. Tāpēc atomam ir nulle kopējais lādiņš, un tiek uzskatīts, ka tas ir arī elektriski neitrāls.

Materiālos, kas var turēt elektrība, daži elektroni ir atdalīti no atomiem un spēj pārvietoties vadošā materiālā. Šos elektronus sauc par mobilajiem lādiņiem vai lādiņu nesējiem.

Tā kā katrs atoms sākotnējā stāvoklī ir neitrāls, pēc negatīvi lādētā elektrona atdalīšanas tas kļūst par pozitīvi lādētu jonu.Pozitīvie joni nevar brīvi pārvietoties un veidot stacionāru, fiksētu lādiņu sistēmu (sk. Kādas vielas vada elektrību).

Pusvadītājosveidojot svarīgu materiālu klasi, mobilie elektroni var pārvietoties divos veidos: vai arī elektroni vienkārši darbojas kā negatīvi lādēti nesēji. Vai arī sarežģīta daudzu elektronu kolekcija pārvietojas tā, it kā materiālā būtu pozitīvi uzlādēti mobilo sakaru nesēji. Fiksētās maksas var būt jebkura veida.

Vadītspējīgus materiālus var uzskatīt par materiāliem, kas satur kustīgus lādiņu nesējus (kuriem var būt viena no divām zīmēm) un fiksētus lādiņus ar pretēju polaritāti.

Ir arī materiāli, ko sauc par izolatoriem, kas nevada elektrību. Visas maksas izolatorā ir fiksētas. Izolatoru piemēri ir gaiss, vizla, stikls, plāni oksīdu slāņi, kas veidojas uz daudzu metālu virsmām, un, protams, vakuums (kurā lādiņu nav vispār).

Lādiņu mēra kulonos (C) un parasti apzīmē ar Q.

Uzlādes daudzums vai negatīvās elektrības daudzums uz vienu elektronu ir noteikts daudzos eksperimentos, un tika konstatēts, ka tas ir 1, 601 × 10-19 CL vai 4, 803 × 10-10 elektrostatiskie lādiņi.

Zināmu priekšstatu par elektronu skaitu, kas plūst caur vadu pat pie salīdzinoši zemām strāvām, var iegūt šādi. Tā kā elektrona lādiņš ir 1,601 • 10-19 CL, tad elektronu skaits, kas rada lādiņu, kas vienāds ar kulonu, ir dotā reciproks, tas ir, tas ir aptuveni vienāds ar 6 • 1018.

1 A strāva atbilst 1 C plūsmai sekundē, un tikai ar strāvu 1 μmka (10-12 A) caur stieples šķērsgriezumu aptuveni 6 miljoni elektronu sekundē.Šāda lieluma straumes tajā pašā laikā ir tik mazas, ka to noteikšana un mērīšana ir saistīta ar ievērojamām eksperimentālām grūtībām.

Pozitīvā jona lādiņš ir vesels elektrona lādiņa daudzkārtnis, bet tam ir pretēja zīme. Daļiņām, kas ir atsevišķi jonizētas, lādiņš izrādās vienāds ar elektrona lādiņu.

Kodola blīvums ir daudz lielāks nekā elektrona blīvums.Lielākā daļa tilpuma, ko aizņem atoms kopumā, ir tukšs.

Elektrisko parādību jēdziens

Berzējot kopā divus dažādus ķermeņus, kā arī ar indukciju, ķermeņiem var piešķirt īpašas īpašības — elektriskas. Šādas struktūras sauc par elektrificētām.

Tiek sauktas parādības, kas saistītas ar elektrificēto ķermeņu mijiedarbību elektriskās parādības.

Elektrificēto ķermeņu mijiedarbību nosaka t.s Elektriskie spēki, kas atšķiras no cita rakstura spēkiem ar to, ka tie izraisa uzlādētu ķermeņu atgrūšanu un piesaisti viens otru neatkarīgi no to kustības ātruma.

Tādā veidā lādētu ķermeņu mijiedarbība atšķiras, piemēram, no gravitācijas, ko raksturo tikai ķermeņu pievilkšanās, vai no magnētiskās izcelsmes spēkiem, kas ir atkarīgi no lādiņu relatīvā kustības ātruma, izraisot magnētisko. parādības.

Elektrotehnika galvenokārt pēta īpašību ārējās izpausmes likumus elektrificētas struktūras — elektromagnētisko lauku likumi.

spriegums

Sakarā ar spēcīgu pievilcību starp pretējiem lādiņiem, lielākā daļa materiālu ir elektriski neitrāli. Nepieciešama enerģija, lai atdalītu pozitīvos un negatīvos lādiņus.

attēlā. 1 parāda divas vadošas, sākotnēji neuzlādētas plāksnes, kas atrodas attālumā d.Tiek pieņemts, ka atstarpe starp plāksnēm ir piepildīta ar izolatoru, piemēram, gaisu, vai arī tās atrodas vakuumā.

Rīsi. 1. Divas vadošas, sākotnēji neuzlādētas plāksnes: a — plāksnes ir elektriski neitrālas; b — lādiņš -Q tiek pārnests uz apakšējo plāksni (starp plāksnēm ir potenciālu starpība un elektriskais lauks).

attēlā. 1, abas plāksnes ir neitrālas, un kopējo nulles lādiņu augšējā plāksnē var attēlot ar lādiņu +Q un -Q summu. attēlā. 1b, lādiņš -Q tiek pārnests no augšējās plāksnes uz apakšējo plāksni. Ja att. 1b, mēs savienojam plāksnes ar vadu, tad pretējo lādiņu pievilkšanas spēki liks lādiņam ātri pārvietoties atpakaļ un mēs atgriezīsimies attēlā redzamajā situācijā. 1, a. Pozitīvie lādiņi pārvietotos uz negatīvi lādētu plāksni un negatīvi lādiņi uz pozitīvi lādētu plāksni.

Mēs sakām, ka starp uzlādētajām plāksnēm, kas parādītas attēlā. 1b, pastāv potenciālu atšķirība un ka uz pozitīvi lādētas augšējās plāksnes potenciāls ir lielāks nekā uz negatīvi lādētas apakšējās plāksnes. Kopumā starp diviem punktiem pastāv potenciāla atšķirība, ja vadītspēja starp šiem punktiem izraisa lādiņa pārnešanu.

Pozitīvie lādiņi virzās no augsta potenciāla punkta uz zema potenciāla punktu, negatīvo lādiņu kustības virziens ir pretējs — no zema potenciāla punkta uz augsta potenciāla punktu.

Potenciālu starpības mērvienība ir volts (V). Potenciālu starpību sauc par spriegumu un parasti apzīmē ar burtu U.

Lai kvantitatīvi noteiktu spriedzi starp diviem punktiem, tiek izmantots jēdziens elektriskais lauks… Attēlā parādītajā gadījumā.1b, starp plāksnēm ir vienmērīgs elektriskais lauks, kas virzīts no augstāka potenciāla apgabala (no pozitīvās plāksnes) uz zemāka potenciāla apgabalu (uz negatīvo plāksni).

Šī lauka stiprums, izteikts voltos uz metru, ir proporcionāls lādiņam uz plāksnēm un to var aprēķināt pēc fizikas likumiem, ja ir zināms lādiņu sadalījums. Attiecībai starp elektriskā lauka lielumu un spriegumu U starp plāksnēm ir forma U = E NS e (volts = volts / metrs x metrs).

Tātad pāreja no zemāka potenciāla uz augstāku atbilst kustībai pret lauka virzienu Sarežģītākā struktūrā elektriskais lauks var nebūt vienmērīgs visur, un, lai noteiktu potenciālu starpību starp diviem punktiem, nepieciešams atkārtoti izmantot vienādojumu U = E NS e.

Intervāls starp mums interesējošajiem punktiem ir sadalīts daudzās sadaļās, no kurām katra ir pietiekami maza, lai lauks tajā būtu vienmērīgs. Pēc tam vienādojumu secīgi piemēro katram segmentam U = E NS e un potenciālās atšķirības katrai sadaļai tiek summētas. Tādējādi jebkuram lādiņu un elektrisko lauku sadalījumam var atrast potenciālo atšķirību starp jebkuriem diviem punktiem.

Nosakot potenciālu starpību, ir jānorāda ne tikai sprieguma lielums starp diviem punktiem, bet arī tas, kuram punktam ir vislielākais potenciāls. Tomēr elektriskās ķēdēs, kas satur vairākus dažādus elementus, ne vienmēr ir iespējams iepriekš noteikt, kuram punktam ir vislielākais potenciāls. Lai izvairītos no neskaidrībām, ir jāpieņem zīmju nosacījums (2. att.).

Rīsi. 2… Sprieguma polaritātes noteikšana (spriegums var būt pozitīvs vai negatīvs).

Bipolārās ķēdes elementu attēlo kārba, kas aprīkota ar diviem spailēm (2. att., a). Tiek pieņemts, ka līnijas, kas ved no kastes uz spailēm, ir ideāli elektriskās strāvas vadītāji. Viens terminālis ir atzīmēts ar plus zīmi, otrs ar mīnus zīmi. Šīs rakstzīmes nosaka relatīvo polaritāti. Spriegums U attēlā. 2, un to nosaka nosacījums U = (termināla «+» potenciāls) — (termināla «-« potenciāls).

attēlā. 2b, uzlādētās plāksnes ir savienotas ar spailēm tā, lai «+» spaile būtu savienota ar plāksni ar lielāku potenciālu. Šeit spriegums U ir pozitīvs skaitlis. attēlā. 2, "+" spaile ir savienota ar apakšējo potenciāla plāksni. Rezultātā mēs iegūstam negatīvu spriegumu.

Ir svarīgi atcerēties par stresa attēlojuma algebrisko formu. Kad polaritāte ir noteikta, pozitīvs spriegums nozīmē, ka "+" spailei ir (lielāks potenciāls), un negatīvs spriegums nozīmē, ka "-" spailei ir lielāks potenciāls.

Pašreizējais

Iepriekš tika atzīmēts, ka pozitīvie lādiņnesēji pārvietojas no augsta potenciāla apgabala uz zema potenciāla reģionu, savukārt negatīvie lādiņnesēji pārvietojas no zema potenciāla reģiona uz augsta potenciāla reģionu. Jebkāda maksas pārskaitīšana nozīmē termiņa beigšanos elektrība.

attēlā. 3 parādīti daži vienkārši elektriskās strāvas plūsmas gadījumi, virsma izvēlēta C un parādīts nosacītais pozitīvais virziens. Ja laika gaitā dt caur sekciju S kopējais lādiņš Q izies izvēlētajā virzienā, tad strāva I līdz S būs vienāda ar I = dV/dT. Strāvas mērvienība ir ampērs (A) (1A = 1C / s).

Rīsi. 3… Saistība starp strāvas virzienu un mobilo lādiņu plūsmas virzienu.Strāva ir pozitīva (a un b), ja rezultātā pozitīvo lādiņu plūsma caur kādu virsmu C sakrīt ar izvēlēto virzienu. Strāva ir negatīva (b un d), ja rezultātā pozitīvo lādiņu plūsma pa virsmu ir pretēja izvēlētajam virzienam.

Grūtības bieži rodas, nosakot pašreizējā Iz zīmi. Ja mobilie lādiņnesēji ir pozitīvi, tad pozitīvā strāva raksturo mobilo nesēju faktisko kustību izvēlētajā virzienā, bet negatīvā strāva – mobilo lādiņnesēju plūsmu pretēji izvēlētajam virzienam.

Ja mobilo sakaru operatori ir negatīvi, jums jābūt uzmanīgiem, nosakot strāvas virzienu. Apsveriet att. 3d, kurā negatīvie mobilie lādiņnesēji šķērso S izvēlētajā virzienā. Pieņemsim, ka katram nesējam ir lādiņš -q un plūsmas ātrums caur S ir n nesēji sekundē. dt laikā kopējā lādiņu C pāreja izvēlētajā virzienā būs dV = -n NS q NS dt, kas atbilst strāvai I = dV/ dT.

Tāpēc strāva 3.d attēlā ir negatīva. Turklāt šī strāva sakrīt ar strāvu, ko rada pozitīvo nesēju kustība ar lādiņu + q caur virsmu S ar ātrumu n nesēji sekundē virzienā, kas ir pretējs izvēlētajam (3. att., b). Tādējādi divciparu maksas tiek atspoguļotas divciparu strāvā. Vairumā gadījumu elektroniskajās shēmās strāvas zīme ir nozīmīga, un nav nozīmes tam, kuri lādiņu nesēji (pozitīvie vai negatīvie) nes šo strāvu. Tāpēc bieži vien, runājot par elektrisko strāvu, viņi pieņem, ka lādiņu nesēji ir pozitīvi (sk. Elektriskās strāvas virziens).

Tomēr pusvadītāju ierīcēs atšķirība starp pozitīvajiem un negatīvajiem lādiņu nesējiem ir būtiska ierīces darbībai.Detalizēti pārbaudot šo ierīču darbību, ir skaidri jānošķir mobilo lādiņu nesēju pazīmes. Caur noteiktu apgabalu plūstošas ​​strāvas jēdzienu var viegli vispārināt ar strāvu caur ķēdes elementu.

attēlā. 4 parādīts bipolārs elements. Pozitīvās strāvas virzienu parāda bultiņa.

Rīsi. 4. Strāva caur ķēdes elementu. Lādiņi ieplūst šūnā caur termināli A ar ātrumu i (kuloni sekundē) un iziet no šūnas caur termināli A' ar tādu pašu ātrumu.

Ja caur ķēdes elementu plūst pozitīva strāva, pozitīvs lādiņš nonāk spailē A ar ātrumu i kuloni sekundē. Bet, kā jau minēts, materiāli (un ķēdes elementi) parasti paliek elektriski neitrāli. (Pat "uzlādētai" šūnai 1. attēlā ir nulle kopējā lādiņa.) Tāpēc, ja lādiņš ieplūst šūnā caur spaili A, vienādam daudzumam lādiņa vienlaikus jāizplūst no šūnas caur spaili A'. Šī elektriskās strāvas plūsmas nepārtrauktība caur ķēdes elementu izriet no elementa neitralitātes kopumā.

Jauda

Jebkuram ķēdes bipolāram elementam var būt spriegums starp tā spailēm, un caur to var plūst strāva. Strāvas un sprieguma pazīmes var noteikt neatkarīgi, taču starp sprieguma un strāvas polaritātēm pastāv svarīga fiziska sakarība, kuras noskaidrošanai parasti tiek ņemti daži papildu nosacījumi.

attēlā. 4 parāda, kā tiek noteiktas sprieguma un strāvas relatīvās polaritātes. Izvēloties strāvas virzienu, tas ieplūst terminālī «+». Kad šis papildu nosacījums ir izpildīts, var noteikt svarīgu elektrisko daudzumu — elektrisko jaudu. Apsveriet ķēdes elementu attēlā. 4.

Ja spriegums un strāva ir pozitīvi, tad notiek nepārtraukta pozitīvu lādiņu plūsma no augsta potenciāla punkta uz zema potenciāla punktu. Lai saglabātu šo plūsmu, ir nepieciešams atdalīt pozitīvos lādiņus no negatīvajiem un ievadīt tos «+» terminālī. Šī nepārtrauktā atdalīšana prasa nepārtrauktu enerģijas patēriņu.

Kad lādiņi iziet cauri elementam, tie atbrīvo šo enerģiju. Un tā kā enerģija ir jāuzglabā, tā vai nu tiek izdalīta ķēdes elementā kā siltums (piemēram, tosterī), vai arī tiek uzglabāta tajā (piemēram, uzlādējot automašīnas akumulatoru). Tiek saukts ātrums, kādā notiek šī enerģijas pārveide jauda un to nosaka izteiksme P = U NS Az (vati = volti x ampēri).

Jaudas mērvienība ir vats (W), kas atbilst 1 J enerģijas pārvēršanai 1 s. Jauda, ​​kas vienāda ar sprieguma un strāvas reizinājumu ar polaritātēm, kas noteiktas att. 4 ir algebrisks lielums.

Ja P > 0, kā iepriekš minētajā gadījumā, jauda tiek izkliedēta vai absorbēta elementā. Ja P < 0, tad šajā gadījumā elements piegādā strāvu ķēdei, kurā tas ir pievienots.

Pretestības elementi

Katram ķēdes elementam varat uzrakstīt īpašu attiecību starp spailes spriegumu un strāvu caur elementu. Pretestības elements ir elements, kuram var uzzīmēt sprieguma un strāvas attiecības.Šo grafiku sauc par strāvas-sprieguma raksturlīkni. Šādas funkcijas piemērs ir parādīts attēlā. 5.

Rīsi. 5. Pretestības elementa strāvas-sprieguma raksturlielums

Ja ir zināms spriegums elementa D spailēs, tad grafikā var noteikt strāvu caur elementu D.Tāpat, ja ir zināma strāva, var noteikt spriegumu.

Perfekta pretestība

Ideālā pretestība (vai rezistors) ir lineārais pretestības elements… Saskaņā ar linearitātes definīciju, attiecība starp spriegumu un strāvu lineārā pretestības elementā ir tāda, ka, dubultojot strāvu, arī spriegums tiek dubultots. Parasti spriegumam jābūt proporcionālam strāvai.

Tiek saukta proporcionālā attiecība starp spriegumu un strāvu Oma likums ķēdes posmam un raksta divos veidos: U = I NS R, kur R ir elementa pretestība, un I = G NS U, kur G = I / R ir elementa vadītspēja. Pretestības mērvienība ir omi (omi), bet vadītspējas mērvienība ir sīmens (cm).

Ideālās pretestības strāvas-sprieguma raksturlielums ir parādīts attēlā. 6. Grafs ir taisna līnija caur sākuma punktu ar slīpumu, kas vienāds ar Az/R.

Rīsi. 6. Ideāla rezistora apzīmējums (a) un strāvas-sprieguma raksturlielums (b).

Jauda ar perfektu pretestību

Izsakot ideālās pretestības absorbēto jaudu:

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

Tāpat kā ideālā pretestībā absorbētā jauda ir atkarīga no strāvas (vai sprieguma) kvadrāta, ideālā pretestībā absorbētās jaudas v zīme ir atkarīga no R zīmes. Lai gan dažreiz tiek izmantotas negatīvas pretestības vērtības. simulējot noteikta veida ierīces, kas darbojas noteiktos režīmos, visas reālās pretestības parasti ir pozitīvas. Šīm pretestībām absorbētā jauda vienmēr ir pozitīva.

Elektriskā enerģija, ko absorbē pretestība, saskaņā ar enerģijas nezūdamības likums, Jāpārveidojas citās sugās.Visbiežāk elektriskā enerģija tiek pārvērsta siltumenerģijā, ko sauc par džoula siltumu. Izdalīšanās ātrums džoulu siltums pretestības ziņā tas atbilst elektriskās enerģijas absorbcijas ātrumam. Izņēmums ir tie pretestības elementi (piemēram, spuldze vai skaļrunis), kur daļa no absorbētās enerģijas tiek pārvērsta citos veidos (gaismas un skaņas enerģijā).

Galveno elektrisko lielumu savstarpējā saistība

Līdzstrāvai pamatvienības ir parādītas attēlā. 7.

Rīsi. 7. Galveno elektrisko lielumu savstarpējā saistība

Četras pamatvienības — strāva, spriegums, pretestība un jauda — ir savstarpēji savienotas ar droši nodibinātām attiecībām, kas ļauj veikt ne tikai tiešus, bet arī netiešus mērījumus vai arī aprēķināt mums nepieciešamās vērtības no citiem izmērītajiem. Tātad, lai izmērītu spriegumu ķēdes daļā, ir jābūt voltmetram, bet pat tad, ja tā nav, zinot strāvu ķēdē un strāvas pretestību šajā sadaļā, jūs varat aprēķināt sprieguma vērtību.