Osnovne električne veličine: naboj, napon, struja, snaga, otpor

Osnovne električne veličine: struja, napon, otpor i snaga.

Punjenje

Najvažnija fizikalna pojava u električnim krugovima je gibanje električno punjenje… U prirodi postoje dvije vrste naboja — pozitivni i negativni. Naboji se privlače, naboji odbijaju. To dovodi do činjenice da postoji tendencija grupiranja pozitivnih naboja s negativnima u jednakim količinama.

Atom se sastoji od pozitivno nabijene jezgre okružene oblakom negativno nabijenih elektrona. Ukupni negativni naboj u apsolutnoj vrijednosti jednak je pozitivnom naboju jezgre. Dakle, atom ima nula ukupni naboj, također se kaže da je električki neutralan.

U materijalima koji mogu držati struja, neki elektroni su odvojeni od atoma i imaju sposobnost kretanja u vodljivom materijalu. Ti se elektroni nazivaju pokretni naboji ili nositelji naboja.

Budući da je svaki atom u početnom stanju neutralan, nakon odvajanja negativno nabijenog elektrona postaje pozitivno nabijen ion.Pozitivni ioni ne mogu se slobodno kretati i formirati sustav stacionarnih, fiksnih naboja (vidi — Koje tvari provode struju).

U poluvodičimačineći važnu klasu materijala, mobilni elektroni se mogu kretati na dva načina: ili se elektroni jednostavno ponašaju kao negativno nabijeni nositelji. Ili se složena zbirka mnogih elektrona kreće na takav način kao da u materijalu postoje pokretni nositelji s pozitivnim nabojem. Fiksni troškovi mogu biti bilo kojeg karaktera.

Vodljivi materijali mogu se smatrati materijalima koji sadrže mobilne nositelje naboja (koji mogu imati jedan od dva predznaka) i fiksne naboje suprotnog polariteta.

Postoje i materijali zvani izolatori koji ne provode struju. Svi naboji u izolatoru su fiksni. Primjeri izolatora su zrak, tinjac, staklo, tanki slojevi oksida koji se stvaraju na površinama mnogih metala i, naravno, vakuum (u kojem uopće nema naboja).

Naboj se mjeri u kulonima (C) i obično se označava s Q.

Količina naboja ili količina negativnog elektriciteta po elektronu utvrđena je brojnim eksperimentima i utvrđeno je da iznosi 1,601 × 10-19 CL ili 4,803 x 10-10 elektrostatskih naboja.

Neka ideja o broju elektrona koji teče kroz žicu čak i pri relativno niskim strujama može se dobiti na sljedeći način. Budući da je naboj elektrona 1,601 • 10-19 CL, tada je broj elektrona koji stvaraju naboj jednak kulonu recipročna vrijednost zadanog, odnosno približno je jednak 6 • 1018.

Struja od 1 A odgovara protoku od 1 C u sekundi, a pri struji od samo 1 μmka (10-12 A) kroz presjek žice približno 6 milijuna elektrona u sekundi.Struje takve veličine su u isto vrijeme tako male da je njihovo otkrivanje i mjerenje povezano sa značajnim eksperimentalnim poteškoćama.

Naboj na pozitivnom ionu je cijeli višekratnik naboja na elektronu, ali ima suprotan predznak. Za čestice koje su pojedinačno ionizirane, naboj je jednak naboju elektrona.

Gustoća jezgre mnogo je veća od gustoće elektrona.Većina volumena koju zauzima atom kao cjelina je prazna.

Pojam električnih pojava

Trljanjem dvaju različitih tijela, kao i indukcijom, tijelima se mogu dati posebna svojstva — električna. Takva se tijela nazivaju naelektrizirana.

Pojave povezane s međudjelovanjem naelektriziranih tijela nazivaju se električni fenomeni.

Međudjelovanje između naelektriziranih tijela određeno je tzv Električne sile koje se od sila druge prirode razlikuju po tome što uzrokuju međusobno odbijanje i privlačenje nabijenih tijela, bez obzira na brzinu njihova gibanja.

Na taj se način međudjelovanje između nabijenih tijela razlikuje, primjerice, od gravitacijskog, koje karakterizira samo privlačenje tijela, ili od sila magnetskog podrijetla, koje ovise o relativnoj brzini gibanja naboja, uzrokujući magnetsku pojave.

Elektrotehnika uglavnom proučava zakone vanjske manifestacije svojstava naelektrizirana tijela — zakoni elektromagnetskih polja.

napon

Zbog jake privlačnosti između suprotnih naboja, većina materijala je električki neutralna. Za odvajanje pozitivnih i negativnih naboja potrebna je energija.

Na sl. Slika 1 prikazuje dvije vodljive, u početku nenabijene ploče međusobno udaljene na udaljenosti d.Pretpostavlja se da je prostor između ploča ispunjen izolatorom, npr. zrakom, ili su u vakuumu.

Riža. 1. Dvije vodljive, u početku nenabijene ploče: a — ploče su električki neutralne; b — naboj -Q se prenosi na donju ploču (između ploča postoji razlika potencijala i električno polje).

Na sl. 1, obje su ploče neutralne, a ukupni nulti naboj na gornjoj ploči može se prikazati zbrojem naboja +Q i -Q. Na sl. 1b, naboj -Q se prenosi s gornje ploče na donju ploču. Ako je na sl. 1b, spojimo ploče žicom, tada će sile privlačenja suprotnih naboja uzrokovati brzi prijenos naboja i vratit ćemo se na situaciju prikazanu na sl. 1, a. Pozitivni naboji bi se pomaknuli na negativno nabijenu ploču, a negativni naboji na pozitivno nabijenu ploču.

Kažemo da između nabijenih ploča prikazanih na sl. 1b, postoji razlika potencijala i da je na pozitivno nabijenoj gornjoj ploči potencijal veći nego na negativno nabijenoj donjoj ploči. Općenito, postoji potencijalna razlika između dvije točke ako vodljivost između tih točaka rezultira prijenosom naboja.

Pozitivni naboji kreću se od točke visokog potencijala do točke niskog potencijala, smjer kretanja negativnih naboja je suprotan — od točke niskog potencijala do točke visokog potencijala.

Jedinica za mjerenje razlike potencijala je volt (V). Razlika potencijala naziva se napon i obično se označava slovom U.

Za kvantificiranje napetosti između dvije točke koristi se koncept električno polje… U slučaju prikazanom na sl.1b, između ploča postoji jednoliko električno polje usmjereno iz područja višeg potencijala (od pozitivne ploče) prema području nižeg potencijala (prema negativnoj ploči).

Snaga ovog polja, izražena u voltima po metru, proporcionalna je naboju na pločama i može se izračunati iz zakona fizike ako je poznata raspodjela naboja. Odnos između veličine električnog polja i napona U između ploča ima oblik U = E NS e (volt = volt / metar x metar).

Dakle, prijelaz s nižeg potencijala na viši odgovara kretanju suprotnom od smjera polja. U složenijoj strukturi električno polje možda nije svugdje jednoliko, a da bi se odredila razlika potencijala između dviju točaka, potrebno je više puta koristiti jednadžbu U = E NS e.

Razmak između točaka koje nas zanimaju podijeljen je na mnoge dijelove, od kojih je svaki dovoljno malen da polje u njemu bude jednolično. Jednadžba se zatim primjenjuje sukcesivno na svaki segment U = E NS e i potencijalne razlike za svaki odjeljak se zbrajaju. Dakle, za bilo koju raspodjelu naboja i električnih polja, možete pronaći razliku potencijala između bilo koje dvije točke.

Pri određivanju razlike potencijala potrebno je naznačiti ne samo veličinu napona između dvije točke, već i koja točka ima najveći potencijal. Međutim, u električnim krugovima koji sadrže nekoliko različitih elemenata, nije uvijek moguće unaprijed odrediti koja točka ima najveći potencijal. Da ne bi došlo do zabune, potrebno je prihvatiti uvjet za znakove (slika 2).

Riža. 2… Određivanje polariteta napona (napon može biti pozitivan ili negativan).

Element bipolarnog kruga predstavljen je kutijom opremljenom s dva terminala (slika 2, a). Pretpostavlja se da su vodovi koji vode od kutije do stezaljki idealni vodiči električne struje. Jedan terminal je označen znakom plus, a drugi znakom minus. Ovi znakovi određuju relativni polaritet. Napon U na si. 2, a određuje se uvjetom U = (potencijal stezaljke «+») — (potencijal stezaljke «-«).

Na sl. 2b, nabijene ploče spojene su na stezaljke tako da je «+» stezaljka spojena na ploču s većim potencijalom. Ovdje je napon U pozitivan broj. Na sl. 2, terminal «+» spojen je na ploču s nižim potencijalom. Kao rezultat toga, dobivamo negativan napon.

Važno je zapamtiti algebarski oblik predstavljanja naprezanja. Nakon što se odredi polaritet, pozitivan napon znači da «+» stezaljka ima (veći potencijal), a negativan napon znači da «-» stezaljka ima veći potencijal.

Trenutno

Gore je navedeno da se pozitivni nositelji naboja kreću iz područja visokog potencijala u područje niskog potencijala, dok se nositelji negativnog naboja kreću iz područja niskog potencijala u područje visokog potencijala. Svaki prijenos naknada znači istek struja.

Na sl. Slika 3 prikazuje neke jednostavne slučajeve toka električne struje, površina je odabrana C i prikazan je zamišljeni pozitivni smjer. Ako tijekom vremena dt kroz dionicu S ukupni naboj Q prođe u odabranom smjeru, tada će struja I kroz S biti jednaka I = dV/dT. Jedinica mjerenja struje je amper (A) (1A = 1C/s).

Riža. 3… Odnos između smjera struje i smjera toka mobilnih naboja.Struja je pozitivna (a i b) ako se rezultirajući tok pozitivnih naboja kroz neku površinu C podudara s odabranim smjerom. Struja je negativna (b i d) ako je rezultirajući tok pozitivnih naboja po površini suprotan odabranom smjeru.

Često se pojavljuju poteškoće u određivanju predznaka struje Iz. Ako su mobilni nositelji naboja pozitivni, tada pozitivna struja opisuje stvarno kretanje pokretnih nositelja u odabranom smjeru, dok negativna struja opisuje tijek mobilnih nositelja naboja suprotno od odabranog smjera.

Ako su mobilni operateri negativni, morate biti oprezni pri određivanju smjera struje. Razmotrite sl. 3d u kojem negativni mobilni nositelji naboja sijeku S u odabranom smjeru. Pretpostavimo da svaki nosač ima naboj -q i brzina protoka kroz S je n nosilaca u sekundi. Tijekom dt ukupni prolaz naboja C u odabranom smjeru bit će dV = -n NS q NS dt, što odgovara struji I = dV/ dT.

Stoga je struja na slici 3d negativna. Štoviše, ova struja se podudara sa strujom stvorenom kretanjem pozitivnih nositelja s nabojem + q kroz površinu S brzinom od n nositelja u sekundi u smjeru suprotnom od odabranog (slika 3, b). Dakle, dvoznamenkasti naboji odražavaju se u dvoznamenkastoj struji. Za većinu slučajeva u elektroničkim krugovima, predznak struje je značajan i nije važno koji nositelji naboja (pozitivni ili negativni) nose tu struju. Stoga, često kada govore o električnoj struji, pretpostavljaju da su nositelji naboja pozitivni (vidi - Smjer električne struje).

U poluvodičkim uređajima, međutim, razlika između pozitivnih i negativnih nositelja naboja ključna je za rad uređaja.Detaljnim pregledom rada ovih uređaja trebali bi se jasno razlikovati znakovi mobilnih nositelja naboja. Koncept struje koja teče kroz određeno područje može se lako generalizirati na struju kroz element kruga.

Na sl. Slika 4 prikazuje bipolarni element. Smjer pozitivne struje prikazan je strelicom.

Riža. 4. Struja kroz element kruga. Naboji ulaze u ćeliju kroz terminal A brzinom i (kuloni u sekundi) i izlaze iz ćelije kroz terminal A' istom brzinom.

Ako pozitivna struja teče kroz element strujnog kruga, pozitivni naboj ulazi u priključak A brzinom od i kulona u sekundi. Ali, kao što je već navedeno, materijali (i elementi kruga) obično ostaju električki neutralni. (Čak i "nabijena" ćelija na slici 1 ima nula ukupni naboj.) Prema tome, ako naboj teče u ćeliju kroz terminal A, jednaka količina naboja mora istovremeno istjecati iz ćelije kroz terminal A'. Taj kontinuitet toka električne struje kroz element kruga proizlazi iz neutralnosti elementa kao cjeline.

Vlast

Svaki bipolarni element u strujnom krugu može imati napon između svojih priključaka i struja može teći kroz njega. Predznaci struje i napona mogu se odrediti neovisno, ali postoji važan fizikalni odnos između polariteta napona i struje, za čije se pojašnjenje obično uzimaju neki dodatni uvjeti.

Na sl. Slika 4 prikazuje kako se određuju relativni polariteti napona i struje. Kada je odabran smjer struje, ona teče u terminal «+». Kada je ovaj dodatni uvjet ispunjen, može se odrediti važna električna veličina - električna snaga. Razmotrimo element kruga na sl. 4.

Ako su napon i struja pozitivni, tada postoji kontinuirani tok pozitivnih naboja od točke visokog potencijala do točke niskog potencijala. Da bi se održao ovaj protok, potrebno je odvojiti pozitivne naboje od negativnih i uvesti ih u «+» terminal. Ovo kontinuirano odvajanje zahtijeva kontinuirani utrošak energije.

Kako naboji prolaze kroz element, oslobađaju tu energiju. A budući da se energija mora pohraniti, ona se ili oslobađa u elementu kruga kao toplina (na primjer, u tosteru) ili se pohranjuje u njemu (na primjer, kada se puni akumulator automobila). Brzina kojom se događa ta pretvorba energije naziva se vlast a određuje se izrazom P = U NS Az (vati = volti x amperi).

Jedinica za mjerenje snage je vat (W), što odgovara pretvorbi 1 J energije u 1 s. Snaga jednaka umnošku napona i struje s polaritetima definiranim na sl. 4 je algebarska veličina.

Ako je P > 0, kao u gornjem slučaju, snaga se rasipa ili apsorbira u elementu. Ako je P < 0, tada u ovom slučaju element napaja krug u koji je spojen.

Otporni elementi

Za svaki element kruga možete napisati određeni odnos između napona na terminalu i struje kroz element. Otporni element je element za koji se može iscrtati odnos između napona i struje. Taj se graf naziva strujno-naponska karakteristika. Primjer takve značajke prikazan je na sl. 5.

Riža. 5. Strujno-naponska karakteristika otpornog elementa

Ako je poznat napon na stezaljkama elementa D, tada se na grafu može odrediti struja kroz element D.Isto tako, ako je struja poznata, može se odrediti napon.

Savršen otpor

Idealni otpor (ili otpornik) je linearni otpornički element… Prema definiciji linearnosti, odnos između napona i struje u linearnom otpornom elementu je takav da kada se struja udvostruči, napon se također udvostruči. Općenito, napon bi trebao biti proporcionalan struji.

Proporcionalni odnos između napona i struje naziva se Ohmov zakon za dio kruga i piše se na dva načina: U = I NS R, gdje je R otpor elementa, i I = G NS U, gdje je G = I / R vodljivost elementa. Jedinica za otpor je om (ohm), a jedinica za vodljivost je siemens (cm).

Strujno-naponska karakteristika idealnog otpora prikazana je na sl. 6. Graf je ravna linija kroz ishodište s nagibom jednakim Az/R.

Riža. 6. Oznaka (a) i strujno-naponska karakteristika (b) idealnog otpornika.

Snaga sa savršenim otporom

Izražavanje snage koju apsorbira idealni otpor:

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

Baš kao što apsorbirana snaga, u idealnom otporu, ovisi o kvadratu struje (ili napona), predznak apsorbirane snage v u idealnom otporu ovisi o predznaku R. Iako se ponekad koriste negativne vrijednosti otpora kada se simuliraju određene vrste uređaja koji rade u određenim režimima, svi stvarni otpori su obično pozitivni. Za ove otpore, apsorbirana snaga je uvijek pozitivna.

Električna energija koju otpornik apsorbira, acc zakon održanja energije, Mora se transformirati u druge vrste.Najčešće se električna energija pretvara u toplinsku energiju, koja se naziva Jouleova toplina. Stopa izlučivanja džul topline u smislu otpora, odgovara brzini apsorpcije električne energije. Izuzetak su oni otporni elementi (npr. žarulja ili zvučnik), kod kojih se dio apsorbirane energije pretvara u druge oblike (svjetlosnu i zvučnu energiju).

Međusobni odnos glavnih električnih veličina

Za istosmjernu struju osnovne jedinice prikazane su na si. 7.

Riža. 7. Međusobni odnos glavnih električnih veličina

Četiri osnovne jedinice — struja, napon, otpor i snaga — međusobno su povezane pouzdano utvrđenim odnosima, što nam omogućuje ne samo izravna, već i neizravna mjerenja ili izračunavanje potrebnih vrijednosti iz drugih mjerenih. Dakle, za mjerenje napona u dijelu kruga, morate imati voltmetar, ali čak iu njegovoj odsutnosti, znajući struju u krugu i trenutni otpor u ovom odjeljku, možete izračunati vrijednost napona.