Основни електрически величини: заряд, напрежение, ток, мощност, съпротивление

Основни електрически величини: ток, напрежение, съпротивление и мощност.

Зареждане

Най -важното физическо явление в електрическите вериги е движението електрически заряд… В природата има два вида такси — положителни и отрицателни. Подобно на обвиненията се привличат, подобни заряди се отблъскват. Това води до факта, че има тенденция за групиране на положителни заряди с отрицателни в равни количества.

Атомът се състои от положително заредено ядро, заобиколено от облак от отрицателно заредени електрони. Общият отрицателен заряд в абсолютна стойност е равен на положителния заряд на ядрото. Следователно, атомът има нулев общ заряд, също се казва, че е електрически неутрален.

В материали, които могат да задържат електричество, някои електрони са отделени от атомите и имат способността да се движат в проводящ материал. Тези електрони се наричат ​​мобилни заряди или носители на заряд.

Тъй като всеки атом в първоначалното състояние е неутрален, то след отделянето на отрицателно заредения електрон той се превръща в положително зареден йон. Положителните йони не могат да се движат свободно и да образуват система от неподвижни, фиксирани заряди (виж — Какви вещества провеждат електрически ток).

В полупроводницитесъставлявайки важен клас материали, подвижните електрони могат да се движат по два начина: или електроните се държат просто като отрицателно заредени носители. Или сложна колекция от много електрони се движи по такъв начин, сякаш в материала има положително заредени мобилни носители. Фиксираните такси могат да бъдат и от двата знака.

Проводимите материали могат да се разглеждат като материали, съдържащи мобилни носители на заряд (които могат да имат един от двата знака) и фиксирани заряди с противоположна полярност.

Има и материали, наречени изолатори, които не провеждат електричество. Всички такси в изолатора са фиксирани. Примери за изолатори са въздух, слюда, стъкло, тънки слоеве оксиди, които се образуват върху повърхностите на много метали, и, разбира се, вакуум (в който изобщо няма заряди).

Зарядът се измерва в кулони (C) и обикновено се обозначава с Q.

Количеството заряд или количеството отрицателно електричество на електрон е установено чрез многобройни експерименти и се оказа 1.601 × 10-19 CL или 4,803 x 10-10 електростатични зарядни устройства.

Някаква представа за броя на електроните, протичащи през проводник дори при относително ниски токове, може да бъде получена, както следва. Тъй като зарядът на електрона е 1.601 • 10-19 CL, тогава броят на електроните, създаващи заряд, равен на кулона, е реципрочен на дадения, тоест той е приблизително равен на 6 •1018.

Ток от 1 A ​​съответства на поток от 1 C в секунда, а при ток от само 1 μmka (10-12 А) през напречното сечение на проводника, приблизително 6 милиона електрона в секунда. Токове с такава величина са в същото време толкова малки, че тяхното откриване и измерване са свързани със значителни експериментални трудности.

Зарядът на положителен йон е цяло число, кратно на заряда на електрон, но има обратен знак. За частици, които са единично йонизирани, зарядът се оказва равен на заряда на електрона.

Плътността на ядрото е много по -висока от плътността на електрона.По -голямата част от обема, зает от атома като цяло, е празен.

Понятието за електрически явления

Чрез триене на две различни тела, както и чрез насочване (индукция), телата могат да бъдат придадени със специални свойства — електрически. Такива тела се наричат ​​електрифицирани.

Явленията, свързани с взаимодействието на електрифицирани тела, се наричат електрически явления.

Взаимодействието между електрифицираните тела се определя от т. Нар. Електрически сили, които се различават от сили от друго естество по това, че предизвикват взаимно отблъскване и привличане на заредени тела, независимо от скоростта на тяхното движение.

По този начин взаимодействието между заредени тела се различава например от гравитационното, което се характеризира само с привличане на тела, или от силите с магнитен произход, които зависят от относителната скорост на движение на зарядите, предизвикващи магнитни явления.

Електротехниката основно изучава законите на външното проявление на свойствата електрифицирани тела — закони на електромагнитните полета.

Волтаж

Поради силното привличане между противоположни заряди, повечето материали са електрически неутрални. За разделяне на положителните и отрицателните заряди е необходима енергия.

На фиг. 1 показва две проводящи, първоначално незаредени плочи, разположени една от друга на разстояние d. Предполага се, че пространството между плочите е запълнено с изолатор, например въздух, или те са във вакуум.

Ориз. 1. Две проводящи, първоначално незаредени плочи: а — плочите са електрически неутрални; b — заряд -Q се прехвърля към долната плоча (има разлика в потенциала и електрическо поле между плочите).

На фиг. 1, и двете плочи са неутрални, а общият нулев заряд на горната плоча може да бъде представен от сумата от заряди + Q и -Q. На фиг. 1b, зарядът -Q се прехвърля от горната плоча към долната. Ако на фиг. 1b, ние свързваме плочите с проводник, след това силите на привличане на противоположните заряди ще доведат до бързо прехвърляне на заряда обратно и ще се върнем към ситуацията, показана на фиг. 1, а. Положителните заряди биха се преместили към отрицателно заредена плоча, а отрицателните към положително заредена.

Казваме, че между заредените плочи, показани на фиг. 1б, има потенциална разлика и че върху положително заредената горна плоча потенциалът е по -висок, отколкото при отрицателно заредената долна плоча. В общия случай има потенциална разлика между две точки, ако проводимостта между тези точки води до прехвърляне на заряд.

Положителните заряди се движат от точка с висок потенциал към точка с нисък потенциал, посоката на движение на отрицателните заряди е противоположна — от точка с нисък потенциал до точка с висок потенциал.

Единицата за измерване на потенциалната разлика е волт (V). Потенциалната разлика се нарича напрежение и обикновено се обозначава с буквата U.

За количествено определяне на напрежението между две точки се използва концепцията електрическо поле… В случая, показан на фиг. 1б, има равномерно електрическо поле между плочите, насочено от областта с по -висок потенциал (от положителната плоча) към областта с по -нисък потенциал (към отрицателната плоча).

Силата на това поле, изразена във волта на метър, е пропорционална на заряда върху плочите и може да се изчисли от законите на физиката, ако разпределението на зарядите е известно. Връзката между величината на електрическото поле и напрежението U между плочите има формата U = E NS д (волт = волт / метър x метър).

Така че, преминаването от по -нисък потенциал към по -висок съответства на движението срещу посоката на полето.При по -сложна структура електрическото поле може да не е равномерно навсякъде и за да се определи потенциалната разлика между две точки, е необходимо многократно да се използва уравнението U = E NS д.

Интервалът между интересните за нас точки е разделен на много секции, всяка от които е достатъчно малка, за да може полето да бъде равномерно в нея. След това уравнението се прилага последователно към всеки сегмент U = E NS д и потенциалните разлики за всеки раздел се сумират. По този начин за всяко разпределение на заряди и електрически полета можете да намерите потенциалната разлика между всякакви две точки.

При определяне на потенциалната разлика е необходимо да се посочи не само големината на напрежението между две точки, но и коя точка има най -голям потенциал. Въпреки това, в електрическите вериги, съдържащи няколко различни елемента, не винаги е възможно предварително да се определи коя точка има най -голям потенциал. За да се избегне объркване, е необходимо да се приеме условието за знаците (фиг. 2).

Ориз. 2… Определяне на полярността на напрежението (напрежението може да бъде положително или отрицателно).

Двуполюсен елемент на веригата е представен от кутия, оборудвана с два извода (фиг. 2, а). Предполага се, че линиите, водещи от кутията към клемите, са идеални проводници на електрически ток. Единият терминал е обозначен със знак плюс, другият със знак минус. Тези знаци фиксират относителната полярност. Волтаж U на фиг. 2, а се определя от условието U = (потенциал на терминала «+») — (потенциал на терминала «-«).

На фиг. 2b, заредените плочи са свързани към клемите, така че клемата «+» е свързана към плочата с по -голям потенциал. Тук напрежението U е положително число. На фиг. 2, клемата «+» е свързана към плочата с по -нисък потенциал. В резултат на това получаваме отрицателно напрежение.

Важно е да запомните за алгебричната форма на представяне на напрежението. След като се определи полярността, положителното напрежение означава, че терминалът «+» има a (по-голям потенциал, а отрицателното напрежение означава, че терминалът «-» има по-висок потенциал.

Текущ

По -горе беше отбелязано, че носителите на положителен заряд се преместват от областта с висок потенциал в областта с нисък потенциал, докато отрицателните носители на заряд се преместват от района с нисък потенциал в района с висок потенциал. Всяко прехвърляне на такси означава изтичане електрически ток.

На фиг. 3 показва някои прости случаи на протичане на електрически ток, повърхността е избрана С и е показана условна положителна посока. Ако с течение на времето дt през участъка S, общият заряд Q ще премине в избраната посока, тогава токът I през S ще бъде равен на I = dВ/дT. Единицата за измерване на тока е ампер (A) (1A = 1C / s).

Ориз. 3… Връзката между посоката на тока и посоката на потока на мобилните заряди. Токът е положителен (a и b), ако полученият поток от положителни заряди през някаква повърхност С съвпада с избраната посока. Токът е отрицателен (b и d), ако полученият поток от положителни заряди през повърхността е противоположен на избраната посока.

При определяне на знака на тока Аз често възникват трудности. Ако мобилните носители на заряд са положителни, тогава положителният ток описва реалното движение на мобилните носители в избраната посока, докато отрицателният ток описва потока от мобилни носители на заряд, противоположен на избраната посока.

Ако мобилните оператори са отрицателни, трябва да бъдете внимателни, когато определяте посоката на тока. Помислете за фиг. 3d, в която отрицателните мобилни носители на заряд пресичат S в избраната посока. Да предположим, че всеки носител има заряд -q и дебитът през S е н превозвачи в секунда. По време на дt е общото преминаване на таксите С в избраната посока ще бъде дВ = -n NS q NS dt, което съответства на тока I = dВ/ дT.

Следователно токът на фиг.3d е отрицателен. Освен това този ток съвпада с тока, създаден от движението на положителни носители с заряд + q през повърхността S със скорост н носители в секунда в посока, обратна на избраната (фиг. 3, б). По този начин двузначните такси се отразяват в двузначния текущ. За повечето случаи в електронни схеми знакът на тока е значителен и няма значение кои носители на заряд (положителни или отрицателни) носят този ток. Затова често, когато говорят за електрически ток, те предполагат, че носителите на заряд са положителни (виж — Посока на електрически ток).

В полупроводниковите устройства обаче разликата между положителни и отрицателни носители на заряд е от решаващо значение за работата на устройството. При подробен преглед на работата на тези устройства трябва ясно да се разграничат признаците на мобилни носители на заряд. Концепцията за ток, протичащ през определена област, може лесно да се обобщи до ток през елемент на веригата.

На фиг. 4 е показан биполярен елемент. Посоката на положителния ток е показана със стрелка.

 Ориз. 4. Ток през елемент на веригата. Таксите влизат в клетката през терминал А със скорост i (кулони в секунда) и напускат клетката през терминал А ‘със същата скорост.

Ако положителен ток преминава през елемент на веригата, положителен заряд влиза през клема А със скорост i кулони в секунда. Но, както вече беше отбелязано, материалите (и елементите на веригата) обикновено остават електрически неутрални. (Дори «заредена» клетка на фиг. 1 има нулев общ заряд.) Следователно, ако зарядът се влива в клетката през терминал А, еднакво количество заряд трябва едновременно да изтича от клетката през терминал А ‘. Тази непрекъснатост на потока на електрически ток през елемента на веригата следва от неутралността на елемента като цяло.

Мощност

Всеки двуполюсен елемент във верига може да има напрежение между своите клеми и през него може да тече ток. Знаците на тока и напрежението могат да се определят независимо, но има важна физическа връзка между полярностите на напрежението и тока, за изясняването на които обикновено се вземат някои допълнителни условия.

На фиг. 4 показва как се определят относителните полярности на напрежението и тока. Когато текущата посока е избрана, тя се влива в терминала «+». Когато това допълнително условие е изпълнено, може да се определи важно електрическо количество — електрическа мощност. Помислете за елемента на веригата на фиг. 4.

Ако напрежението и токът са положителни, тогава има непрекъснат поток от положителни заряди от точка с висок потенциал до точка с нисък потенциал. За да се поддържа този поток, е необходимо да се отделят положителните заряди от отрицателните и да се въведат в терминала «+». Това непрекъснато разделяне изисква непрекъснат разход на енергия.

Когато зарядите преминават през елемента, те освобождават тази енергия. И тъй като енергията трябва да се съхранява, тя или се освобождава в елемента на веригата под формата на топлина (например в тостер), или се натрупва в нея (например при зареждане на акумулатор на кола). Скоростта, с която се случва това преобразуване на енергията, се нарича мощност и се определя от израза P = U NS Аз (ват = волт х ампер).

Единицата за измерване на мощност е ват (W), което съответства на преобразуването на енергия 1 J в 1 s. Мощност, равна на произведението на напрежение и ток с полярностите, определени на фиг. 4 е алгебрична величина.

Ако P> 0, както в горния случай, мощността се разсейва или абсорбира в елемента. Ако P <0, тогава в този случай елементът захранва веригата, в която е свързан.

Резистивни елементи

За всеки елемент от веригата можете да напишете специфично съотношение между напрежението на клемите и тока през елемента. Резистивен елемент е елемент, за който може да се начертае връзката между напрежение и ток.Тази графика се нарича характеристика токово напрежение. Пример за такава характеристика е показан на фиг. 5.

Ориз. 5. Характеристика на токово напрежение на резистивен елемент

Ако напрежението на клемите на елемент D е известно, тогава графиката може да определи тока през елемент D. По същия начин, ако токът е известен, напрежението може да бъде определено.

Перфектна устойчивост

Идеалното съпротивление (или резистор) е линеен резистивен елемент… По дефиниция на линейността, връзката между напрежението и тока в линеен резистивен елемент е такава, че когато токът се удвои, напрежението също се удвоява. Като цяло напрежението трябва да бъде пропорционално на тока.

Извиква се пропорционалната връзка между напрежение и ток Законът на Ом за участък от верига и се записва по два начина: U = I NS R, където R е съпротивлението на елемента, а I = G NS U, където G = I / R е проводимостта на елемента. Съпротивление единица е ом (ом), а единицата за проводимост е сименс (см).

Характеристиката ток-напрежение на идеалното съпротивление е показана на фиг. 6. Графиката е права линия през началото с наклон, равен на Аз/R.

Ориз. 6. Обозначение (а) и характеристика на токово напрежение (б) на идеален резистор.

Мощност при перфектно съпротивление

Изразяване на мощността, погълната от идеалното съпротивление:

P = U NS Аз = аз2NS R, P = U2/ R

Така как абсорбираната мощност, в идеално съпротивление, зависи от квадрата на тока (или напрежението), знака на погълнатата мощност v идеалното съпротивление зависи от знака на R. Въпреки че понякога се използват отрицателни стойности на съпротивлението при симулиране на някои видове устройства, работещи в определени режими, всички реални съпротивления обикновено са положителни. За тези съпротивления абсорбираната мощност винаги е положителна.

Електрическата енергия, погълната от съпротивлението, съгласно закон за съхранение на енергия, Трябва NSтрансформират в други видове. Най -често електрическата енергия се превръща в топлинна енергия, наречена Джоулова топлина. Степен на екскреция джоулова топлина по съпротивление съвпада със скоростта на поглъщане на електрическа енергия. ИИзключение правят тези съпротивителни елементи (например крушка или високоговорител), при които част от погълнатата енергия се превръща в други форми (светлинна и звукова енергия).

Взаимовръзка на основните електрически величини

За постоянен ток основните единици са показани на фиг. 7.

Ориз. 7.Взаимовръзка на основните електрически величини

Четири основни единици — ток, напрежение, съпротивление и мощност — са свързани помежду си чрез надеждно установени зависимости, което ни позволява да извършваме не само директни, но и косвени измервания или да изчисляваме нужните ни стойности от други — измерени такива. Така че, за да се измери напрежението в част от веригата, човек трябва да има волтметър, но дори и в отсъствието му, знаейки тока във веригата и съпротивлението на тока в този раздел, можете да изчислите стойността на напрежението.