Alapvető elektromos mennyiségek: töltés, feszültség, áram, teljesítmény, ellenállás

Alapvető elektromos mennyiségek: áram, feszültség, ellenállás és teljesítmény.

Töltés

Az elektromos áramkörök legfontosabb fizikai jelensége a mozgás elektromos töltés… A természetben kétféle töltés létezik: pozitív és negatív. Mint a töltések vonzzák, a töltések taszítanak. Ez arra a tényre vezet, hogy a pozitív töltéseket a negatív töltésekkel egyenlő mennyiségben csoportosítják.

Az atom egy pozitív töltésű atommagból áll, amelyet negatív töltésű elektronok felhője vesz körül. A teljes negatív töltés abszolút értékben megegyezik az atommag pozitív töltésével. Ezért az atomnak nulla a teljes töltése, elektromosan semlegesnek is mondják.

Tartós anyagokban elektromosság, egyes elektronok elkülönülnek az atomoktól, és képesek egy vezető anyagban mozogni. Ezeket az elektronokat mobil töltéseknek vagy töltéshordozóknak nevezzük.

Mivel a kiindulási állapotban minden atom semleges, a negatív töltésű elektron szétválása után pozitív töltésű ionná válik.A pozitív ionok nem tudnak szabadon mozogni, és álló, rögzített töltések rendszerét alkotják (lásd - Milyen anyagok vezetik az elektromosságot).

A félvezetőkbenAz anyagok fontos osztályát alkotó mobil elektronok kétféleképpen mozoghatnak: vagy az elektronok egyszerűen negatív töltésű hordozóként viselkednek. Vagy egy összetett elektronhalmaz úgy mozog, mintha pozitív töltésű mobil hordozók lennének az anyagban. A fix díjak bármelyik karakterűek lehetnek.

A vezető anyagokat mozgó töltéshordozókat (amelyeknek két előjelű lehet) és ellentétes polaritású rögzített töltéseket tartalmazó anyagoknak tekinthetjük.

Vannak olyan szigetelőknek nevezett anyagok is, amelyek nem vezetik az elektromosságot. A szigetelőben lévő összes töltés rögzített. Szigetelőanyag például a levegő, csillám, üveg, vékony oxidrétegek, amelyek sok fém felületén képződnek, és természetesen a vákuum (amiben egyáltalán nincsenek töltések).

A töltést coulombban (C) mérik, és általában Q-val jelölik.

A töltés mennyiségét vagy az elektrononkénti negatív elektromosság mennyiségét számos kísérlettel állapították meg, és 1,601 × 10-19 CL vagy 4,803 × 10-10 elektrosztatikus töltésnek találták.

A vezetéken átáramló elektronok számáról még viszonylag alacsony áramerősség mellett is kaphatunk némi elképzelést a következőképpen. Mivel az elektron töltése 1,601 • 10-19 CL, így a coulomb-nak megfelelő töltést létrehozó elektronok száma az adott reciproka, azaz megközelítőleg egyenlő 6 • 1018-al.

Egy 1 A-es áram másodpercenként 1 C-os áramlásnak felel meg, és mindössze 1 μmka (10-12 A) áramerősségnél a vezeték keresztmetszetén megközelítőleg 6 millió elektron másodpercenként.Az ilyen nagyságú áramok ugyanakkor olyan kicsik, hogy észlelésük és mérésük jelentős kísérleti nehézségekkel jár.

A pozitív ion töltése az elektron töltésének egész számú többszöröse, de ennek ellenkező előjelű. Az egyszeresen ionizált részecskék töltése megegyezik az elektron töltésével.

Az atommag sűrűsége jóval nagyobb, mint az elektron sűrűsége.Az atom egésze által elfoglalt térfogat nagy része üres.

Az elektromos jelenségek fogalma

Két különböző test egymáshoz dörzsölésével, valamint indukcióval a testek különleges – elektromos – tulajdonságokat kaphatnak. Az ilyen testeket villamosítottnak nevezik.

A villamosított testek kölcsönhatásával kapcsolatos jelenségeket ún elektromos jelenségek.

A villamosított testek közötti kölcsönhatást az ún Elektromos erők, amelyek abban különböznek a más természetű erőktől, hogy a töltött testek taszítják és vonzzák egymást, mozgásuk sebességétől függetlenül.

Ily módon a töltött testek közötti kölcsönhatás különbözik például a gravitációstól, amelyet csak a testek vonzása jellemez, vagy a mágneses eredetű erőktől, amelyek a töltések relatív mozgási sebességétől függenek, és mágneses hatást okoznak. jelenségek.

Az elektrotechnika elsősorban a tulajdonságok külső megnyilvánulásának törvényeit tanulmányozza villamosított testek — az elektromágneses terek törvényei.

Feszültség

Az ellentétes töltések közötti erős vonzás miatt a legtöbb anyag elektromosan semleges. A pozitív és negatív töltések elkülönítéséhez energiára van szükség.

ábrán. Az 1. ábra két vezetőképes, kezdetben töltetlen lemezt mutat, amelyek egymástól d távolságra vannak elhelyezve.Feltételezzük, hogy a lemezek közötti teret szigetelővel, például levegővel töltik ki, vagy vákuumban vannak.

Rizs. 1. Két vezetőképes, kezdetben töltetlen lemez: a – a lemezek elektromosan semlegesek; b — a -Q töltés átkerül a fenéklemezre (potenciálkülönbség és elektromos tér van a lemezek között).

ábrán. Az 1. ábrán mindkét lemez semleges, és a felső lemez teljes nulla töltése a +Q és -Q töltések összegével ábrázolható. ábrán. Az 1b. ábrán a -Q töltés a felső lemezről az alsó lemezre kerül. Ha az ábrán. Az 1b. ábrán a lemezeket huzallal összekötjük, majd az ellentétes töltések vonzási erői hatására a töltés gyorsan visszaszáll, és visszatérünk az ábrán látható helyzethez. 1, a. A pozitív töltések a negatív töltésű lemezre, a negatív töltések pedig a pozitív töltésű lemezre mozognak.

Azt mondjuk, hogy az ábrán látható töltött lemezek között. Az 1b. ábra szerint potenciálkülönbség van, és hogy a pozitív töltésű felső lemezen a potenciál nagyobb, mint a negatív töltésű alsó lemezen. Általában van potenciálkülönbség két pont között, ha a pontok közötti vezetés töltésátvitelt eredményez.

A pozitív töltések a nagy potenciálú pontról az alacsony potenciálú pontra mozognak, a negatív töltések mozgási iránya ellentétes - az alacsony potenciálú pontból a magas potenciálú pontba.

A potenciálkülönbség mérésének mértékegysége a volt (V). A potenciálkülönbséget feszültségnek nevezzük, és általában U betűvel jelöljük.

A két pont közötti feszültség számszerűsítésére a fogalmat használjuk elektromos mező… Az ábrán látható esetben.Az 1b. ábrán látható, hogy a lemezek között egyenletes elektromos tér van, amely a magasabb potenciálú tartományból (a pozitív lemezről) az alacsonyabb potenciálú tartományba (a negatív lemezre) irányul.

Ennek a mezőnek a volt/méterben kifejezett erőssége arányos a lemezek töltésével, és a fizika törvényei alapján számítható ki, ha ismerjük a töltések eloszlását. Az elektromos tér nagysága és a lemezek közötti U feszültség közötti kapcsolat U = E NS e (volt = volt / méter x méter) formájú.

Tehát az alacsonyabb potenciálról a magasabbra való átmenet megfelel a tér irányával ellentétes mozgásnak, bonyolultabb szerkezetben előfordulhat, hogy az elektromos tér nem mindenhol egyenletes, és a két pont közötti potenciálkülönbség meghatározásához, szükséges, hogy ismételten használja az U = E NS e egyenletet.

A számunkra érdekes pontok közötti intervallum sok részre oszlik, amelyek mindegyike elég kicsi ahhoz, hogy a mező egységes legyen benne. Az egyenletet ezután egymás után alkalmazzuk minden U = E NS e szegmensre, és az egyes szakaszok potenciálkülönbségeit összeadjuk. Így a töltések és az elektromos mezők bármilyen eloszlása ​​esetén megtalálhatja a két pont közötti potenciálkülönbséget.

A potenciálkülönbség meghatározásakor nem csak a két pont közötti feszültség nagyságát kell feltüntetni, hanem azt is, hogy melyik pont rendelkezik a legnagyobb potenciállal. A több különböző elemet tartalmazó elektromos áramkörökben azonban nem mindig lehet előre meghatározni, hogy melyik pont rendelkezik a legnagyobb potenciállal. A félreértések elkerülése érdekében el kell fogadni a jelekre vonatkozó feltételt (2. ábra).

Rizs. 2… Feszültség polaritás meghatározása (a feszültség lehet pozitív vagy negatív).

Egy bipoláris áramköri elemet egy két kivezetéssel ellátott doboz képvisel (2. ábra, a). A doboztól a kapcsokhoz vezető vezetékek ideális elektromos áramvezetők. Az egyik terminál plusz, a másik mínusz jellel van jelölve. Ezek a karakterek rögzítik a relatív polaritást. ábra U feszültsége. 2, és az U = (a «+» kapocs potenciálja) — (a «-« kapocs potenciálja) feltétele határozza meg.

ábrán. A 2b. ábrán a feltöltött lemezek úgy vannak csatlakoztatva a kapcsokhoz, hogy a «+» kivezetés nagyobb potenciállal csatlakozzon a lemezhez. Itt az U feszültség pozitív szám. ábrán. 2, a «+» kapocs az alsó potenciállemezhez csatlakozik. Ennek eredményeként negatív feszültséget kapunk.

Fontos megjegyezni a feszültségreprezentáció algebrai formáját. A polaritás meghatározása után a pozitív feszültség azt jelenti, hogy a «+» kapocs (nagyobb potenciál), a negatív pedig azt, hogy a «-» kapocs nagyobb potenciállal rendelkezik.

Jelenlegi

Fentebb megjegyeztük, hogy a pozitív töltéshordozók a nagy potenciálú régióból az alacsony potenciálú régióba, míg a negatív töltéshordozók az alacsony potenciálú régióból a magas potenciálú régióba kerülnek. A díjak bármilyen átutalása lejáratot jelent elektromosság.

ábrán. A 3. ábra az elektromos áram áramlásának néhány egyszerű esetét mutatja, a felületet C-vel választjuk, és a képzeletbeli pozitív irányt ábrázoljuk. Ha dt idővel az S szakaszon keresztül a Q teljes töltés a választott irányba halad, akkor az I és S közötti áram egyenlő lesz I = dV/dT. Az áram mértékegysége az amper (A) (1A = 1C / s).

Rizs. 3… Az áram iránya és a mobil töltések áramlási iránya közötti kapcsolat.Az áram akkor pozitív (a és b), ha a pozitív töltések eredő áramlása valamely C felületen egybeesik a választott iránnyal. Az áram akkor negatív (b és d), ha a pozitív töltések áramlása a felületen ellentétes a választott iránnyal.

Gyakran adódnak nehézségek az aktuális Iz előjelének meghatározásában. Ha a mobil töltéshordozók pozitívak, akkor a pozitív áram a mobil hordozók tényleges mozgását írja le a választott irányba, míg a negatív áram a mobil töltéshordozók áramlását a választott iránnyal ellentétes irányban.

Ha a mobilszolgáltatók negatívak, óvatosnak kell lennie az áram irányának meghatározásakor. Tekintsük az ábrát. 3d, amelyben a negatív mobil töltéshordozók keresztezik S-t a választott irányban. Tételezzük fel, hogy minden vivőnek van -q töltése, és az S-n keresztüli áramlási sebesség n vivő/másodperc. dt alatt a C töltések teljes áthaladása a választott irányban dV = -n NS q NS dt lesz, ami megfelel az I = dV/dT áramnak.

Ezért a 3d. ábrán látható áram negatív. Ezen túlmenően ez az áram egybeesik azzal az áramerősséggel, amelyet a + q töltésű pozitív hordozók az S felületen n vivő/másodperc sebességgel a választotttal ellentétes irányban mozgatnak (3. ábra, b). Így a kétszámjegyű töltések tükröződnek a kétszámjegyű áramban. Az elektronikus áramkörökben a legtöbb esetben az áram előjele jelentős, és nem mindegy, hogy mely töltéshordozók (pozitív vagy negatív) hordozzák az áramot. Ezért gyakran, amikor elektromos áramról beszélnek, azt feltételezik, hogy a töltéshordozók pozitívak (lásd - Az elektromos áram iránya).

A félvezető eszközökben azonban a pozitív és negatív töltéshordozók közötti különbség kritikus az eszköz működése szempontjából.Ezen eszközök működésének részletes vizsgálata során egyértelműen meg kell különböztetni a mobil töltéshordozók jeleit. Egy bizonyos területen átfolyó áram fogalma könnyen általánosítható egy áramköri elemen áthaladó áramra.

ábrán. A 4. ábra egy bipoláris elemet mutat. A pozitív áram irányát nyíl mutatja.

Rizs. 4. Áram egy áramköri elemen keresztül. A töltések az A terminálon keresztül jutnak be a cellába i sebességgel (coulomb/másodperc), és ugyanolyan sebességgel hagyják el a cellát az A' terminálon.

Ha pozitív áram folyik át egy áramköri elemen, akkor pozitív töltés lép be az A kivezetésre másodpercenként i coulomb sebességgel. De amint már említettük, az anyagok (és az áramköri elemek) általában elektromosan semlegesek maradnak. (Még az 1. ábrán látható "töltött" cellának is nulla a teljes töltése.) Ezért, ha töltés áramlik a cellába az A terminálon keresztül, akkor egyidejűleg azonos mennyiségű töltésnek kell kifolynia a cellából az A' terminálon keresztül. Az áramköri elemen átfolyó elektromos áram folytonossága az elem egészének semlegességéből következik.

Erő

Az áramkör bármely bipoláris elemének kapcsai között lehet feszültség, és áram folyhat át rajta. Az áram és a feszültség előjelei egymástól függetlenül meghatározhatók, de a feszültség és az áram polaritása között fontos fizikai kapcsolat van, melynek tisztázásához általában néhány további feltételt is fel kell venni.

ábrán. A 4. ábra a feszültség és áram relatív polaritásának meghatározását mutatja be. Az áramirány kiválasztásakor a «+» terminálba folyik. Ha ez a további feltétel teljesül, egy fontos elektromos mennyiség – az elektromos teljesítmény – meghatározható. Tekintsük az ábra áramköri elemét. 4.

Ha a feszültség és az áramerősség pozitív, akkor a pozitív töltések folyamatos áramlása van a nagy potenciálú ponttól az alacsony potenciálú pontig. Ennek az áramlásnak a fenntartásához el kell választani a pozitív töltéseket a negatívaktól, és be kell vezetni a «+» terminálba. Ez a folyamatos szétválasztás folyamatos energiafelhasználást igényel.

Ahogy a töltések áthaladnak az elemen, felszabadítják ezt az energiát. És mivel az energiát tárolni kell, az vagy az áramköri elemben hőként szabadul fel (például egy kenyérpirítóban), vagy tárolódik benne (például egy autó akkumulátorának töltésekor). Ennek az energiaátalakításnak a sebességét nevezzük erő és a P = U NS Az (watt = volt x amper) kifejezés határozza meg.

A teljesítmény mértékegysége a watt (W), amely 1 J energia 1 s-ra való átalakulásának felel meg. ábrán meghatározott polaritású feszültség és áram szorzatával egyenlő teljesítmény. A 4 egy algebrai mennyiség.

Ha P > 0, mint a fenti esetben, a teljesítmény disszipálódik vagy elnyelődik az elemben. Ha P < 0, akkor ebben az esetben az elem táplálja azt az áramkört, amelybe be van kötve.

Ellenálló elemek

Minden egyes áramköri elemhez írhat egy konkrét kapcsolatot a kapocsfeszültség és az elemen áthaladó áram között. A rezisztív elem olyan elem, amelyre a feszültség és az áram kapcsolata ábrázolható, ezt a grafikont áram-feszültség karakterisztikának nevezzük. ábrán látható egy példa egy ilyen jellemzőre. 5.

Rizs. 5. Ellenállásos elem áram-feszültség karakterisztikája

Ha ismert a feszültség a D elem kivezetésein, akkor a grafikon meg tudja határozni a D elemen áthaladó áramot.Hasonlóképpen, ha az áramerősség ismert, a feszültség meghatározható.

Tökéletes ellenállás

Az ideális ellenállás (vagy ellenállás) az lineáris rezisztív elem… A linearitás definíciója szerint a feszültség és az áram közötti kapcsolat egy lineáris ellenálláselemben olyan, hogy ha az áramot megkétszerezzük, a feszültség is megduplázódik. Általában a feszültségnek arányosnak kell lennie az áramerősséggel.

A feszültség és áram közötti arányos összefüggést ún Ohm törvénye az áramkör egy szakaszára és kétféleképpen írható: U = I NS R, ahol R az elem ellenállása, és I = G NS U, ahol G = I / R az elem vezetőképessége. Az ellenállás mértékegysége az ohm (ohm), a vezetőképesség mértékegysége a siemens (cm).

Az ideális ellenállás áram-feszültség karakterisztikáját a ábra mutatja. 6. A grafikon az origón áthaladó egyenes, amelynek meredeksége Az/R.

Rizs. 6. Az ideális ellenállás megnevezése (a) és áram-feszültség karakterisztikája (b).

Erő tökéletes ellenállással

Az ideális ellenállás által elnyelt teljesítmény kifejezése:

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

Ahogy az ideális ellenállásban felvett teljesítmény az áram (vagy feszültség) négyzetétől függ, az ideális ellenállásban felvett v teljesítmény előjele az R előjelétől függ. Bár néha negatív ellenállásértékeket is használnak bizonyos üzemmódokban működő bizonyos típusú eszközök szimulálásakor általában minden valós ellenállás pozitív. Ezeknél az ellenállásoknál az elnyelt teljesítmény mindig pozitív.

Az ellenállás által elnyelt elektromos energia, cc az energia megmaradásának törvénye, NS-transzformálódnia kell más fajokká.Leggyakrabban az elektromos energiát hőenergiává alakítják, amelyet Joule-hőnek neveznek. Kiválasztási arány joule hő ellenállás tekintetében megegyezik az elektromos energia elnyelési sebességével. Ez alól kivételt képeznek azok az ellenállásos elemek (például izzó vagy hangszóró), ahol az elnyelt energia egy része más formákká (fény- és hangenergiává) alakul.

A fő elektromos mennyiségek összefüggései

Egyenáram esetén az alapegységek az ábrán láthatók. 7.

Rizs. 7. A fő elektromos mennyiségek összefüggései

Négy alapegységet – áramerősséget, feszültséget, ellenállást és teljesítményt – megbízhatóan kialakított kapcsolatok kötnek össze, ami lehetővé teszi, hogy ne csak direkt, hanem közvetett méréseket is végezzünk, vagy más mért értékekből számítsuk ki a számunkra szükséges értékeket. Tehát az áramkör egy részének feszültségének méréséhez szükség van egy voltmérőre, de még ennek hiányában is, ismerve az áramkör áramát és az áramellenállást ebben a szakaszban, kiszámíthatja a feszültség értékét.