Základné elektrické veličiny: náboj, napätie, prúd, výkon, odpor

Základné elektrické veličiny: prúd, napätie, odpor a výkon.

Nabíjanie

Najdôležitejším fyzikálnym javom v elektrických obvodoch je pohyb nabíjačka… V prírode existujú dva druhy nábojov – pozitívny a negatívny. Ako náboje priťahujú, tak ako náboje odpudzujú. To vedie k tomu, že existuje tendencia zoskupovať pozitívne náboje s negatívnymi v rovnakých množstvách.

Atóm pozostáva z kladne nabitého jadra obklopeného oblakom záporne nabitých elektrónov. Celkový záporný náboj v absolútnej hodnote sa rovná kladnému náboju jadra. Preto má atóm nulový celkový náboj, hovorí sa o ňom, že je aj elektricky neutrálny.

V materiáloch, ktoré dokážu držať elektriny, niektoré elektróny sú oddelené od atómov a majú schopnosť pohybovať sa vo vodivom materiáli. Tieto elektróny sa nazývajú mobilné náboje alebo nosiče náboja.

Keďže každý atóm v počiatočnom stave je neutrálny, po oddelení záporne nabitého elektrónu sa z neho stáva kladne nabitý ión.Kladné ióny sa nemôžu voľne pohybovať a tvoriť systém stacionárnych, pevných nábojov (pozri — Aké látky vedú elektrický prúd).

V polovodičochmobilné elektróny, ktoré predstavujú dôležitú triedu materiálov, sa môžu pohybovať dvoma spôsobmi: alebo sa elektróny jednoducho správajú ako záporne nabité nosiče. Alebo sa komplexný súbor mnohých elektrónov pohybuje takým spôsobom, ako keby v materiáli boli kladne nabité mobilné nosiče. Fixné poplatky môžu byť ľubovoľného charakteru.

Vodivé materiály možno považovať za materiály obsahujúce mobilné nosiče náboja (ktoré môžu mať jedno z dvoch znakov) a pevné náboje opačnej polarity.

Existujú aj materiály nazývané izolátory, ktoré nevedú elektrický prúd. Všetky poplatky v izolátore sú pevné. Príkladmi izolantov sú vzduch, sľuda, sklo, tenké vrstvy oxidov, ktoré sa tvoria na povrchu mnohých kovov, a samozrejme vákuum (v ktorom nie sú vôbec žiadne náboje).

Náboj sa meria v coulombách (C) a zvyčajne sa označuje Q.

Množstvo náboja alebo množstvo zápornej elektriny na elektrón bolo stanovené prostredníctvom mnohých experimentov a zistilo sa, že je 1,601 x 10-19 CL alebo 4,803 x 10-10 elektrostatických nábojov.

Určitú predstavu o počte elektrónov pretekajúcich drôtom aj pri relatívne nízkych prúdoch možno získať nasledovne. Keďže náboj elektrónu je 1,601 • 10-19 CL, potom počet elektrónov vytvárajúcich náboj rovný coulombu je prevrátený k danému, to znamená, že sa približne rovná 6 • 1018.

Prúd 1 A zodpovedá prietoku 1 C za sekundu a pri prúde iba 1 μmka (10-12 A) cez prierez drôtu približne 6 miliónov elektrónov za sekundu.Prúdy takej veľkosti sú zároveň také malé, že ich detekcia a meranie sú spojené so značnými experimentálnymi ťažkosťami.

Náboj na kladnom ióne je celočíselným násobkom náboja na elektróne, ale má opačné znamienko. Pre častice, ktoré sú jednotlivo ionizované, sa náboj rovná náboju elektrónu.

Hustota jadra je oveľa vyššia ako hustota elektrónu Väčšina objemu, ktorý zaberá atóm ako celok, je prázdna.

Pojem elektrických javov

Trením dvoch rôznych telies o seba, ako aj indukciou, môžu telesá získať špeciálne vlastnosti — elektrické. Takéto telesá sa nazývajú elektrifikované.

Javy spojené s interakciou elektrifikovaných telies sa nazývajú elektrické javy.

Interakciu medzi elektrifikovanými telesami určuje tzv Elektrické sily, ktoré sa líšia od síl inej povahy tým, že spôsobujú, že sa nabité telesá navzájom odpudzujú a priťahujú, bez ohľadu na rýchlosť ich pohybu.

Týmto spôsobom sa interakcia medzi nabitými telesami líši napríklad od gravitačnej, ktorá sa vyznačuje iba priťahovaním telies, alebo od síl magnetického pôvodu, ktoré závisia od relatívnej rýchlosti pohybu nábojov, spôsobujúcich magnetické javov.

Elektrotechnika študuje najmä zákonitosti vonkajšieho prejavu vlastností elektrifikovaných telies — zákony elektromagnetických polí.

Napätie

Kvôli silnej príťažlivosti medzi opačnými nábojmi je väčšina materiálov elektricky neutrálna. Na oddelenie kladných a záporných nábojov je potrebná energia.

Na obr. 1 sú znázornené dve vodivé, na začiatku nenabité dosky vzdialené od seba vo vzdialenosti d.Predpokladá sa, že priestor medzi doskami je vyplnený izolantom, napríklad vzduchom, alebo sú vo vákuu.

Ryža. 1. Dve vodivé, na začiatku nenabité platne: a — platne sú elektricky neutrálne; b — náboj -Q sa prenáša na spodnú dosku (medzi doskami je rozdiel potenciálov a elektrické pole).

Na obr. 1 sú obe dosky neutrálne a celkový nulový náboj na hornej doske môže byť vyjadrený súčtom nábojov +Q a -Q. Na obr. 1b sa náboj -Q prenáša z hornej dosky na spodnú dosku. Ak je na obr. 1b, dosky spojíme drôtom, potom príťažlivé sily opačných nábojov spôsobia, že sa náboj rýchlo prenesie späť a vrátime sa do situácie znázornenej na obr. 1, a. Kladné náboje by sa presunuli na záporne nabitú dosku a záporné náboje na kladne nabitú dosku.

Hovoríme, že medzi nabitými doskami znázornenými na obr. 1b je potenciálny rozdiel a to, že na kladne nabitej hornej doske je potenciál vyšší ako na záporne nabitej spodnej doske. Vo všeobecnosti existuje potenciálny rozdiel medzi dvoma bodmi, ak vedenie medzi týmito bodmi vedie k prenosu náboja.

Kladné náboje sa pohybujú z bodu s vysokým potenciálom do bodu s nízkym potenciálom, smer pohybu záporných nábojov je opačný - z bodu s nízkym potenciálom do bodu s vysokým potenciálom.

Jednotkou na meranie rozdielu potenciálov je volt (V). Potenciálny rozdiel sa nazýva napätie a zvyčajne sa označuje písmenom U.

Na kvantifikáciu napätia medzi dvoma bodmi sa používa koncept elektrické pole… V prípade znázornenom na obr.1b je medzi doskami rovnomerné elektrické pole smerujúce z oblasti vyššieho potenciálu (od kladnej dosky) do oblasti s nižším potenciálom (k zápornej doske).

Sila tohto poľa, vyjadrená vo voltoch na meter, je úmerná náboju na doskách a dá sa vypočítať z fyzikálnych zákonov, ak je známe rozloženie nábojov. Vzťah medzi veľkosťou elektrického poľa a napätím U medzi doskami má tvar U = E NS e (volt = volt / meter x meter).

Prechod z nižšieho potenciálu na vyšší teda zodpovedá pohybu proti smeru poľa.V zložitejšej štruktúre nemusí byť elektrické pole všade rovnomerné a aby bolo možné určiť potenciálny rozdiel medzi dvoma bodmi, napr. je potrebné opakovane použiť rovnicu U = E NS e.

Interval medzi pre nás zaujímavými bodmi je rozdelený do mnohých úsekov, z ktorých každý je dostatočne malý na to, aby v ňom bolo pole jednotné. Rovnica sa potom aplikuje postupne na každý segment U = E NS e a spočítajú sa potenciálne rozdiely pre každý úsek. Pre akékoľvek rozloženie nábojov a elektrických polí teda môžete nájsť potenciálny rozdiel medzi akýmikoľvek dvoma bodmi.

Pri určovaní rozdielu potenciálov je potrebné uviesť nielen veľkosť napätia medzi dvoma bodmi, ale aj to, ktorý bod má najväčší potenciál. V elektrických obvodoch obsahujúcich niekoľko rôznych prvkov však nie je vždy možné vopred určiť, ktorý bod má najvyšší potenciál. Aby nedošlo k zámene, je potrebné akceptovať podmienku pre znaky (obr. 2).

Ryža. 2… Určenie polarity napätia (napätie môže byť kladné alebo záporné).

Prvok bipolárneho obvodu je reprezentovaný krabicou vybavenou dvoma svorkami (obr. 2, a). Predpokladá sa, že vedenia vedúce zo skrinky k svorkám sú ideálnymi vodičmi elektrického prúdu. Jeden terminál je označený znamienkom plus, druhý znamienkom mínus. Tieto znaky fixujú relatívnu polaritu. Napätie U na obr. 2 a je určená podmienkou U = (potenciál svorky «+») — (potenciál svorky «-«).

Na obr. 2b sú nabité platne pripojené k svorkám tak, že svorka «+» je pripojená k platničke s vyšším potenciálom. Tu je napätie U kladné číslo. Na obr. 2 je svorka «+» pripojená k spodnej potenciálovej doske. V dôsledku toho dostaneme záporné napätie.

Je dôležité pamätať na algebraickú formu reprezentácie stresu. Po určení polarity kladné napätie znamená, že svorka «+» má (vyšší potenciál) a záporné napätie znamená, že svorka «-» má vyšší potenciál.

Aktuálne

Vyššie bolo uvedené, že kladné nosiče náboja sa pohybujú z oblasti s vysokým potenciálom do oblasti s nízkym potenciálom, zatiaľ čo nosiče záporného náboja sa presúvajú z oblasti s nízkym potenciálom do oblasti s vysokým potenciálom. Akýkoľvek prevod poplatkov znamená koniec platnosti elektriny.

Na obr. 3 ukazuje niekoľko jednoduchých prípadov toku elektrického prúdu, povrch je zvolený C a je znázornený teoretický kladný smer. Ak v priebehu času dt cez úsek S prejde celkový náboj Q zvoleným smerom, potom sa prúd I cez S bude rovnať I = dV/dT. Jednotkou merania prúdu je ampér (A) (1A = 1C/s).

Ryža. 3… Vzťah medzi smerom prúdu a smerom toku mobilných poplatkov.Prúd je kladný (a a b), ak sa výsledný tok kladných nábojov cez nejaký povrch C zhoduje so zvoleným smerom. Prúd je záporný (b a d), ak je výsledný tok kladných nábojov cez povrch opačný ako zvolený smer.

Ťažkosti často vznikajú pri určovaní znamienka prúdu Iz. Ak sú mobilné nosiče náboja kladné, potom kladný prúd opisuje skutočný pohyb mobilných nosičov vo zvolenom smere, zatiaľ čo záporný prúd opisuje tok mobilných nosičov náboja opačný k zvolenému smeru.

Ak sú mobilní operátori negatívni, musíte byť opatrní pri určovaní smeru prúdu. Zvážte obr. 3d, v ktorom záporné mobilné nosiče náboja prechádzajú cez S vo zvolenom smere. Predpokladajme, že každý nosič má náboj -q a rýchlosť prietoku cez S je n nosičov za sekundu. Počas dt je celkový prechod nábojov C zvoleným smerom dV = -n NS q NS dt, čo zodpovedá prúdu I = dV/dT.

Preto je prúd na Obr. 3d záporný. Okrem toho sa tento prúd zhoduje s prúdom vytvoreným pohybom kladných nosičov s nábojom + q cez povrch S rýchlosťou n nosičov za sekundu v opačnom smere ako je zvolený (obr. 3, b). Dvojciferné poplatky sa teda prejavia v dvojcifernom prúde. Vo väčšine prípadov v elektronických obvodoch je znamienko prúdu významné a nezáleží na tom, ktoré nosiče náboja (kladné alebo záporné) prenášajú tento prúd. Preto často, keď hovoria o elektrickom prúde, predpokladajú, že nosiče náboja sú kladné (pozri — Smer elektrického prúdu).

V polovodičových zariadeniach je však rozdiel medzi kladnými a zápornými nosičmi náboja rozhodujúci pre činnosť zariadenia.Podrobné preskúmanie fungovania týchto zariadení by malo jasne rozlíšiť znaky mobilných nosičov poplatkov. Pojem prúdu pretekajúceho určitou oblasťou možno ľahko zovšeobecniť na prúd cez prvok obvodu.

Na obr. 4 znázorňuje bipolárny prvok. Smer kladného prúdu je znázornený šípkou.

Ryža. 4. Prúd cez prvok obvodu. Náboje vstupujú do bunky cez terminál A rýchlosťou i (coulombov za sekundu) a opúšťajú bunku cez terminál A' rovnakou rýchlosťou.

Ak cez prvok obvodu preteká kladný prúd, kladný náboj vstupuje na svorku A rýchlosťou 1 coulombov za sekundu. Ale, ako už bolo uvedené, materiály (a prvky obvodu) zvyčajne zostávajú elektricky neutrálne. (Dokonca aj "nabitý" článok na obr. 1 má nulový celkový náboj.) Ak teda náboj prúdi do článku cez svorku A, musí rovnaké množstvo náboja súčasne vytekať z článku cez svorku A'. Táto kontinuita toku elektrického prúdu prvkom obvodu vyplýva z neutrality prvku ako celku.

Moc

Akýkoľvek bipolárny prvok v obvode môže mať medzi svorkami napätie a môže ním pretekať prúd. Znaky prúdu a napätia je možné určiť nezávisle, ale medzi polaritami napätia a prúdu existuje dôležitý fyzikálny vzťah, na objasnenie ktorého sa zvyčajne berú niektoré ďalšie podmienky.

Na obr. 4 ukazuje, ako sa určujú relatívne polarity napätia a prúdu. Keď je zvolený smer prúdu, prúdi do svorky «+». Keď je splnená táto dodatočná podmienka, je možné určiť dôležité elektrické množstvo - elektrický výkon. Zvážte prvok obvodu na obr. 4.

Ak sú napätie a prúd kladné, potom existuje nepretržitý tok kladných nábojov z bodu s vysokým potenciálom do bodu s nízkym potenciálom. Na udržanie tohto toku je potrebné oddeliť kladné náboje od záporných a zaviesť ich do svorky «+». Toto nepretržité oddeľovanie vyžaduje nepretržité výdavky na energiu.

Keď náboje prechádzajú prvkom, uvoľňujú túto energiu. A keďže energiu treba skladovať, buď sa uvoľňuje v obvodovom prvku ako teplo (napríklad v hriankovači), alebo sa v ňom ukladá (napríklad pri nabíjaní autobatérie). Rýchlosť, pri ktorej k tejto premene energie dochádza, sa nazýva moc a je určená výrazom P = U NS Az (watty = volty x ampéry).

Jednotkou merania výkonu je watt (W), čo zodpovedá premene 1 J energie na 1 s. Výkon rovný súčinu napätia a prúdu s polaritami definovanými na obr. 4 je algebraická veličina.

Ak P > 0, ako vo vyššie uvedenom prípade, energia sa rozptýli alebo absorbuje v prvku. Ak P < 0, potom v tomto prípade prvok napája obvod, v ktorom je zapojený.

Odporové prvky

Pre každý prvok obvodu môžete napísať špecifický vzťah medzi napätím na svorke a prúdom cez prvok. Odporový prvok je prvok, pre ktorý možno vykresliť vzťah medzi napätím a prúdom.Tento graf sa nazýva charakteristika prúd-napätie. Príklad takejto funkcie je znázornený na obr. 5.

Ryža. 5. Prúdová charakteristika odporového prvku

Ak je známe napätie na svorkách prvku D, potom graf môže určiť prúd cez prvok D.Podobne, ak je známy prúd, možno určiť napätie.

Dokonalá odolnosť

Ideálny odpor (alebo rezistor) je lineárny odporový prvok… Podľa definície linearity je vzťah medzi napätím a prúdom v lineárnom odporovom prvku taký, že keď sa prúd zdvojnásobí, zdvojnásobí sa aj napätie. Vo všeobecnosti by napätie malo byť úmerné prúdu.

Proporcionálny vzťah medzi napätím a prúdom sa nazýva Ohmov zákon pre časť obvodu a zapisuje sa dvoma spôsobmi: U = I NS R, kde R je odpor prvku a I = G NS U, kde G = I / R je vodivosť prvku. Jednotkou odporu je ohm (ohm) a jednotkou vodivosti je siemens (cm).

Prúdovo-napäťová charakteristika ideálneho odporu je znázornená na obr. 6. Graf je priamka cez začiatok so sklonom rovným Az/R.

Ryža. 6. Označenie (a) a prúdovo-napäťová charakteristika (b) ideálneho odporu.

Výkon s dokonalým odporom

Vyjadrenie výkonu absorbovaného ideálnym odporom:

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

Rovnako ako absorbovaný výkon v ideálnom odpore závisí od druhej mocniny prúdu (alebo napätia), znamienko absorbovaného výkonu v v ideálnom odpore závisí od znamienka R. Hoci sa niekedy používajú záporné hodnoty odporu pri simulácii určitých typov zariadení pracujúcich v určitých režimoch sú všetky skutočné odpory zvyčajne kladné. Pre tieto odpory je absorbovaný výkon vždy kladný.

Elektrická energia absorbovaná odporom, podľa zákon zachovania energie, Musí sa NStransformovať na iné druhy.Elektrická energia sa najčastejšie premieňa na tepelnú energiu, nazývanú Jouleovo teplo. Rýchlosť vylučovania joulovým teplom čo sa týka odporu, zodpovedá rýchlosti absorpcie elektrickej energie. Výnimkou sú tie odporové prvky (napríklad žiarovka alebo reproduktor), kde sa časť absorbovanej energie premieňa na iné formy (svetelná a zvuková energia).

Vzájomný vzťah hlavných elektrických veličín

Pre jednosmerný prúd sú základné jednotky znázornené na obr. 7.

Ryža. 7. Vzájomný vzťah hlavných elektrických veličín

Štyri základné jednotky — prúd, napätie, odpor a výkon — sú vzájomne prepojené spoľahlivo vytvorenými vzťahmi, čo nám umožňuje robiť nielen priame, ale aj nepriame merania či vypočítať potrebné hodnoty z iných nameraných. Takže na meranie napätia v časti obvodu musíte mať voltmeter, ale aj v prípade jeho neprítomnosti, keď poznáte prúd v obvode a prúdový odpor v tejto časti, môžete vypočítať hodnotu napätia.