Grundlæggende elektriske størrelser: ladning, spænding, strøm, effekt, modstand

Grundlæggende elektriske størrelser: strøm, spænding, modstand og effekt.

Opladning

Det vigtigste fysiske fænomen i elektriske kredsløb er bevægelse elektrisk ladning… Der er to slags ladninger i naturen – positive og negative. Ligesom ladninger tiltrækker, ligesom ladninger frastøder. Dette fører til, at der er en tendens til at gruppere positive ladninger med negative i lige store mængder.

Et atom består af en positivt ladet kerne omgivet af en sky af negativt ladede elektroner. Den samlede negative ladning i absolut værdi er lig med den positive ladning af kernen. Derfor har atomet nul total ladning, det siges også at være elektrisk neutralt.

I materialer, der kan holde elektricitet, nogle elektroner er adskilt fra atomer og har evnen til at bevæge sig i et ledende materiale. Disse elektroner kaldes mobile ladninger eller ladningsbærere.

Da hvert atom i starttilstanden er neutralt, bliver det efter adskillelsen af ​​den negativt ladede elektron en positivt ladet ion.Positive ioner kan ikke bevæge sig frit og danne et system af stationære, faste ladninger (se — Hvilke stoffer leder elektricitet).

I halvledereudgør en vigtig klasse af materialer, mobile elektroner kan bevæge sig på to måder: eller elektronerne opfører sig simpelthen som negativt ladede bærere. Eller en kompleks samling af mange elektroner bevæger sig på en sådan måde, som om der var positivt ladede mobile bærere i materialet. Faste gebyrer kan være af begge karakterer.

Ledende materialer kan opfattes som materialer, der indeholder mobile ladningsbærere (som kan have et af to tegn) og faste ladninger med modsat polaritet.

Der findes også materialer kaldet isolatorer, som ikke leder elektricitet. Alle ladninger i isolatoren er faste. Eksempler på isolatorer er luft, glimmer, glas, tynde lag af oxider, der dannes på overfladerne af mange metaller, og selvfølgelig et vakuum (hvori der slet ikke er nogen ladninger).

Ladning måles i coulombs (C) og betegnes normalt med Q.

Mængden af ​​ladning eller mængden af ​​negativ elektricitet pr. elektron er blevet fastslået gennem adskillige eksperimenter og fundet at være 1.601 × 10-19 CL eller 4.803 x 10-10 elektrostatiske ladninger.

En ide om antallet af elektroner, der strømmer gennem en ledning selv ved relativt lave strømme, kan opnås som følger. Da elektronens ladning er 1,601 • 10-19 CL, så er antallet af elektroner, der skaber en ladning lig med coulomb, det reciproke af det givne, det vil sige, det er omtrent lig med 6 • 1018.

En strøm på 1 A svarer til et flow på 1 C pr. sekund, og ved en strøm på kun 1 μmka (10-12 A) gennem ledningens tværsnit, cirka 6 millioner elektroner pr. sekund.Strømme af en sådan størrelsesorden er samtidig så små, at deres påvisning og måling er forbundet med betydelige eksperimentelle vanskeligheder.

Ladningen på en positiv ion er et heltal af ladningen på en elektron, men har det modsatte fortegn. For partikler, der er enkelt ioniserede, viser ladningen sig at være lig med elektronens ladning.

Tætheden af ​​kernen er meget højere end tætheden af ​​elektronen.Det meste af det volumen, som atomet som helhed optager, er tomt.

Begrebet elektriske fænomener

Ved at gnide to forskellige legemer sammen, samt ved induktion, kan kroppene få særlige egenskaber - elektriske. Sådanne organer kaldes elektrificerede.

De fænomener, der er forbundet med samspillet mellem elektrificerede kroppe, kaldes elektriske fænomener.

Samspillet mellem elektrificerede organer bestemmes af den såkaldte Elektriske kræfter, der adskiller sig fra kræfter af anden art ved, at de får ladede legemer til at frastøde og tiltrække hinanden, uanset hastigheden af ​​deres bevægelse.

På denne måde adskiller vekselvirkningen mellem ladede legemer sig f.eks. fra den gravitationelle, som kun er karakteriseret ved tiltrækning af legemer, eller fra kræfterne af magnetisk oprindelse, som afhænger af ladningers relative bevægelseshastighed, hvilket forårsager magnetiske fænomener.

Elektroteknik studerer hovedsageligt lovene om ydre manifestation af egenskaber elektrificerede organer — love for elektromagnetiske felter.

Spænding

På grund af den stærke tiltrækning mellem modsatte ladninger er de fleste materialer elektrisk neutrale. Det kræver energi at adskille de positive og negative ladninger.

I fig. 1 viser to ledende, indledningsvis uladede plader med indbyrdes afstand d.Det antages, at mellemrummet mellem pladerne er fyldt med en isolator, såsom luft, eller de er i et vakuum.

Ris. 1. To ledende, oprindeligt uladede plader: a — pladerne er elektrisk neutrale; b — ladning -Q overføres til bundpladen (der er en potentialforskel og et elektrisk felt mellem pladerne).

I fig. 1 er begge plader neutrale, og den samlede nulladning på den øverste plade kan repræsenteres af summen af ​​ladninger +Q og -Q. I fig. 1b overføres ladningen -Q fra den øvre plade til den nederste plade. Hvis der i fig. 1b, forbinder vi pladerne med en ledning, så vil tiltrækningskræfterne af de modsatte ladninger få ladningen til hurtigt at overføres tilbage, og vi vender tilbage til situationen vist i fig. 1, a. Positive ladninger vil flytte til den negativt ladede plade og negative ladninger til den positivt ladede plade.

Vi siger, at mellem de ladede plader vist i fig. 1b er der en potentialforskel, og at potentialet på den positivt ladede øvre plade er højere end på den negativt ladede nedre plade. Generelt er der en potentiel forskel mellem to punkter, hvis ledning mellem disse punkter resulterer i ladningsoverførsel.

Positive ladninger bevæger sig fra et punkt med højt potentiale til et punkt med lavt potentiale, bevægelsesretningen for negative ladninger er modsat - fra et punkt med lavt potentiale til et punkt med højt potentiale.

Enheden til måling af potentialforskellen er volt (V). Potentialforskellen kaldes spænding og betegnes normalt med bogstavet U.

For at kvantificere spændingen mellem to punkter, bruges begrebet elektrisk felt… I tilfældet vist i fig.1b er der et ensartet elektrisk felt mellem pladerne rettet fra området med højere potentiale (fra den positive plade) til området med lavere potentiale (til den negative plade).

Styrken af ​​dette felt, udtrykt i volt pr. meter, er proportional med ladningen på pladerne og kan beregnes ud fra fysikkens love, hvis fordelingen af ​​ladninger er kendt. Forholdet mellem størrelsen af ​​det elektriske felt og spændingen U mellem pladerne har formen U = E NS e (volt = volt / meter x meter).

Så overgangen fra et lavere potentiale til et højere svarer til bevægelsen mod feltets retning. I en mere kompleks struktur er det elektriske felt måske ikke ensartet overalt, og for at bestemme potentialforskellen mellem to punkter, det er nødvendigt at gentagne gange bruger ligningen U = E NS e.

Intervallet mellem punkter af interesse for os er opdelt i mange sektioner, som hver især er små nok til, at feltet er ensartet i det. Ligningen anvendes derefter successivt på hvert segment U = E NS e, og de potentielle forskelle for hver sektion summeres. For enhver fordeling af ladninger og elektriske felter kan du således finde potentialeforskellen mellem to punkter.

Ved bestemmelse af potentialforskellen er det nødvendigt at angive ikke kun størrelsen af ​​spændingen mellem to punkter, men også hvilket punkt der har det højeste potentiale. Men i elektriske kredsløb, der indeholder flere forskellige elementer, er det ikke altid muligt på forhånd at afgøre, hvilket punkt der har det højeste potentiale. For at undgå forvirring er det nødvendigt at acceptere betingelsen for tegn (fig. 2).

Ris. 2... Bestemmelse af spændingspolaritet (spænding kan være positiv eller negativ).

Et bipolært kredsløbselement er repræsenteret af en boks udstyret med to terminaler (fig. 2, a). Linjerne, der fører fra boksen til terminalerne, antages at være ideelle ledere af elektrisk strøm. Den ene terminal er markeret med et plustegn, den anden med et minustegn. Disse tegn fikserer den relative polaritet. Spænding U i fig. 2, og er bestemt af betingelsen U = (potentiale for terminal «+») — (potentiale for terminal «-«).

I fig. 2b, er de ladede plader forbundet til terminalerne, således at «+»-terminalen er forbundet til pladen med et højere potentiale. Her er spændingen U et positivt tal. I fig. 2, er «+»-klemmen forbundet til den nederste potentialplade. Som et resultat får vi en negativ spænding.

Det er vigtigt at huske på den algebraiske form for stressrepræsentation. Når polariteten er bestemt, betyder en positiv spænding, at «+»-terminalen har et (højere potentiale), og en negativ spænding betyder, at «-»-terminalen har et højere potentiale.

Nuværende

Det blev bemærket ovenfor, at positive ladningsbærere bevæger sig fra området med høj potentiale til området med lavt potentiale, mens negative ladningsbærere bevæger sig fra området med lavt potentiale til området med høj potentiale. Enhver overførsel af gebyrer betyder udløb elektricitet.

I fig. 3 viser nogle simple tilfælde af elektrisk strøm, overfladen er valgt C, og den teoretiske positive retning er vist. Hvis over tid dt gennem sektionen S, vil den samlede ladning Q passere i den valgte retning, så vil strømmen I gennem S være lig med I = dV/dT. Strømmenheden er ampere (A) (1A = 1C / s).

Ris. 3... Forholdet mellem strømretningen og strømningsretningen for mobilladninger.Strømmen er positiv (a og b), hvis den resulterende strøm af positive ladninger gennem en eller anden overflade C falder sammen med den valgte retning. Strømmen er negativ (b og d), hvis den resulterende strøm af positive ladninger over overfladen er modsat den valgte retning.

Der opstår ofte vanskeligheder med at bestemme tegnet for den nuværende Iz. Hvis de mobile ladningsbærere er positive, så beskriver den positive strøm den aktuelle bevægelse af mobilbærerne i den valgte retning, mens den negative strøm beskriver strømmen af ​​mobile ladningsbærere modsat den valgte retning.

Hvis mobiloperatørerne er negative, skal du være forsigtig, når du bestemmer strømmens retning. Overvej fig. 3d, hvor de negative mobile ladningsbærere krydser S i den valgte retning. Antag, at hver bærer har ladning -q og strømningshastigheden gennem S er n bærere pr. sekund. Under dt er den samlede passage af ladninger C i den valgte retning vil være dV = -n NS q NS dt, hvilket svarer til strømmen I = dV/dT.

Derfor er strømmen i fig. 3d negativ. Desuden falder denne strøm sammen med den strøm, der skabes ved bevægelsen af ​​positive bærere med ladning + q gennem overfladen S med en hastighed på n bærere pr. sekund i modsat retning af den valgte (fig. 3, b). Tocifrede afgifter afspejles således i den tocifrede strøm. I de fleste tilfælde i elektroniske kredsløb er strømmens fortegn signifikant, og det er ligegyldigt, hvilke ladningsbærere (positive eller negative) der bærer den strøm. Derfor, når de taler om elektrisk strøm, antager de derfor, at ladningsbærerne er positive (se — Retning af elektrisk strøm).

I halvlederenheder er forskellen mellem positive og negative ladningsbærere imidlertid afgørende for enhedens drift.En detaljeret undersøgelse af driften af ​​disse enheder bør tydeligt skelne tegnene på mobile ladebærere. Konceptet med en strøm, der løber gennem et bestemt område, kan nemt generaliseres til en strøm gennem et kredsløbselement.

I fig. 4 viser et bipolært element. Retningen af ​​den positive strøm er vist med en pil.

Ris. 4. Strøm gennem et kredsløbselement. Ladninger kommer ind i cellen gennem terminal A med en hastighed i (coulombs per sekund) og forlader cellen gennem terminal A' med samme hastighed.

Hvis en positiv strøm løber gennem et kredsløbselement, kommer en positiv ladning ind i terminal A med en hastighed på i coulombs pr. sekund. Men som allerede nævnt forbliver materialer (og kredsløbselementer) normalt elektrisk neutrale. (Selv en "ladet" celle i fig. 1 har nul total ladning.) Derfor, hvis ladning flyder ind i cellen gennem terminal A, skal en lige stor mængde ladning samtidigt strømme ud af cellen gennem terminal A'. Denne kontinuitet af elektrisk strømgennemstrømning gennem kredsløbselementet følger af neutraliteten af ​​elementet som helhed.

Strøm

Ethvert bipolært element i et kredsløb kan have en spænding mellem dets terminaler, og der kan strømme strøm gennem det. Tegnene på strøm og spænding kan bestemmes uafhængigt, men der er et vigtigt fysisk forhold mellem polariteterne af spænding og strøm, for afklaringen af ​​hvilke nogle yderligere betingelser normalt tages.

I fig. 4 viser, hvordan de relative polariteter af spænding og strøm bestemmes. Når den aktuelle retning er valgt, flyder den ind i «+»-terminalen. Når denne yderligere betingelse er opfyldt, kan en vigtig elektrisk størrelse - elektrisk effekt - bestemmes. Overvej kredsløbselementet i fig. 4.

Hvis spændingen og strømmen er positive, er der en kontinuerlig strøm af positive ladninger fra et punkt med højt potentiale til et punkt med lavt potentiale. For at opretholde dette flow er det nødvendigt at adskille de positive ladninger fra de negative og indføre dem i «+»-terminalen. Denne kontinuerlige adskillelse kræver et kontinuerligt forbrug af energi.

Når ladninger passerer gennem elementet, frigiver de denne energi. Og da energi skal lagres, frigives den enten i kredsløbselementet som varme (for eksempel i en brødrister) eller lagres i den (for eksempel ved opladning af et bilbatteri). Den hastighed, hvormed denne energiomdannelse sker, kaldes strøm og bestemmes af udtrykket P = U NS Az (watt = volt x ampere).

Måleenheden for effekt er watt (W), som svarer til omdannelsen af ​​1 J energi til 1 s. Effekt lig med produktet af spænding og strøm med polariteterne defineret i fig. 4 er en algebraisk størrelse.

Hvis P > 0, som i ovenstående tilfælde, afgives eller optages effekt i elementet. Hvis P < 0, så leverer elementet i dette tilfælde strøm til det kredsløb, som det er tilsluttet.

Resistive elementer

For hvert kredsløbselement kan du skrive et specifikt forhold mellem terminalspændingen og strømmen gennem elementet. Et resistivt element er et element, som forholdet mellem spænding og strøm kan tegnes for. Denne graf kaldes strøm-spændingskarakteristikken. Et eksempel på et sådant træk er vist i fig. 5.

Ris. 5. Strømspændingskarakteristik for et modstandselement

Hvis spændingen ved terminalerne af element D er kendt, kan grafen bestemme strømmen gennem element D.Ligeledes, hvis strømmen er kendt, kan spændingen bestemmes.

Perfekt modstand

Den ideelle modstand (eller modstand) er lineært modstandselement… Per definition af linearitet er forholdet mellem spænding og strøm i et lineært resistivt element sådan, at når strømmen fordobles, fordobles spændingen også. Generelt skal spændingen være proportional med strømmen.

Det proportionelle forhold mellem spænding og strøm kaldes Ohms lov for en del af et kredsløb og skrives på to måder: U = I NS R, hvor R er elementets modstand, og I = G NS U, hvor G = I / R er elementets ledningsevne. Modstandsenheden er ohm (ohm), og enheden for ledningsevne er siemens (cm).

Strømspændingskarakteristikken for den ideelle modstand er vist i fig. 6. Grafen er en ret linje gennem origo med en hældning lig med Az/R.

Ris. 6. Betegnelse (a) og strøm-spændingskarakteristik (b) for en ideel modstand.

Kraft med perfekt modstand

At udtrykke den kraft, der absorberes af den ideelle modstand:

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

Ligesom den absorberede effekt, i en ideel modstand, afhænger af kvadratet af strømmen (eller spændingen), afhænger tegnet for den absorberede effekt v i en ideel modstand af tegnet for R. Selvom negative modstandsværdier nogle gange bruges Når man simulerer visse typer enheder, der fungerer i visse tilstande, er alle reelle modstande normalt positive. For disse modstande er den absorberede kraft altid positiv.

Den elektriske energi, der optages af modstanden, iflg lov om energibevarelse, Skal NSomdannes til andre arter.Oftest omdannes elektrisk energi til varmeenergi, kaldet Joule-varme. Udskillelseshastighed joule varme med hensyn til modstand matcher den hastigheden for absorption af elektrisk energi. Undtagelser er de resistive elementer (for eksempel en pære eller højttaler), hvor en del af den absorberede energi omdannes til andre former (lys- og lydenergi).

Indbyrdes sammenhæng mellem de vigtigste elektriske størrelser

For jævnstrøm er grundenhederne vist i fig. 7.

Ris. 7. Indbyrdes sammenhæng mellem de vigtigste elektriske størrelser

Fire grundlæggende enheder - strøm, spænding, modstand og effekt - er forbundet med pålideligt etablerede forhold, hvilket giver os mulighed for at foretage ikke kun direkte, men også indirekte målinger eller beregne de værdier, vi har brug for fra andre målte. Så for at måle spændingen i en del af kredsløbet skal man have et voltmeter, men selv i dets fravær, ved at kende strømmen i kredsløbet og strømmodstanden i dette afsnit, kan du beregne værdien af ​​spændingen.