Pagrindiniai elektros dydžiai: įkrova, įtampa, srovė, galia, varža

Pagrindiniai elektros dydžiai: srovė, įtampa, varža ir galia.

Įkrovimas

Svarbiausias fizikinis reiškinys elektros grandinėse yra judėjimas elektros krūvis… Gamtoje yra dviejų rūšių krūviai – teigiami ir neigiami. Kaip krūviai traukia, kaip krūviai atstumia. Tai lemia tai, kad yra tendencija sugrupuoti teigiamus krūvius su neigiamais vienodais kiekiais.

Atomas susideda iš teigiamai įkrauto branduolio, apsupto neigiamo krūvio elektronų debesies. Bendras neigiamas krūvis absoliučia verte yra lygus teigiamam branduolio krūviui. Todėl atomas turi nulinį bendrą krūvį, taip pat sakoma, kad jis yra elektriškai neutralus.

Medžiagose, kurios gali laikyti elektros, kai kurie elektronai yra atskirti nuo atomų ir turi galimybę judėti laidžioje medžiagoje. Šie elektronai vadinami judriaisiais krūviais arba krūvininkų nešikliais.

Kadangi kiekvienas pradinės būsenos atomas yra neutralus, po neigiamo krūvio elektrono atskyrimo jis tampa teigiamai įkrautu jonu.Teigiami jonai negali laisvai judėti ir sudaryti stacionarių fiksuotų krūvių sistemos (žr. Kokios medžiagos praleidžia elektrą).

PuslaidininkiuoseSudarydami svarbią medžiagų klasę, judrūs elektronai gali judėti dviem būdais: arba elektronai tiesiog elgiasi kaip neigiamo krūvio nešėjai. Arba sudėtinga daugelio elektronų kolekcija juda taip, tarsi medžiagoje būtų teigiamai įkrautų mobiliųjų nešėjų. Fiksuoti mokesčiai gali būti bet kokio pobūdžio.

Laidžios medžiagos gali būti laikomos medžiagomis, turinčiomis judriųjų krūvininkų (kurie gali turėti vieną iš dviejų ženklų) ir fiksuotų priešingo poliškumo krūvių.

Taip pat yra medžiagų, vadinamų izoliatoriais, kurios nepraleidžia elektros. Visi mokesčiai izoliatoriuje yra fiksuoti. Izoliatorių pavyzdžiai yra oras, žėrutis, stiklas, ploni oksidų sluoksniai, susidarantys ant daugelio metalų paviršių, ir, žinoma, vakuumas (kuriame iš viso nėra krūvių).

Krūvis matuojamas kulonais (C) ir paprastai žymimas Q.

Krūvio kiekis arba neigiamos elektros kiekis vienam elektronui buvo nustatytas atliekant daugybę eksperimentų ir buvo 1,601 × 10-19 CL arba 4,803 × 10-10 elektrostatinių krūvių.

Tam tikrą idėją apie elektronų, tekančių per laidą, skaičių net esant santykinai mažoms srovėms, galima gauti taip. Kadangi elektrono krūvis yra 1,601 • 10-19 CL, tai elektronų, sukuriančių krūvį, lygų kulonui, skaičius yra duotosios atvirkštinis dydis, tai yra, apytiksliai lygus 6 • 1018.

1 A srovė atitinka 1 C srautą per sekundę, o esant tik 1 μmka (10-12 A) srovei per laido skerspjūvį, maždaug 6 milijonai elektronų per sekundę.Tokio masto srovės tuo pat metu yra tokios mažos, kad jų aptikimas ir matavimas yra susiję su dideliais eksperimentiniais sunkumais.

Teigiamo jono krūvis yra sveikasis elektrono krūvio kartotinis, tačiau turi priešingą ženklą. Dalelių, kurios yra pavieniai jonizuotos, krūvis yra lygus elektrono krūviui.

Branduolio tankis yra daug didesnis nei elektrono tankis.Didžioji dalis viso atomo užimamo tūrio yra tuščia.

Elektrinių reiškinių samprata

Trinant du skirtingus kūnus, taip pat indukcija, kūnams gali būti suteikiamos ypatingos savybės – elektrinės. Tokie kūnai vadinami elektrifikuotais.

Reiškiniai, susiję su elektrifikuotų kūnų sąveika, vadinami elektriniai reiškiniai.

Sąveiką tarp elektrifikuotų kūnų lemia vadinamoji Elektrinės jėgos, kurios skiriasi nuo kitokio pobūdžio jėgų tuo, kad priverčia įkrautus kūnus atstumti ir pritraukti vienas kitą, nepaisant jų judėjimo greičio.

Tokiu būdu įkrautų kūnų sąveika skiriasi, pavyzdžiui, nuo gravitacinės, kuriai būdinga tik kūnų trauka, arba nuo magnetinės kilmės jėgų, kurios priklauso nuo santykinio krūvių judėjimo greičio, sukeliančios magnetinį. reiškinius.

Elektrotechnika daugiausia tiria išorinio savybių pasireiškimo dėsnius elektrifikuoti kėbulai — elektromagnetinių laukų dėsniai.

Įtampa

Dėl stiprios priešingų krūvių traukos dauguma medžiagų yra elektriškai neutralios. Norint atskirti teigiamus ir neigiamus krūvius, reikia energijos.

Fig. 1 parodytos dvi laidžios, iš pradžių neįkrautos plokštės, išdėstytos atstumu d.Daroma prielaida, kad tarpas tarp plokščių užpildytas izoliatoriumi, pavyzdžiui, oru, arba jie yra vakuume.

Ryžiai. 1. Dvi laidžios, iš pradžių neįkrautos plokštės: a — plokštės yra elektra neutralios; b — krūvis -Q perduodamas į apatinę plokštę (tarp plokščių yra potencialų skirtumas ir elektrinis laukas).

Fig. 1, abi plokštės yra neutralios, o bendras nulinis viršutinės plokštės krūvis gali būti pavaizduotas krūvių +Q ir -Q suma. Fig. 1b, krūvis -Q perkeliamas iš viršutinės plokštės į apatinę plokštę. Jei pav. 1b, plokštes sujungiame viela, tada priešingų krūvių traukos jėgos privers krūvį greitai persikelti atgal ir grįšime į situaciją, parodytą pav. 1, a. Teigiami krūviai persikeltų į neigiamai įkrautą plokštę, o neigiami – į teigiamai įkrautą plokštę.

Mes sakome, kad tarp įkrautų plokščių, parodytų Fig. 1b, yra potencialų skirtumas ir teigiamai įkrautoje viršutinėje plokštėje potencialas yra didesnis nei neigiamai įkrautoje apatinėje plokštėje. Apskritai, tarp dviejų taškų yra potencialų skirtumas, jei laidumas tarp tų taškų sukelia krūvio perdavimą.

Teigiami krūviai juda iš didelio potencialo taško į žemo potencialo tašką, neigiamų krūvių judėjimo kryptis yra priešinga – iš žemo potencialo taško į didelio potencialo tašką.

Potencialų skirtumo matavimo vienetas yra voltas (V). Potencialų skirtumas vadinamas įtampa ir paprastai žymimas raide U.

Norint kiekybiškai įvertinti įtampą tarp dviejų taškų, naudojama sąvoka elektrinis laukas… Fig. parodytu atveju.1b, tarp plokščių yra vienodas elektrinis laukas, nukreiptas iš didesnio potencialo srities (iš teigiamos plokštės) į žemesnio potencialo sritį (į neigiamą plokštę).

Šio lauko stipris, išreikštas voltais vienam metrui, yra proporcingas plokščių krūviui ir gali būti apskaičiuojamas pagal fizikos dėsnius, jei žinomas krūvių pasiskirstymas. Ryšys tarp elektrinio lauko dydžio ir įtampos U tarp plokščių yra U = E NS e (voltas = voltas / metras x metras).

Taigi perėjimas iš mažesnio potencialo į aukštesnį atitinka judėjimą prieš lauko kryptį.Sudėtingesnėje struktūroje elektrinis laukas gali būti ne visur vienodas, o norint nustatyti potencialų skirtumą tarp dviejų taškų būtina pakartotinai naudoti lygtį U = E NS e.

Intervalas tarp mums įdomių taškų yra padalintas į daugybę skyrių, kurių kiekviena yra pakankamai maža, kad laukas jame būtų vienodas. Tada lygtis iš eilės pritaikoma kiekvienam segmentui U = E NS e ir kiekvienos sekcijos potencialų skirtumai sumuojami. Taigi, esant bet kokiam krūvių ir elektrinių laukų pasiskirstymui, galite rasti potencialų skirtumą tarp bet kurių dviejų taškų.

Nustatant potencialų skirtumą, būtina nurodyti ne tik įtampos tarp dviejų taškų dydį, bet ir tai, kuris taškas turi didžiausią potencialą. Tačiau elektros grandinėse, kuriose yra keli skirtingi elementai, ne visada įmanoma iš anksto nustatyti, kuris taškas turi didžiausią potencialą. Norint išvengti painiavos, būtina priimti ženklų sąlygą (2 pav.).

Ryžiai. 2… Įtampos poliškumo nustatymas (įtampa gali būti teigiama arba neigiama).

Dvipolio grandinės elementą vaizduoja dėžutė su dviem gnybtais (2 pav., a). Laikoma, kad linijos, vedančios iš dėžutės į gnybtus, yra idealūs elektros srovės laidininkai. Vienas terminalas pažymėtas pliuso ženklu, kitas – minuso ženklu. Šie simboliai nustato santykinį poliškumą. Įtampa U pav. 2, ir nustatoma pagal sąlygą U = (gnybto «+» potencialas) — (gnybto «-« potencialas).

Fig. 2b, įkrautos plokštės yra prijungtos prie gnybtų taip, kad „+“ gnybtas būtų prijungtas prie plokštės su didesniu potencialu. Čia įtampa U yra teigiamas skaičius. Fig. 2, „+“ gnybtas yra prijungtas prie apatinės potencialo plokštės. Dėl to gauname neigiamą įtampą.

Svarbu atsiminti apie algebrinę įtempių vaizdavimo formą. Nustačius poliškumą, teigiama įtampa reiškia, kad "+" gnybtas turi (didesnį potencialą), o neigiama įtampa reiškia, kad "-" gnybtas turi didesnį potencialą.

Dabartinė

Aukščiau buvo pažymėta, kad teigiami krūvininkai pereina iš didelio potencialo srities į mažo potencialo sritį, o neigiami krūvininkai juda iš mažo potencialo srities į didelio potencialo sritį. Bet koks mokesčių pervedimas reiškia galiojimo pabaigą elektros.

Fig. 3 pavaizduoti keli paprasti elektros srovės tekėjimo atvejai, paviršius pasirinktas C ir parodyta tariamoji teigiama kryptis. Jei laikui bėgant dt per atkarpą S visas krūvis Q eis pasirinkta kryptimi, tai srovė I per S bus lygi I = dV/dT. Srovės matavimo vienetas yra amperas (A) (1A = 1C / s).

Ryžiai. 3… Srovės krypties ir mobiliųjų įkrovų srauto krypties ryšys.Srovė yra teigiama (a ir b), jei atsirandantis teigiamų krūvių srautas per kokį nors paviršių C sutampa su pasirinkta kryptimi. Srovė yra neigiama (b ir d), jei atsirandantis teigiamų krūvių srautas per paviršių yra priešingas pasirinktai krypčiai.

Dažnai kyla sunkumų nustatant dabartinės Iz ženklą. Jei judriojo krūvio nešikliai yra teigiami, tai teigiama srovė apibūdina tikrąjį judriųjų krūvininkų judėjimą pasirinkta kryptimi, o neigiama – judriųjų krūvininkų srautą, priešingą pasirinktai krypčiai.

Jei mobiliojo ryšio operatoriai yra neigiami, turite būti atsargūs nustatydami srovės kryptį. Apsvarstykite pav. 3d, kuriame neigiami judrūs krūvininkai kerta S pasirinkta kryptimi. Tarkime, kad kiekvienas nešiklis turi krūvį -q ir srautas per S yra n nešėjų per sekundę. Per dt bendras krūvių C praėjimas pasirinkta kryptimi bus dV = -n NS q NS dt, o tai atitinka srovę I = dV/ dT.

Todėl srovė 3d pav. yra neigiama. Be to, ši srovė sutampa su srove, kurią sukuria teigiami nešikliai su krūviu + q per paviršių S n nešėjų per sekundę greičiu priešinga pasirinktai kryptimi (3 pav., b). Taigi dviženkliai įkrovimai atsispindi dviženklėje srovėje. Daugeliu atvejų elektroninėse grandinėse srovės ženklas yra reikšmingas ir nesvarbu, kurie krūvininkai (teigiami ar neigiami) teka tą srovę. Todėl dažnai kalbėdami apie elektros srovę jie daro prielaidą, kad krūvininkai yra teigiami (žr. Elektros srovės kryptis).

Tačiau puslaidininkiniuose įrenginiuose skirtumas tarp teigiamų ir neigiamų krūvininkų yra labai svarbus įrenginio veikimui.Išsamiai išnagrinėjus šių įrenginių veikimą, turėtų būti aiškiai atskirti mobiliųjų įkrovimo laikiklių požymiai. Srovės, tekančios per tam tikrą sritį, sąvoką galima lengvai apibendrinti į srovę per grandinės elementą.

Fig. 4 parodytas dvipolis elementas. Teigiamos srovės kryptis rodoma rodykle.

Ryžiai. 4. Srovė per grandinės elementą. Krūviai patenka į elementą per terminalą A i greičiu (kulonais per sekundę) ir išeina iš ląstelės per terminalą A' tokiu pat greičiu.

Jei grandinės elementu teka teigiama srovė, teigiamas krūvis patenka į gnybtą A i kulonų per sekundę greičiu. Tačiau, kaip jau minėta, medžiagos (ir grandinės elementai) paprastai lieka elektrai neutralios. (Net „įkrautas“ elementas 1 pav. neturi nulinio bendro krūvio.) Todėl, jei į elementą įteka per gnybtą A, toks pat krūvio kiekis vienu metu turi ištekėti iš elemento per terminalą A'. Šis elektros srovės srauto per grandinės elementą tęstinumas išplaukia iš viso elemento neutralumo.

Galia

Bet kuris dvipolis elementas grandinėje gali turėti įtampą tarp jo gnybtų ir srovė gali tekėti per jį. Srovės ir įtampos požymius galima nustatyti nepriklausomai, tačiau tarp įtampos ir srovės poliškumo yra svarbus fizinis ryšys, kurio paaiškinimui dažniausiai imamasi kai kurių papildomų sąlygų.

Fig. 4 parodyta, kaip nustatomi santykiniai įtampos ir srovės poliškumas. Pasirinkus srovės kryptį, ji teka į „+“ gnybtą. Kai ši papildoma sąlyga įvykdoma, galima nustatyti svarbų elektros kiekį – elektros galią. Apsvarstykite grandinės elementą Fig. 4.

Jei įtampa ir srovė yra teigiamos, tai nuolatinis teigiamų krūvių srautas iš didelio potencialo taško į mažo potencialo tašką. Norint išlaikyti šį srautą, reikia atskirti teigiamus krūvius nuo neigiamų ir įvesti juos į „+“ gnybtą. Šis nuolatinis atskyrimas reikalauja nuolatinių energijos sąnaudų.

Kai krūviai praeina per elementą, jie išskiria šią energiją. O kadangi energija turi būti kaupiama, ji grandinės elemente arba išsiskiria kaip šiluma (pavyzdžiui, skrudintuve), arba jame kaupiama (pavyzdžiui, įkraunant automobilio akumuliatorių). Šis energijos konversijos greitis vadinamas galia ir nustatomas pagal išraišką P = U NS Az (vatai = voltai x amperai).

Galios matavimo vienetas yra vatas (W), kuris atitinka 1 J energijos pavertimą 1 s. Galia, lygi įtampos ir srovės sandaugai su poliškumu, apibrėžtu fig. 4 yra algebrinis dydis.

Jei P > 0, kaip pirmiau minėtu atveju, galia išsklaido arba absorbuojama elemente. Jei P < 0, tai šiuo atveju elementas tiekia maitinimą grandinei, kurioje jis yra prijungtas.

Atsparūs elementai

Kiekvienam grandinės elementui galite parašyti konkretų ryšį tarp gnybtų įtampos ir srovės per elementą. Varžinis elementas – tai elementas, kuriam galima nubraižyti įtampos ir srovės ryšį.Šis grafikas vadinamas srovės-įtampos charakteristika. Tokios funkcijos pavyzdys parodytas fig. 5.

Ryžiai. 5. Varžinio elemento srovės-įtampos charakteristika

Jei žinoma įtampa elemento D gnybtuose, tada grafikas gali nustatyti srovę per elementą D.Taip pat, jei žinoma srovė, galima nustatyti įtampą.

Tobulas atsparumas

Ideali varža (arba rezistorius) yra linijinis varžinis elementas… Pagal tiesiškumo apibrėžimą, tiesinio varžinio elemento įtampos ir srovės santykis yra toks, kad padvigubėjus srovės stiprumui, įtampa taip pat padvigubėja. Apskritai įtampa turi būti proporcinga srovei.

Proporcinis įtampos ir srovės ryšys vadinamas Omo dėsnis grandinės atkarpai ir rašomas dviem būdais: U = I NS R, kur R yra elemento varža, ir I = G NS U, kur G = I / R yra elemento laidumas. Atsparumo vienetas yra omas (omai), o laidumo vienetas yra siemensas (cm).

Idealios varžos srovės-įtampos charakteristika parodyta fig. 6. Grafas yra tiesi linija per pradžią, kurios nuolydis lygus Az/R.

Ryžiai. 6. Idealaus rezistoriaus žymėjimas (a) ir srovės-įtampos charakteristika (b).

Galia su puikiu pasipriešinimu

Idealios varžos sugertos galios išreiškimas:

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

Kaip idealioje varžoje sugerta galia priklauso nuo srovės (arba įtampos) kvadrato, taip ir sugertos galios v ženklas idealioje varžoje priklauso nuo R ženklo. Nors kartais naudojamos neigiamos varžos reikšmės imituojant tam tikrų tipų įrenginius, veikiančius tam tikrais režimais, visos tikrosios varžos dažniausiai būna teigiamos. Šioms varžoms sugerta galia visada yra teigiama.

Elektros energija, sugerta varžos, pagal energijos tvermės dėsnis, Turi NStransformuotis į kitas rūšis.Dažniausiai elektros energija paverčiama šilumos energija, vadinama Džaulio šiluma. Išsiskyrimo greitis džaulių šilumos pagal varžą jis atitinka elektros energijos sugerties greitį. Išimtis yra tie varžiniai elementai (pavyzdžiui, lemputė ar garsiakalbis), kai dalis sugertos energijos paverčiama kitomis formomis (šviesos ir garso energija).

Pagrindinių elektros dydžių tarpusavio ryšys

Nuolatinei srovei pagrindiniai vienetai parodyti pav. 7.

Ryžiai. 7. Pagrindinių elektros dydžių tarpusavio ryšys

Keturi pagrindiniai vienetai – srovė, įtampa, varža ir galia – yra tarpusavyje sujungti patikimai nustatytais ryšiais, leidžiančiais atlikti ne tik tiesioginius, bet ir netiesioginius matavimus arba apskaičiuoti reikalingas vertes iš kitų išmatuotų. Taigi, norint išmatuoti įtampą grandinės dalyje, reikia turėti voltmetrą, tačiau net ir nesant jo, žinant srovę grandinėje ir srovės varžą šiame skyriuje, galite apskaičiuoti įtampos vertę.