Grundläggande elektriska storheter: laddning, spänning, ström, effekt, resistans

Grundläggande elektriska storheter: ström, spänning, resistans och effekt.

Laddar

Det viktigaste fysiska fenomenet i elektriska kretsar är rörelse elektrisk laddning… Det finns två typer av laddningar i naturen – positiva och negativa. Lika laddningar attraherar, lika laddningar stöter bort. Detta leder till att det finns en tendens att gruppera positiva laddningar med negativa i lika stora mängder.

En atom består av en positivt laddad kärna omgiven av ett moln av negativt laddade elektroner. Den totala negativa laddningen i absolut värde är lika med den positiva laddningen av kärnan. Därför har atomen noll total laddning, den sägs också vara elektriskt neutral.

I material som kan hålla elektricitet, vissa elektroner är separerade från atomer och har förmågan att röra sig i ett ledande material. Dessa elektroner kallas mobilladdningar eller laddningsbärare.

Eftersom varje atom i initialtillståndet är neutral, efter separationen av den negativt laddade elektronen, blir den en positivt laddad jon.Positiva joner kan inte röra sig fritt och bilda ett system av stationära, fasta laddningar (se — Vilka ämnen leder elektricitet).

I halvledaresom utgör en viktig materialklass kan mobila elektroner röra sig på två sätt: eller så beter sig elektronerna helt enkelt som negativt laddade bärare. Eller en komplex samling av många elektroner rör sig på ett sådant sätt som om det fanns positivt laddade mobila bärare i materialet. Fasta avgifter kan vara av båda karaktärerna.

Konduktiva material kan ses som material som innehåller mobila laddningsbärare (som kan ha ett av två tecken) och fasta laddningar med motsatt polaritet.

Det finns också material som kallas isolatorer som inte leder elektricitet. Alla laddningar i isolatorn är fasta. Exempel på isolatorer är luft, glimmer, glas, tunna lager av oxider som bildas på ytorna av många metaller och, naturligtvis, ett vakuum (i vilket det inte finns några laddningar alls).

Laddning mäts i coulombs (C) och betecknas vanligtvis med Q.

Mängden laddning eller mängden negativ elektricitet per elektron har fastställts genom ett flertal experiment och funnits vara 1,601 × 10-19 CL eller 4,803 x 10-10 elektrostatiska laddningar.

En uppfattning om antalet elektroner som flyter genom en tråd även vid relativt låga strömmar kan erhållas enligt följande. Eftersom elektronens laddning är 1,601 • 10-19 CL, är antalet elektroner som skapar en laddning lika med coulomben det reciproka av det givna, det vill säga det är ungefär lika med 6 • 1018.

En ström på 1 A motsvarar ett flöde på 1 C per sekund, och vid en ström på endast 1 μmka (10-12 A) genom trådens tvärsnitt, cirka 6 miljoner elektroner per sekund.Strömmar av sådan storlek är samtidigt så små att detektering och mätning är förknippad med betydande experimentella svårigheter.

Laddningen på en positiv jon är en heltalsmultipel av laddningen på en elektron, men har motsatt tecken. För partiklar som är ensamma joniserade visar sig laddningen vara lika med elektronens laddning.

Kärnans densitet är mycket högre än elektronens densitet. Det mesta av volymen som upptas av atomen som helhet är tom.

Begreppet elektriska fenomen

Genom att gnida ihop två olika kroppar, samt genom induktion, kan kropparna ges speciella egenskaper — elektriska. Sådana kroppar kallas elektrifierade.

De fenomen som är förknippade med samverkan mellan elektrifierade kroppar kallas elektriska fenomen.

Samspelet mellan elektrifierade kroppar bestäms av den sk Elektriska krafter som skiljer sig från krafter av annan karaktär genom att de får laddade kroppar att stöta bort och attrahera varandra, oavsett hastigheten på deras rörelse.

På detta sätt skiljer sig interaktionen mellan laddade kroppar, till exempel från den gravitationella, som endast kännetecknas av attraktionen av kroppar, eller från krafterna av magnetiskt ursprung, som beror på laddningarnas relativa rörelsehastighet, vilket orsakar magnetiska fenomen.

Elektroteknik studerar huvudsakligen lagarna för yttre manifestation av egenskaper elektrifierade organ — lagar för elektromagnetiska fält.

Spänning

På grund av den starka attraktionen mellan motsatta laddningar är de flesta material elektriskt neutrala. Det tar energi att separera de positiva och negativa laddningarna.

I fig. 1 visar två ledande, initialt oladdade plattor åtskilda på ett avstånd d.Det antas att utrymmet mellan plattorna är fyllt med en isolator, såsom luft, eller att de befinner sig i ett vakuum.

Ris. 1. Två ledande, initialt oladdade plattor: a — plattorna är elektriskt neutrala; b — laddning -Q överförs till bottenplattan (det finns en potentialskillnad och ett elektriskt fält mellan plattorna).

I fig. 1 är båda plattorna neutrala och den totala nollladdningen på den övre plattan kan representeras av summan av laddningarna +Q och -Q. I fig. Ib överförs laddningen -Q från den övre plattan till den nedre plattan. Om i fig. 1b, ansluter vi plattorna med en tråd, då kommer attraktionskrafterna för de motsatta laddningarna att göra att laddningen snabbt överförs tillbaka och vi kommer att återgå till situationen som visas i fig. 1, a. Positiva laddningar skulle flytta till den negativt laddade plattan och negativa laddningar till den positivt laddade plattan.

Vi säger att mellan de laddade plattorna som visas i fig. Ib finns det en potentialskillnad och att potentialen på den positivt laddade övre plattan är högre än på den negativt laddade undre plattan. I allmänhet finns det en potentialskillnad mellan två punkter om ledning mellan dessa punkter resulterar i laddningsöverföring.

Positiva laddningar rör sig från en punkt med hög potential till en punkt med låg potential, rörelseriktningen för negativa laddningar är motsatt - från en punkt med låg potential till en punkt med hög potential.

Enheten för att mäta potentialskillnaden är volt (V). Potentialskillnaden kallas spänning och betecknas vanligtvis med bokstaven U.

För att kvantifiera spänningen mellan två punkter används begreppet elektriskt fält… I det fall som visas i fig.Ib finns det ett enhetligt elektriskt fält mellan plattorna riktat från området med högre potential (från den positiva plattan) till området med lägre potential (till den negativa plattan).

Styrkan på detta fält, uttryckt i volt per meter, är proportionell mot laddningen på plattorna och kan beräknas utifrån fysikens lagar om fördelningen av laddningar är känd. Förhållandet mellan det elektriska fältets storlek och spänningen U mellan plattorna har formen U = E NS e (volt = volt / meter x meter).

Så övergången från en lägre potential till en högre motsvarar rörelsen mot fältets riktning. I en mer komplex struktur kanske det elektriska fältet inte är enhetligt överallt, och för att bestämma potentialskillnaden mellan två punkter, det är nödvändigt att upprepade gånger använder ekvationen U = E NS e.

Intervallet mellan punkterna av intresse för oss är uppdelat i många sektioner, som var och en är tillräckligt liten för att fältet ska vara enhetligt i det. Ekvationen appliceras sedan successivt på varje segment U = E NSe och potentialskillnaderna för varje sektion summeras. Således, för varje fördelning av laddningar och elektriska fält, kan du hitta potentialskillnaden mellan två valfria punkter.

Vid bestämning av potentialskillnaden är det nödvändigt att ange inte bara storleken på spänningen mellan två punkter, utan också vilken punkt som har den högsta potentialen. Men i elektriska kretsar som innehåller flera olika element är det inte alltid möjligt att i förväg avgöra vilken punkt som har högst potential. För att undvika förvirring är det nödvändigt att acceptera villkoret för tecken (Fig. 2).

Ris. 2... Fastställande av spänningspolaritet (spänningen kan vara positiv eller negativ).

Ett bipolärt kretselement representeras av en låda utrustad med två terminaler (fig. 2, a). Ledningarna som leder från lådan till terminalerna antas vara idealiska ledare för elektrisk ström. En terminal är markerad med ett plustecken, den andra med ett minustecken. Dessa tecken fixar den relativa polariteten. Spänning U i fig. 2, och bestäms av villkoret U = (potential för terminal «+») — (potential för terminal «-«).

I fig. 2b är de laddade plattorna anslutna till terminalerna så att «+»-terminalen ansluts till plattan med högre potential. Här är spänningen U ett positivt tal. I fig. 2 är «+»-terminalen ansluten till den nedre potentialplattan. Som ett resultat får vi en negativ spänning.

Det är viktigt att komma ihåg om den algebraiska formen av stressrepresentation. När polariteten väl har bestämts betyder en positiv spänning att «+»-uttaget har en (högre potential) och en negativ spänning betyder att «-»-uttaget har en högre potential.

Nuvarande

Det noterades ovan att positiva laddningsbärare rör sig från högpotentialområdet till lågpotentialområdet, medan negativa laddningsbärare rör sig från lågpotentialområdet till högpotentialområdet. Eventuell överföring av avgifter innebär utgång elektricitet.

I fig. 3 visar några enkla fall av elektriskt strömflöde, ytan är vald C och den tänkta positiva riktningen visas. Om över tiden dt genom sektionen S kommer den totala laddningen Q att passera i den valda riktningen, då blir strömmen I till S lika med I = dV/dT. Mätenheten för ström är ampere (A) (1A = 1C / s).

Ris. 3... Förhållandet mellan strömriktningen och flödesriktningen för mobilladdningar.Strömmen är positiv (a och b) om det resulterande flödet av positiva laddningar genom någon yta C sammanfaller med den valda riktningen. Strömmen är negativ (b och d) om det resulterande flödet av positiva laddningar över ytan är motsatt den valda riktningen.

Det uppstår ofta svårigheter att bestämma tecknet för den nuvarande Iz. Om de mobila laddningsbärarna är positiva, så beskriver den positiva strömmen den faktiska rörelsen av de mobila bärarna i den valda riktningen, medan den negativa strömmen beskriver flödet av mobila laddningsbärare motsatt den valda riktningen.

Om mobiloperatörerna är negativa måste du vara försiktig när du bestämmer strömriktningen. Betrakta fig. 3d där de negativa mobila laddningsbärarna korsar S i den valda riktningen. Antag att varje bärare har laddning -q och att flödet genom S är n bärare per sekund. Under dt är den totala passagen av laddningar C i den valda riktningen blir dV = -n NS q NS dt, vilket motsvarar strömmen I = dV/dT.

Därför är strömmen i fig. 3d negativ. Dessutom sammanfaller denna ström med strömmen som skapas av rörelsen av positiva bärare med laddning + q genom ytan S med en hastighet av n bärare per sekund i motsatt riktning mot den valda (fig. 3, b). Således återspeglas tvåsiffriga avgifter i den tvåsiffriga strömmen. För de flesta fall i elektroniska kretsar är strömtecknet signifikant och det spelar ingen roll vilka laddningsbärare (positiva eller negativa) som bär den strömmen. Därför, när de talar om elektrisk ström, antar de därför att laddningsbärarna är positiva (se — Den elektriska strömmens riktning).

I halvledarenheter är dock skillnaden mellan positiva och negativa laddningsbärare avgörande för enhetens funktion.En detaljerad undersökning av funktionen hos dessa enheter bör tydligt särskilja tecknen på mobila laddningsbärare. Konceptet med en ström som flyter genom ett visst område kan lätt generaliseras till en ström genom ett kretselement.

I fig. 4 visar ett bipolärt element. Riktningen för den positiva strömmen visas med en pil.

Ris. 4. Ström genom ett kretselement. Laddningar kommer in i cellen genom terminal A med en hastighet i (coulombs per sekund) och lämnar cellen genom terminal A' med samma hastighet.

Om en positiv ström flyter genom ett kretselement kommer en positiv laddning in i terminal A med en hastighet av i coulombs per sekund. Men, som redan nämnts, förblir material (och kretselement) vanligtvis elektriskt neutrala. (Även en "laddad" cell i fig. 1 har noll total laddning.) Därför, om laddning strömmar in i cellen genom terminal A, måste en lika stor mängd laddning samtidigt strömma ut ur cellen genom terminal A'. Denna kontinuitet av elektrisk strömflöde genom kretselementet följer av neutraliteten hos elementet som helhet.

Kraft

Varje bipolärt element i en krets kan ha en spänning mellan sina terminaler och ström kan flyta genom den. Tecknen på ström och spänning kan bestämmas oberoende, men det finns ett viktigt fysiskt förhållande mellan polariteterna för spänning och ström, för att klargöra vilka ytterligare villkor vanligtvis tas.

I fig. 4 visar hur de relativa polariteterna för spänning och ström bestäms. När den aktuella riktningen är vald flyter den in i «+»-terminalen. När detta ytterligare villkor är uppfyllt kan en viktig elektrisk kvantitet – elektrisk effekt – bestämmas. Betrakta kretselementet i fig. 4.

Om spänningen och strömmen är positiva, så finns det ett kontinuerligt flöde av positiva laddningar från en punkt med hög potential till en punkt med låg potential. För att upprätthålla detta flöde är det nödvändigt att separera de positiva laddningarna från de negativa och införa dem i «+»-terminalen. Denna kontinuerliga separation kräver en kontinuerlig energiförbrukning.

När laddningar passerar genom elementet frigör de denna energi. Och eftersom energi måste lagras frigörs den antingen i kretselementet som värme (till exempel i en brödrost) eller lagras i den (till exempel vid laddning av ett bilbatteri). Den hastighet med vilken denna energiomvandling sker kallas kraft och bestäms av uttrycket P = U NS Az (watt = volt x ampere).

Måttenheten för effekt är watt (W), vilket motsvarar omvandlingen av 1 J energi till 1 s. Effekt lika med produkten av spänning och ström med de polariteter som definieras i fig. 4 är en algebraisk storhet.

Om P > 0, som i ovanstående fall, försvinner eller absorberas effekt i elementet. Om P < 0, så levererar elementet i detta fall ström till kretsen i vilken det är anslutet.

Resistiva element

För varje kretselement kan du skriva ett specifikt förhållande mellan plintspänningen och strömmen genom elementet. Ett resistivt element är ett element för vilket förhållandet mellan spänning och ström kan ritas upp. Denna graf kallas ström-spänningskarakteristiken. Ett exempel på en sådan egenskap visas i fig. 5.

Ris. 5. Strömspänningskarakteristik för ett resistivt element

Om spänningen vid terminalerna på element D är känd, kan grafen bestämma strömmen genom element D.På samma sätt, om strömmen är känd, kan spänningen bestämmas.

Perfekt motstånd

Det ideala motståndet (eller motståndet) är linjärt resistivt element… Per definition av linjäritet är förhållandet mellan spänning och ström i ett linjärt resistivt element sådant att när strömmen fördubblas, fördubblas också spänningen. I allmänhet bör spänningen vara proportionell mot strömmen.

Det proportionella förhållandet mellan spänning och ström kallas Ohms lag för en del av en krets och skrivs på två sätt: U = I NS R, där R är elementets resistans, och I = G NS U, där G = I / R är elementets konduktivitet. Motståndsenheten är ohm (ohm), och enheten för konduktivitet är siemens (cm).

Strömspänningskarakteristiken för det ideala motståndet visas i fig. 6. Grafen är en rät linje genom origo med en lutning lika med Az/R.

Ris. 6. Beteckning (a) och ström-spänningskarakteristik (b) för ett idealiskt motstånd.

Kraft med perfekt motstånd

Uttrycker kraften som absorberas av det ideala motståndet:

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

Precis som den absorberade effekten, i en ideal resistans, beror på kvadraten på strömmen (eller spänningen), beror tecknet på den absorberade effekten v i ett idealiskt motstånd på tecknet på R. Även om negativa resistansvärden ibland används när man simulerar vissa typer av enheter som fungerar i vissa lägen är alla verkliga motstånd vanligtvis positiva. För dessa motstånd är den absorberade kraften alltid positiv.

Den elektriska energi som absorberas av motståndet, enl lagen om energibevarande, Måste NSomvandlas till andra arter.Oftast omvandlas elektrisk energi till värmeenergi, kallad Joule-värme. Utsöndringshastighet joule värme när det gäller resistans matchar den hastigheten för absorption av elektrisk energi. Undantag är de resistiva element (till exempel en glödlampa eller högtalare), där en del av den absorberade energin omvandlas till andra former (ljus- och ljudenergi).

Inbördes samband mellan de huvudsakliga elektriska storheterna

För likström visas grundenheterna i fig. 7.

Ris. 7. Inbördes samband mellan de huvudsakliga elektriska storheterna

Fyra grundläggande enheter - ström, spänning, resistans och effekt - är sammankopplade av tillförlitligt etablerade relationer, vilket gör att vi kan göra inte bara direkta utan också indirekta mätningar eller att beräkna de värden vi behöver från andra uppmätta. Så för att mäta spänningen i en del av kretsen måste man ha en voltmeter, men även i dess frånvaro, genom att känna till strömmen i kretsen och strömresistansen i det här avsnittet, kan du beräkna värdet på spänningen.