Osnovne električne veličine: naboj, napetost, tok, moč, upor

Osnovne električne veličine: tok, napetost, upor in moč.

Polnjenje

Najpomembnejši fizikalni pojav v električnih tokokrogih je gibanje električni naboj… V naravi obstajata dve vrsti nabojev – pozitivni in negativni. Enakomerni naboji se privlačijo, podobni naboji odbijajo. To vodi v dejstvo, da obstaja težnja po združevanju pozitivnih nabojev z negativnimi v enakih količinah.

Atom je sestavljen iz pozitivno nabitega jedra, ki ga obdaja oblak negativno nabitih elektronov. Skupni negativni naboj v absolutni vrednosti je enak pozitivnemu naboju jedra. Zato ima atom ničelni skupni naboj, prav tako naj bi bil električno nevtralen.

V materialih, ki lahko držijo elektrika, so nekateri elektroni ločeni od atomov in se lahko gibljejo v prevodnem materialu. Te elektrone imenujemo mobilni naboji ali nosilci naboja.

Ker je vsak atom v začetnem stanju nevtralen, po ločitvi negativno nabitega elektrona postane pozitivno nabit ion.Pozitivni ioni se ne morejo prosto gibati in tvorijo sistem stacionarnih, fiksnih nabojev (glej — Katere snovi prevajajo elektriko).

V polprevodnikihki predstavljajo pomemben razred materialov, se lahko mobilni elektroni premikajo na dva načina: ali pa se elektroni preprosto obnašajo kot negativno nabiti nosilci. Ali pa se kompleksna zbirka številnih elektronov premika tako, kot da bi bili v materialu pozitivno nabiti mobilni nosilci. Fiksni stroški so lahko katerega koli značaja.

Prevodne materiale si lahko predstavljamo kot materiale, ki vsebujejo mobilne nosilce naboja (ki imajo lahko enega od dveh predznakov) in fiksne naboje nasprotne polarnosti.

Obstajajo tudi materiali, imenovani izolatorji, ki ne prevajajo električnega toka. Vsi naboji v izolatorju so fiksni. Primeri izolatorjev so zrak, sljuda, steklo, tanke plasti oksidov, ki se tvorijo na površinah številnih kovin, in seveda vakuum (v katerem sploh ni nabojev).

Naboj se meri v kulonih (C) in je običajno označen s Q.

Količina naboja ali količina negativne elektrike na elektron je bila ugotovljena s številnimi poskusi in ugotovljeno je bilo, da je 1,601 × 10-19 CL ali 4,803 x 10-10 elektrostatičnih nabojev.

Nekaj ​​predstave o številu elektronov, ki tečejo skozi žico tudi pri relativno nizkih tokovih, lahko dobite na naslednji način. Ker je naboj elektrona 1,601 • 10-19 CL, potem je število elektronov, ki ustvarjajo naboj, enak kulonu, recipročna vrednost danega, to je približno enako 6 • 1018.

Tok 1 A ustreza pretoku 1 C na sekundo, pri toku samo 1 μmka (10-12 A) skozi presek žice pa približno 6 milijonov elektronov na sekundo.Tokovi takšne velikosti so hkrati tako majhni, da je njihovo odkrivanje in merjenje povezano s precejšnjimi eksperimentalnimi težavami.

Naboj pozitivnega iona je celo število večkratnik naboja elektrona, vendar ima nasprotni predznak. Za delce, ki so enkrat ionizirani, se izkaže, da je naboj enak naboju elektrona.

Gostota jedra je veliko večja od gostote elektrona.Večina prostornine, ki jo zaseda atom kot celota, je prazna.

Pojem električnih pojavov

Z drgnjenjem dveh različnih teles skupaj, kakor tudi z indukcijo, se da telesoma dati posebne lastnosti — električne. Takšna telesa imenujemo elektrificirana.

Pojavi, povezani z medsebojnim delovanjem naelektrenih teles, se imenujejo električni pojavi.

Interakcija med naelektrenimi telesi je določena s t.i Električne sile, ki se od sil druge narave razlikujejo po tem, da povzročijo, da se naelektrena telesa odbijajo in privlačijo, ne glede na hitrost njihovega gibanja.

Na ta način se interakcija med naelektrenimi telesi razlikuje na primer od gravitacijske, za katero je značilno samo privlačnost teles, ali od sil magnetnega izvora, ki so odvisne od relativne hitrosti gibanja nabojev, kar povzroča magnetno pojavov.

Elektrotehnika preučuje predvsem zakonitosti zunanje manifestacije lastnosti naelektrena telesa — zakoni elektromagnetnih polj.

Napetost

Zaradi močne privlačnosti med nasprotnimi naboji je večina materialov električno nevtralnih. Za ločitev pozitivnih in negativnih nabojev je potrebna energija.

Na sl. 1 prikazuje dve prevodni, sprva nenaelektreni plošči, med seboj oddaljeni na razdalji d.Predpostavlja se, da je prostor med ploščama zapolnjen z izolatorjem, kot je zrak, ali pa so v vakuumu.

riž. 1. Dve prevodni, sprva nenabiti plošči: a — plošči sta električno nevtralni; b — naboj -Q se prenese na spodnjo ploščo (med ploščama je potencialna razlika in električno polje).

Na sl. 1 sta obe plošči nevtralni in skupni ničelni naboj na zgornji plošči je lahko predstavljen z vsoto nabojev +Q in -Q. Na sl. 1b se naboj -Q prenese z zgornje plošče na spodnjo ploščo. Če je na sl. 1b, plošči povežemo z žico, potem bodo sile privlačnosti nasprotnih nabojev povzročile hiter prenos naboja nazaj in vrnili se bomo v stanje, prikazano na sl. 1, a. Pozitivni naboji bi se premaknili na negativno nabito ploščo, negativni naboji pa na pozitivno nabito ploščo.

Pravimo, da je med naelektrenimi ploščami, prikazanimi na sl. 1b obstaja potencialna razlika in da je na pozitivno nabiti zgornji plošči potencial višji kot na negativno nabiti spodnji plošči. Na splošno obstaja potencialna razlika med dvema točkama, če prevodnost med tema točkama povzroči prenos naboja.

Pozitivni naboji se gibljejo od točke visokega potenciala do točke nizkega potenciala, smer gibanja negativnih nabojev je nasprotna — od točke nizkega potenciala do točke visokega potenciala.

Enota za merjenje potencialne razlike je volt (V). Razlika potenciala se imenuje napetost in jo običajno označimo s črko U.

Za kvantificiranje napetosti med dvema točkama se uporablja koncept električno polje… V primeru, prikazanem na sl.1b je med ploščama enakomerno električno polje, usmerjeno iz področja višjega potenciala (od pozitivne plošče) do območja nižjega potenciala (na negativno ploščo).

Jakost tega polja, izražena v voltih na meter, je sorazmerna z nabojem na ploščah in jo je mogoče izračunati iz fizikalnih zakonov, če je porazdelitev nabojev znana. Razmerje med velikostjo električnega polja in napetostjo U med ploščama ima obliko U = E NS e (volt = volt / meter x meter).

Torej prehod od nižjega potenciala do višjega ustreza gibanju proti smeri polja.V bolj zapleteni strukturi električno polje morda ni enakomerno povsod in da bi določili potencialno razliko med dvema točkama, potrebno je večkrat uporabiti enačbo U = E NS e.

Interval med točkami, ki nas zanimajo, je razdeljen na številne odseke, od katerih je vsak dovolj majhen, da je polje v njem enotno. Enačba se nato zaporedno uporabi za vsak segment U = E NS e in potencialne razlike za vsak odsek se seštejejo. Tako lahko za vsako porazdelitev nabojev in električnih polj najdete potencialno razliko med katerima koli točkama.

Pri določanju potencialne razlike je treba navesti ne le velikost napetosti med dvema točkama, temveč tudi, katera točka ima največji potencial. Vendar pa v električnih tokokrogih, ki vsebujejo več različnih elementov, ni vedno mogoče vnaprej določiti, katera točka ima največji potencial. Da bi se izognili zmedi, je treba sprejeti pogoj za znake (slika 2).

riž. 2… Določanje polaritete napetosti (napetost je lahko pozitivna ali negativna).

Bipolarni element vezja je predstavljen s škatlo, opremljeno z dvema terminaloma (slika 2, a). Predpostavlja se, da so linije, ki vodijo od škatle do sponk, idealni prevodniki električnega toka. En terminal je označen z znakom plus, drugi z znakom minus. Ti znaki določajo relativno polarnost. Napetost U na sl. 2, in je določen s pogojem U = (potencial sponke «+») — (potencial sponke «-«).

Na sl. 2b so naelektrene plošče povezane s sponkami tako, da je sponka «+» povezana s ploščo z višjim potencialom. Tukaj je napetost U pozitivno število. Na sl. 2 je priključek «+» priključen na ploščo z nižjim potencialom. Posledično dobimo negativno napetost.

Pomembno si je zapomniti algebraično obliko predstavitve napetosti. Ko je polarnost določena, pozitivna napetost pomeni, da ima priključek «+» (višji potencial), negativna napetost pa pomeni, da ima priključek «-» večji potencial.

Trenutno

Zgoraj je bilo omenjeno, da se pozitivni nosilci naboja premikajo iz območja z visokim potencialom v območje z nizkim potencialom, medtem ko se nosilci negativnega naboja premikajo iz območja z nizkim potencialom v območje z visokim potencialom. Vsak prenos nadomestil pomeni potek elektrika.

Na sl. 3 prikazuje nekaj preprostih primerov toka električnega toka, površina je izbrana C in prikazana je namišljena pozitivna smer. Če bo skozi čas dt skozi odsek S skupni naboj Q šel v izbrani smeri, bo tok I skozi S enak I = dV/dT. Merska enota za tok je amper (A) (1A = 1C/s).

riž. 3… Razmerje med smerjo toka in smerjo toka mobilnih nabojev.Tok je pozitiven (a in b), če nastali tok pozitivnih nabojev skozi neko površino C sovpada z izbrano smerjo. Tok je negativen (b in d), če je nastali tok pozitivnih nabojev po površini nasproten izbrani smeri.

Pogosto se pojavijo težave pri določanju predznaka toka Iz. Če so mobilni nosilci naboja pozitivni, potem pozitivni tok opisuje dejansko gibanje mobilnih nosilcev v izbrani smeri, negativni tok pa opisuje tok mobilnih nosilcev naboja nasproti izbrani smeri.

Če so mobilni operaterji negativni, morate biti previdni pri določanju smeri toka. Razmislite o sl. 3d, v katerem negativni mobilni nosilci naboja prečkajo S v izbrani smeri. Predpostavimo, da ima vsak nosilec naboj -q in je pretok skozi S n nosilcev na sekundo. Med dt bo skupni prehod nabojev C v izbrani smeri dV = -n NS q NS dt, kar ustreza toku I = dV/ dT.

Zato je tok na sliki 3d negativen. Poleg tega ta tok sovpada s tokom, ki nastane zaradi gibanja pozitivnih nosilcev z nabojem + q skozi površino S s hitrostjo n nosilcev na sekundo v smeri, nasprotni izbrani (sl. 3, b). Tako se dvomestni naboji odražajo v dvomestnem toku. Za večino primerov v elektronskih vezjih je predznak toka pomemben in ni pomembno, kateri nosilci naboja (pozitivni ali negativni) prenašajo ta tok. Zato pogosto, ko govorijo o električnem toku, predpostavljajo, da so nosilci naboja pozitivni (glej - Smer električnega toka).

Pri polprevodniških napravah pa je razlika med pozitivnimi in negativnimi nosilci naboja kritična za delovanje naprave.Podroben pregled delovanja teh naprav bi moral jasno razlikovati znake mobilnih nosilcev polnjenja. Koncept toka, ki teče skozi določeno območje, je mogoče enostavno posplošiti na tok skozi element vezja.

Na sl. 4 prikazuje bipolarni element. Smer pozitivnega toka je prikazana s puščico.

riž. 4. Tok skozi element vezja. Naboji vstopijo v celico skozi terminal A s hitrostjo i (kulonov na sekundo) in zapustijo celico skozi terminal A' z enako hitrostjo.

Če pozitivni tok teče skozi element vezja, pozitivni naboj vstopi v terminal A s hitrostjo i kulonov na sekundo. Toda, kot že omenjeno, materiali (in elementi vezja) običajno ostanejo električno nevtralni. (Celo »nabita« celica na sliki 1 ima skupni naboj nič.) Če torej naboj teče v celico skozi terminal A, mora enaka količina naboja istočasno odteči iz celice skozi terminal A'. Ta kontinuiteta toka električnega toka skozi element vezja izhaja iz nevtralnosti elementa kot celote.

Moč

Vsak bipolarni element v vezju ima lahko napetost med svojimi sponkami in tok lahko teče skozi njega. Predznake toka in napetosti je mogoče določiti neodvisno, vendar obstaja pomembna fizikalna povezava med polarnostmi napetosti in toka, za razjasnitev katere se običajno upošteva nekaj dodatnih pogojev.

Na sl. 4 prikazuje, kako sta določeni relativni polariteti napetosti in toka. Ko je izbrana smer toka, teče v sponko «+». Ko je ta dodatni pogoj izpolnjen, je mogoče določiti pomembno električno količino – električno moč. Razmislite o elementu vezja na sl. 4.

Če sta napetost in tok pozitivna, potem obstaja neprekinjen tok pozitivnih nabojev od točke visokega potenciala do točke nizkega potenciala. Da bi ohranili ta tok, je potrebno ločiti pozitivne naboje od negativnih in jih vnesti v terminal «+». To nenehno ločevanje zahteva stalno porabo energije.

Ko naboji prehajajo skozi element, sprostijo to energijo. In ker je treba energijo shraniti, se sprosti v elementu vezja kot toplota (na primer v opekaču kruha) ali se shrani v njem (na primer pri polnjenju avtomobilskega akumulatorja). Hitrost, pri kateri pride do te pretvorbe energije, se imenuje moč in je določen z izrazom P = U NS Az (vati = volti x amperi).

Merska enota za moč je vat (W), kar ustreza pretvorbi 1 J energije v 1 s. Moč je enaka zmnožku napetosti in toka s polarnostmi, opredeljenimi na sl. 4 je algebraična količina.

Če je P > 0, kot v zgornjem primeru, se moč razprši ali absorbira v elementu. Če je P < 0, potem v tem primeru element napaja tokokrog, v katerega je priključen.

Uporovni elementi

Za vsak element vezja lahko zapišete specifično razmerje med napetostjo na sponki in tokom skozi element. Uporovni element je element, za katerega je mogoče narisati razmerje med napetostjo in tokom. Ta graf se imenuje tokovno-napetostna karakteristika. Primer takšne lastnosti je prikazan na sl. 5.

riž. 5. Tokovno-napetostna karakteristika uporovnega elementa

Če je napetost na sponkah elementa D znana, lahko graf določi tok skozi element D.Podobno, če je tok znan, je mogoče določiti napetost.

Popolna odpornost

Idealen upor (ali upor) je linearni uporovni element… Po definiciji linearnosti je razmerje med napetostjo in tokom v linearnem uporovnem elementu takšno, da ko se tok podvoji, se podvoji tudi napetost. Na splošno mora biti napetost sorazmerna s tokom.

Sorazmerno razmerje med napetostjo in tokom se imenuje Ohmov zakon za odsek vezja in je zapisan na dva načina: U = I NS R, kjer je R upornost elementa, in I = G NS U, kjer je G = I / R prevodnost elementa. Enota za upor je ohm (ohm), enota za prevodnost pa siemens (cm).

Tokovno-napetostna karakteristika idealnega upora je prikazana na sl. 6. Graf je ravna črta skozi izhodišče z naklonom, ki je enak Az/R.

riž. 6. Oznaka (a) in tokovno-napetostna karakteristika (b) idealnega upora.

Moč s popolno odpornostjo

Izražanje moči, ki jo absorbira idealni upor:

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

Tako kot je absorbirana moč v idealnem uporu odvisna od kvadrata toka (ali napetosti), je predznak absorbirane moči v v idealnem uporu odvisen od predznaka R. Čeprav se včasih uporabljajo negativne vrednosti upora pri simulaciji določenih vrst naprav, ki delujejo v določenih načinih, so vsi realni upori običajno pozitivni. Za te upore je absorbirana moč vedno pozitivna.

Električna energija, ki jo absorbira upor, v skladu z zakon o ohranitvi energije, se mora NStransformirati v druge vrste.Najpogosteje se električna energija pretvarja v toplotno energijo, imenovano joulova toplota. Stopnja izločanja joulova toplota glede upora se ujema s hitrostjo absorpcije električne energije. Izjema so tisti uporovni elementi (npr. žarnica ali zvočnik), kjer se del absorbirane energije pretvori v druge oblike (svetlobna in zvočna energija).

Medsebojna povezanost glavnih električnih veličin

Za enosmerni tok so osnovne enote prikazane na sl. 7.

riž. 7. Medsebojna povezanost glavnih električnih veličin

Štiri osnovne enote — tok, napetost, upor in moč — so med seboj povezane z zanesljivo vzpostavljenimi razmerji, kar nam omogoča ne samo neposredne, temveč tudi posredne meritve ali izračunavanje potrebnih vrednosti iz drugih izmerjenih. Torej, za merjenje napetosti v delu tokokroga je treba imeti voltmeter, vendar tudi v njegovi odsotnosti, če poznate tok v tokokrogu in tokovni upor v tem odseku, lahko izračunate vrednost napetosti.