Основне електричне величине: наелектрисање, напон, струја, снага, отпор

Основне електричне величине: струја, напон, отпор и снага.

Пуњење

Најважнија физичка појава у електричним колима је кретање наелектрисање… У природи постоје две врсте наелектрисања — позитивна и негативна. Као наелектрисања привлаче, као што се одбијају. То доводи до чињенице да постоји тенденција груписања позитивних набоја са негативним у једнаким количинама.

Атом се састоји од позитивно наелектрисаног језгра окруженог облаком негативно наелектрисаних електрона. Укупно негативно наелектрисање у апсолутној вредности је једнако позитивном наелектрисању језгра. Дакле, атом има нулти укупни набој, такође се каже да је електрично неутралан.

У материјалима који могу да држе електрична енергија, неки електрони су одвојени од атома и имају способност да се крећу у проводном материјалу. Ови електрони се називају покретни набоји или носиоци наелектрисања.

Пошто је сваки атом у почетном стању неутралан, након одвајања негативно наелектрисаног електрона, он постаје позитивно наелектрисан јон.Позитивни јони не могу слободно да се крећу и формирају систем стационарних, фиксних наелектрисања (видети - Које супстанце проводе струју).

У полупроводницимакоји чине важну класу материјала, мобилни електрони се могу кретати на два начина: или се електрони једноставно понашају као негативно наелектрисани носиоци. Или се комплексна колекција многих електрона креће на такав начин као да у материјалу постоје позитивно наелектрисани мобилни носачи. Фиксне накнаде могу бити било којег карактера.

Проводни материјали се могу сматрати материјалима који садрже мобилне носиоце наелектрисања (који могу имати један од два знака) и фиксна наелектрисања супротног поларитета.

Постоје и материјали који се називају изолатори који не проводе струју. Сва пуњења у изолатору су фиксна. Примери изолатора су ваздух, лискун, стакло, танки слојеви оксида који се формирају на површинама многих метала и, наравно, вакуум (у коме уопште нема наелектрисања).

Наелектрисање се мери у кулонима (Ц) и обично се означава са К.

Количина наелектрисања или количина негативног електрицитета по електрону утврђена је кроз бројне експерименте и утврђено је да износи 1,601 × 10-19 ЦЛ или 4,803 к 10-10 електростатичких наелектрисања.

Нека идеја о броју електрона који пролазе кроз жицу чак и при релативно малим струјама може се добити на следећи начин. Пошто је наелектрисање електрона 1,601 • 10-19 ЦЛ, онда је број електрона који стварају наелектрисање једнако кулону реципрочан од датог, односно приближно је једнак 6 • 1018.

Струја од 1 А одговара протоку од 1 Ц у секунди, а при струји од само 1 μмка (10-12 А) кроз попречни пресек жице, приближно 6 милиона електрона у секунди.Струје такве величине су у исто време толико мале да је њихово откривање и мерење повезано са значајним експерименталним потешкоћама.

Наелектрисање позитивног јона је цео број вишекратник наелектрисања на електрону, али има супротан предзнак. За честице које су једноструко јонизоване, испоставља се да је наелектрисање једнако наелектрисању електрона.

Густина језгра је много већа од густине електрона.Већина запремине коју заузима атом у целини је празна.

Појам електричних појава

Трљањем два различита тела заједно, као и индукцијом, телима се могу дати посебна својства — електрична. Таква тела се називају наелектрисана.

Појаве повезане са интеракцијом наелектрисаних тела називају се електричних појава.

Интеракција између наелектрисаних тела одређена је тзв Електричне силе које се разликују од сила друге природе по томе што узрокују да се наелектрисана тела одбијају и привлаче, без обзира на брзину њиховог кретања.

На овај начин се интеракција између наелектрисаних тела разликује, на пример, од гравитационе, коју карактерише само привлачење тела, или од сила магнетног порекла, које зависе од релативне брзине кретања наелектрисања, изазивајући магнетно феномени.

Електротехника углавном проучава законитости спољашњег испољавања својстава наелектрисана тела — закони електромагнетних поља.

Волтажа

Због снажне привлачности између супротних наелектрисања, већина материјала је електрично неутрална. Потребна је енергија за раздвајање позитивних и негативних наелектрисања.

На сл. 1 приказује две проводљиве, првобитно ненаелектрисане плоче размакнуте на растојању д.Претпоставља се да је простор између плоча испуњен изолатором, као што је ваздух, или се налазе у вакууму.

Пиринач. 1. Две проводне, у почетку ненаелектрисане плоче: а — плоче су електрично неутралне; б — наелектрисање -К се преноси на доњу плочу (постоји разлика потенцијала и електрично поље између плоча).

На сл. 1, обе плоче су неутралне, а укупно нулто наелектрисање на горњој плочи може се представити збиром наелектрисања +К и -К. На сл. 1б, наелектрисање -К се преноси са горње плоче на доњу плочу. Ако на сл. 1б, повезујемо плоче жицом, тада ће силе привлачења супротних наелектрисања проузроковати да се наелектрисање брзо пренесе назад и вратићемо се на ситуацију приказану на сл. 1, а. Позитивна наелектрисања би се померила на негативно наелектрисану плочу, а негативна на позитивно наелектрисану плочу.

Кажемо да између наелектрисаних плоча приказаних на Сл. 1б, постоји разлика потенцијала и да је на позитивно наелектрисаној горњој плочи потенцијал већи него на негативно наелектрисаној доњој плочи. Генерално, постоји разлика потенцијала између две тачке ако провод између тих тачака резултира преносом наелектрисања.

Позитивна наелектрисања се крећу од тачке високог потенцијала до тачке ниског потенцијала, смер кретања негативних наелектрисања је супротан — од тачке ниског потенцијала до тачке високог потенцијала.

Јединица за мерење разлике потенцијала је волт (В). Разлика потенцијала се назива напон и обично се означава словом У.

Да би се квантификовала напетост између две тачке, користи се концепт електрично поље… У случају приказаном на сл.1б, постоји једнолично електрично поље између плоча усмерено из области вишег потенцијала (од позитивне плоче) ка области нижег потенцијала (до негативне плоче).

Јачина овог поља, изражена у волтима по метру, пропорционална је наелектрисању на плочама и може се израчунати из закона физике ако је позната расподела наелектрисања. Однос између величине електричног поља и напона У између плоча има облик У = Е НС е (волт = волт / метар к метар).

Дакле, прелаз са нижег потенцијала на већи одговара кретању против смера поља.У сложенијој структури електрично поље можда није свуда једнолично, а да би се одредила разлика потенцијала између две тачке, потребно је више пута користити једначину У = Е НС е.

Интервал између тачака које нас занимају подељен је на много делова, од којих је сваки довољно мали да поље у њему буде једнолично. Једначина се затим сукцесивно примењује на сваки сегмент У = Е НС е и потенцијалне разлике за сваки део се сумирају. Дакле, за било коју расподелу наелектрисања и електричних поља, можете пронаћи разлику потенцијала између било које две тачке.

Приликом одређивања разлике потенцијала потребно је назначити не само величину напона између две тачке, већ и која тачка има највећи потенцијал. Међутим, у електричним колима која садрже неколико различитих елемената, није увек могуће унапред одредити која тачка има највећи потенцијал. Да не би дошло до забуне, потребно је прихватити услов за знакове (слика 2).

Пиринач. 2… Одређивање поларитета напона (напон може бити позитиван или негативан).

Елемент биполарног кола је представљен кутијом опремљеном са два терминала (слика 2, а). Претпоставља се да су водови који воде од кутије до терминала идеални проводници електричне струје. Један терминал је означен знаком плус, други знаком минус. Ови знакови фиксирају релативни поларитет. Напон У на сл. 2, а одређен је условом У = (потенцијал терминала «+») — (потенцијал терминала «-«).

На сл. 2б, наелектрисане плоче су повезане са терминалима тако да је терминал «+» повезан са плочом са већим потенцијалом. Овде је напон У позитиван број. На сл. 2, терминал «+» је повезан са доњом потенцијалном плочом. Као резултат, добијамо негативан напон.

Важно је запамтити алгебарски облик представљања напрезања. Када је поларитет одређен, позитиван напон значи да терминал «+» има (већи потенцијал), а негативан напон значи да терминал «-» има већи потенцијал.

Тренутни

Горе је примећено да се носиоци позитивног наелектрисања крећу из региона високог потенцијала у регион са ниским потенцијалом, док се носиоци негативног наелектрисања крећу из региона ниског потенцијала у регион високог потенцијала. Сваки пренос такси значи истек електрична енергија.

На сл. На слици 3 приказани су неки једноставни случајеви тока електричне струје, површина је изабрана Ц и приказан је замишљени позитивни правац. Ако током времена дт кроз пресек С, укупно наелектрисање К прође у изабраном правцу, тада ће струја И кроз С бити једнака И = дВ/дТ. Јединица за мерење струје је ампер (А) (1А = 1Ц / с).

Пиринач. 3... Однос између правца струје и смера тока мобилних наелектрисања.Струја је позитивна (а и б) ако се резултујући ток позитивних наелектрисања кроз неку површину Ц поклапа са изабраним правцем. Струја је негативна (б и д) ако је резултујући ток позитивних наелектрисања преко површине супротан изабраном правцу.

Често се јављају потешкоће у одређивању знака тренутног Из. Ако су мобилни носиоци набоја позитивни, онда позитивна струја описује стварно кретање мобилних носача у изабраном правцу, док негативна струја описује ток мобилних носача наелектрисања супротно изабраном правцу.

Ако су мобилни оператери негативни, морате бити опрезни приликом одређивања правца струје. Размотрите сл. 3д на којој негативни мобилни носиоци наелектрисања прелазе С у изабраном правцу. Претпоставимо да сваки носилац има наелектрисање -к и да је брзина протока кроз С н носилаца у секунди. Током дт је укупан пролазак наелектрисања Ц у изабраном правцу биће дВ = -н НС к НС дт, што одговара струји И = дВ/ дТ.

Према томе, струја на сл.3д је негативна. Штавише, ова струја се поклапа са струјом створеном кретањем позитивних носилаца са наелектрисањем + к кроз површину С брзином од н носилаца у секунди у смеру супротном од изабраног (слика 3, б). Дакле, двоцифрена наелектрисања се одражавају у двоцифреној струји. За већину случајева у електронским колима, предзнак струје је значајан и није битно који носиоци наелектрисања (позитивни или негативни) носе ту струју. Стога, често када говоре о електричној струји, претпостављају да су носиоци наелектрисања позитивни (видети - Смер електричне струје).

У полупроводничким уређајима, међутим, разлика између позитивних и негативних носилаца наелектрисања је критична за рад уређаја.Детаљно испитивање рада ових уређаја требало би јасно разликовати знаке мобилних носача набоја. Концепт струје која тече кроз одређено подручје може се лако генерализовати на струју кроз елемент кола.

На сл. 4 приказује биполарни елемент. Смер позитивне струје је приказан стрелицом.

Пиринач. 4. Струја кроз елемент кола. Наелектрисања улазе у ћелију кроз терминал А брзином и (кулона у секунди) и напуштају ћелију кроз терминал А' истом брзином.

Ако позитивна струја тече кроз елемент кола, позитивно наелектрисање улази у терминал А брзином од и кулона у секунди. Али, као што је већ напоменуто, материјали (и елементи кола) обично остају електрично неутрални. (Чак и „напуњена“ ћелија на слици 1 има нулти укупни набој.) Према томе, ако наелектрисање тече у ћелију кроз терминал А, једнака количина наелектрисања мора истовремено да тече из ћелије кроз терминал А'. Овај континуитет струјања електричне струје кроз елемент кола произилази из неутралности елемента као целине.

Снага

Сваки биполарни елемент у колу може имати напон између својих терминала и струја може тећи кроз њега. Знаци струје и напона се могу одредити независно, али постоји важан физички однос између поларитета напона и струје, за чије појашњење се обично узимају неки додатни услови.

На сл. 4 показује како се одређују релативни поларитети напона и струје. Када је одабран смер струје, она тече у терминал «+». Када се испуни овај додатни услов, може се одредити важна електрична величина — електрична снага. Размотрите елемент кола на Сл. 4.

Ако су напон и струја позитивни, онда постоји континуиран ток позитивних наелектрисања од тачке високог потенцијала до тачке ниског потенцијала. За одржавање овог протока потребно је одвојити позитивна наелектрисања од негативних и увести их у терминал «+». Ово континуирано раздвајање захтева континуирано трошење енергије.

Како наелектрисања пролазе кроз елемент, они ослобађају ову енергију. А пошто енергија мора да се складишти, она се или ослобађа у елементу кола као топлота (на пример, у тостеру) или се складишти у њему (на пример, када се пуни акумулатор аутомобила). Брзина којом се ова конверзија енергије јавља назива се снага а одређује се изразом П = У НС Аз (вати = волти к ампери).

Јединица за мерење снаге је ват (В), што одговара конверзији 1 Ј енергије у 1 с. Снага једнака производу напона и струје са поларитетима дефинисаним на сл. 4 је алгебарска величина.

Ако је П > 0, као у горњем случају, снага се расипа или апсорбује у елементу. Ако је П < 0, онда у овом случају елемент напаја струјно коло у које је прикључен.

Отпорни елементи

За сваки елемент кола можете написати специфичан однос између напона на терминалу и струје кроз елемент. Отпорни елемент је елемент за који се може нацртати однос између напона и струје Овај график се назива струјно-напонска карактеристика. Пример такве карактеристике је приказан на сл. 5.

Пиринач. 5. Струјно-напонска карактеристика отпорног елемента

Ако је познат напон на терминалима елемента Д, онда график може одредити струју кроз елемент Д.Исто тако, ако је струја позната, напон се може одредити.

Савршена отпорност

Идеалан отпор (или отпорник) је линеарни отпорни елемент… По дефиницији линеарности, однос између напона и струје у линеарном отпорном елементу је такав да када се струја удвостручи, напон се такође удвостручује. Генерално, напон треба да буде пропорционалан струји.

Пропорционални однос између напона и струје назива се Омов закон за део кола и записује се на два начина: У = И НС Р, где је Р отпор елемента, и И = Г НС У, где је Г = И / Р проводљивост елемента. Јединица отпора је охм (ом), а јединица проводљивости је сименс (цм).

Струјна-напонска карактеристика идеалног отпора приказана је на Сл. 6. График је права линија кроз почетак са нагибом једнаким Аз/Р.

Пиринач. 6. Ознака (а) и струјно-напонска карактеристика (б) идеалног отпорника.

Снага са савршеним отпором

Изражавајући снагу коју апсорбује идеалан отпор:

П = У НС И = И2НС Р, П = У2/ Р

Као што апсорбована снага, у идеалном отпору, зависи од квадрата струје (или напона), предзнак апсорбоване снаге в у идеалном отпору зависи од знака Р. Иако се понекад користе негативне вредности отпора при симулацији одређених типова уређаја који раде у одређеним режимима сви реални отпори су обично позитивни. За ове отпоре, апсорбована снага је увек позитивна.

Електрична енергија апсорбована отпором, према закон одржања енергије, Мора се НСтрансформисати у друге врсте.Најчешће се електрична енергија претвара у топлотну енергију, која се зове Јоуле топлота. Стопа излучивања џул топлоте у смислу отпора, одговара стопи апсорпције електричне енергије. Изузеци су они отпорни елементи (на пример, сијалица или звучник), где се део апсорбоване енергије претвара у друге облике (енергија светлости и звука).

Међусобни однос главних електричних величина

За једносмерну струју, основне јединице су приказане на сл. 7.

Пиринач. 7. Међусобни однос главних електричних величина

Четири основне јединице — струја, напон, отпор и снага — међусобно су повезане поуздано успостављеним односима, што нам омогућава да вршимо не само директна, већ и индиректна мерења или да израчунамо вредности које су нам потребне из других измерених. Дакле, да бисте измерили напон у делу кола, морате имати волтметар, али чак иу његовом одсуству, знајући струју у колу и струјни отпор у овом делу, можете израчунати вредност напона.