Mărimi electrice de bază: sarcină, tensiune, curent, putere, rezistență

Mărimi electrice de bază: curent, tensiune, rezistență și putere.

Încărcare

Cel mai important fenomen fizic din circuitele electrice este mișcarea incarcare electrica… Există două tipuri de sarcini în natură – pozitive și negative. Asemenea taxelor se atrag, asemenea sarcinilor se resping. Acest lucru duce la faptul că există tendința de a grupa sarcinile pozitive cu cele negative în cantități egale.

Un atom este format dintr-un nucleu încărcat pozitiv, înconjurat de un nor de electroni încărcați negativ. Sarcina negativă totală în valoare absolută este egală cu sarcina pozitivă a nucleului. Prin urmare, atomul are sarcina totală zero, se spune și că este neutru din punct de vedere electric.

În materiale care pot ține electricitate, unii electroni sunt separați de atomi și au capacitatea de a se mișca într-un material conductor. Acești electroni se numesc sarcini mobile sau purtători de sarcină.

Deoarece fiecare atom în starea inițială este neutru, după separarea electronului încărcat negativ, acesta devine un ion încărcat pozitiv.Ionii pozitivi nu se pot mișca liber și formează un sistem de sarcini fixe, staționare (vezi - Ce substanțe conduc electricitatea).

În semiconductoriconstituind o clasă importantă de materiale, electronii mobili se pot mișca în două moduri: sau electronii pur și simplu se comportă ca purtători încărcați negativ. Sau o colecție complexă de mulți electroni se mișcă în așa fel ca și cum ar exista purtători mobili încărcați pozitiv în material. Taxele fixe pot fi de orice tip.

Materialele conductoare pot fi considerate materiale care conțin purtători de sarcină mobili (care pot avea unul dintre cele două semne) și sarcini fixe de polaritate opusă.

Există și materiale numite izolatori care nu conduc electricitatea. Toate sarcinile din izolator sunt fixe. Exemple de izolatori sunt aerul, mica, sticla, straturi subțiri de oxizi care se formează pe suprafețele multor metale și, desigur, un vid (în care nu există încărcături deloc).

Sarcina este măsurată în coulombs (C) și este de obicei notă cu Q.

Cantitatea de sarcină sau cantitatea de electricitate negativă per electron a fost stabilită prin numeroase experimente și s-a dovedit a fi 1,601 × 10-19 CL sau 4,803 x 10-10 sarcini electrostatice.

O idee despre numărul de electroni care curg printr-un fir chiar și la curenți relativ scăzuti poate fi obținută după cum urmează. Deoarece sarcina electronului este 1,601 • 10-19 CL, atunci numărul de electroni care creează o sarcină egală cu coulombul este reciproca datei, adică este aproximativ egal cu 6 • 1018.

Un curent de 1 A corespunde unui flux de 1 C pe secundă, iar la un curent de numai 1 μmka (10-12 A) prin secțiunea transversală a firului, aproximativ 6 milioane de electroni pe secundă.Curenții de o asemenea magnitudine sunt în același timp atât de mici încât detectarea și măsurarea lor sunt asociate cu dificultăți experimentale semnificative.

Sarcina unui ion pozitiv este un multiplu întreg al sarcinii unui electron, dar are semnul opus. Pentru particulele care sunt ionizate individual, sarcina se dovedește a fi egală cu sarcina electronului.

Densitatea nucleului este mult mai mare decât densitatea electronului.Majoritatea volumului ocupat de atom în ansamblu este gol.

Conceptul de fenomene electrice

Prin frecarea a două corpuri diferite împreună, precum și prin inducție, corpurile pot primi proprietăți speciale - electrice. Astfel de corpuri se numesc electrificate.

Fenomenele asociate cu interacțiunea corpurilor electrificate se numesc fenomene electrice.

Interacțiunea dintre corpurile electrificate este determinată de așa-numitele Forțe electrice care diferă de forțele de altă natură prin aceea că fac corpurile încărcate să se respingă și să se atragă unele pe altele, indiferent de viteza de mișcare a acestora.

În acest fel, interacțiunea dintre corpurile încărcate diferă, de exemplu, de cea gravitațională, care se caracterizează doar prin atracția corpurilor, sau de forțele de origine magnetică, care depind de viteza relativă de mișcare a sarcinilor, determinând fenomene.

Ingineria electrică studiază în principal legile manifestării externe a proprietăților corpuri electrificate - legile câmpurilor electromagnetice.

Voltaj

Datorită atracției puternice dintre sarcinile opuse, majoritatea materialelor sunt neutre din punct de vedere electric. Este nevoie de energie pentru a separa sarcinile pozitive și negative.

În fig. 1 prezintă două plăci conductoare, inițial neîncărcate, distanțate la o distanță d.Se presupune că spațiul dintre plăci este umplut cu un izolator, cum ar fi aerul, sau acestea sunt în vid.

Orez. 1. Două plăci conductoare, inițial neîncărcate: a — plăcile sunt neutre din punct de vedere electric; b — sarcina -Q este transferată pe placa inferioară (există o diferență de potențial și un câmp electric între plăci).

În fig. 1, ambele plăci sunt neutre, iar sarcina totală zero de pe placa superioară poate fi reprezentată prin suma sarcinilor +Q și -Q. În fig. 1b, sarcina -Q este transferată de pe placa superioară pe placa inferioară. Dacă în fig. 1b, conectăm plăcile cu un fir, apoi forțele de atracție ale sarcinilor opuse vor face ca sarcina să se transfere rapid înapoi și vom reveni la situația prezentată în fig. 1, a. Sarcinile pozitive s-ar muta pe placa încărcată negativ, iar sarcinile negative pe placa încărcată pozitiv.

Spunem că între plăcile încărcate prezentate în Fig. 1b, există o diferență de potențial și că pe placa superioară încărcată pozitiv potențialul este mai mare decât pe placa inferioară încărcată negativ. În general, există o diferență de potențial între două puncte dacă conducția între acele puncte are ca rezultat transferul de sarcină.

Sarcinile pozitive se deplasează dintr-un punct cu potențial ridicat într-un punct cu potențial scăzut, direcția de mișcare a sarcinilor negative este opusă - de la un punct cu potențial scăzut la un punct cu potențial ridicat.

Unitatea de măsurare a diferenței de potențial este voltul (V). Diferența de potențial se numește tensiune și este de obicei notă cu litera U.

Pentru a cuantifica tensiunea dintre două puncte, se folosește conceptul câmp electric… În cazul prezentat în fig.1b, există un câmp electric uniform între plăci direcționat din regiunea cu potențial mai mare (de la placa pozitivă) către regiunea cu potențial mai mic (până la placa negativă).

Puterea acestui câmp, exprimată în volți pe metru, este proporțională cu sarcina de pe plăci și poate fi calculată din legile fizicii dacă se cunoaște distribuția sarcinilor. Relația dintre mărimea câmpului electric și tensiunea U dintre plăci are forma U = E NS e (volt = volt / metru x metru).

Deci, trecerea de la un potențial mai mic la unul mai mare corespunde mișcării împotriva direcției câmpului.Într-o structură mai complexă, câmpul electric poate să nu fie uniform peste tot, iar pentru a determina diferența de potențial dintre două puncte, este necesar să se folosească în mod repetat ecuația U = E NS e.

Intervalul dintre punctele de interes pentru noi este împărțit în mai multe secțiuni, fiecare dintre acestea fiind suficient de mică pentru ca câmpul să fie uniform în el. Ecuația se aplică apoi succesiv fiecărui segment U = E NS e și se însumează diferențele de potențial pentru fiecare secțiune. Astfel, pentru orice distribuție de sarcini și câmpuri electrice, puteți găsi diferența de potențial dintre oricare două puncte.

La determinarea diferenței de potențial, este necesar să se indice nu numai mărimea tensiunii dintre două puncte, ci și care punct are cel mai mare potențial. Cu toate acestea, în circuitele electrice care conțin mai multe elemente diferite, nu este întotdeauna posibil să se determine în prealabil care punct are cel mai mare potențial. Pentru a evita confuzia, este necesar să se accepte condiția pentru semne (Fig. 2).

Orez. 2... Determinarea polarității tensiunii (tensiunea poate fi pozitivă sau negativă).

Un element de circuit bipolar este reprezentat de o cutie echipată cu două borne (Fig. 2, a). Liniile care duc de la cutie la terminale sunt considerate a fi conductori ideali de curent electric. Un terminal este marcat cu un semn plus, celălalt cu un semn minus. Aceste caractere fixează polaritatea relativă. Tensiunea U din fig. 2, şi este determinată de condiţia U = (potenţialul terminalului «+») — (potenţialul terminalului «-«).

În fig. 2b, plăcile încărcate sunt conectate la bornele astfel încât borna «+» să fie conectată la placa cu un potențial mai mare. Aici tensiunea U este un număr pozitiv. În fig. 2, terminalul «+» este conectat la placa de potențial inferior. Ca rezultat, obținem o tensiune negativă.

Este important să ne amintim despre forma algebrică a reprezentării stresului. Odată determinată polaritatea, o tensiune pozitivă înseamnă că borna «+» are un potențial (mai mare), iar o tensiune negativă înseamnă că borna «-» are un potențial mai mare.

Actual

S-a remarcat mai sus că purtătorii de sarcină pozitivă se deplasează din regiunea cu potențial ridicat în regiunea cu potențial scăzut, în timp ce purtătorii de sarcină negativă se deplasează din regiunea cu potențial scăzut în regiunea cu potențial ridicat. Orice transfer de taxe înseamnă expirare electricitate.

În fig. 3 prezintă câteva cazuri simple de curgere a curentului electric, suprafața este aleasă C și este prezentată direcția pozitivă noțională. Dacă în timp dt prin secțiunea S, sarcina totală Q va trece în direcția aleasă, atunci curentul I prin S va fi egal cu I = dV/dT. Unitatea de măsură a curentului este amperul (A) (1A = 1C/s).

Orez. 3... Relația dintre direcția curentului și direcția fluxului sarcinilor mobile.Curentul este pozitiv (a și b) dacă fluxul rezultat al sarcinilor pozitive printr-o suprafață C coincide cu direcția aleasă. Curentul este negativ (b și d) dacă fluxul rezultat de sarcini pozitive pe suprafață este opus direcției alese.

Adesea apar dificultăți în determinarea semnului actualului Iz. Dacă purtătorii mobili de sarcină sunt pozitivi, atunci curentul pozitiv descrie mișcarea reală a purtătorilor mobili în direcția aleasă, în timp ce curentul negativ descrie fluxul purtătorilor de sarcină mobili opus direcției alese.

Dacă operatorii de telefonie mobilă sunt negativi, trebuie să fiți atenți atunci când determinați direcția curentului. Luați în considerare fig. 3d în care purtătorii de sarcină mobili negativi traversează S în direcția aleasă. Să presupunem că fiecare purtător are sarcină -q și debitul prin S este n purtători pe secundă. În timpul dt este trecerea totală a sarcinilor C în direcția aleasă va fi dV = -n NS q NS dt, care corespunde curentului I = dV/ dT.

Prin urmare, curentul din Fig.3d este negativ. Mai mult, acest curent coincide cu curentul creat de mișcarea purtătorilor pozitivi cu sarcină + q prin suprafața S cu o viteză de n purtători pe secundă în direcția opusă celei alese (Fig. 3, b). Astfel, taxele cu două cifre sunt reflectate în curentul cu două cifre. Pentru majoritatea cazurilor în circuitele electronice, semnul curentului este semnificativ și nu contează ce purtători de sarcină (pozitiv sau negativ) poartă acel curent. Prin urmare, adesea când vorbesc despre curent electric, ei presupun că purtătorii de sarcină sunt pozitivi (vezi - Direcția curentului electric).

La dispozitivele semiconductoare, totuși, diferența dintre purtătorii de sarcină pozitivă și negativă este critică pentru funcționarea dispozitivului.O examinare detaliată a funcționării acestor dispozitive ar trebui să distingă clar semnele purtătorilor de încărcare mobile. Conceptul de curent care curge printr-o anumită zonă poate fi ușor generalizat la un curent printr-un element de circuit.

În fig. 4 prezintă un element bipolar. Direcția curentului pozitiv este indicată de o săgeată.

Orez. 4. Curent printr-un element de circuit. Sarcinile intră în celulă prin terminalul A cu o rată i (coulombs pe secundă) și ies din celulă prin terminalul A' cu aceeași viteză.

Dacă un curent pozitiv trece printr-un element de circuit, o sarcină pozitivă intră pe terminalul A cu o rată de i coulombi pe secundă. Dar, după cum sa menționat deja, materialele (și elementele circuitului) rămân de obicei neutre din punct de vedere electric. (Chiar și o celulă „încărcată” din Fig. 1 are încărcare totală zero.) Prin urmare, dacă sarcina curge în celulă prin borna A, o cantitate egală de sarcină trebuie să curgă simultan din celulă prin borna A'. Această continuitate a fluxului de curent electric prin elementul de circuit rezultă din neutralitatea elementului în ansamblu.

Putere

Orice element bipolar dintr-un circuit poate avea o tensiune între bornele sale și curentul poate circula prin el. Semnele curentului și tensiunii pot fi determinate independent, dar există o relație fizică importantă între polaritățile tensiunii și curentului, pentru clarificarea căreia se iau de obicei unele condiții suplimentare.

În fig. 4 arată cum sunt determinate polaritățile relative ale tensiunii și curentului. Când este selectată direcția curentă, aceasta curge în terminalul «+». Când această condiție suplimentară este îndeplinită, se poate determina o cantitate electrică importantă - puterea electrică. Luați în considerare elementul de circuit din fig. 4.

Dacă tensiunea și curentul sunt pozitive, atunci există un flux continuu de sarcini pozitive dintr-un punct cu potențial ridicat către un punct cu potențial scăzut. Pentru a menține acest flux, este necesară separarea sarcinilor pozitive de cele negative și introducerea lor în terminalul «+». Această separare continuă necesită o cheltuială continuă de energie.

Pe măsură ce sarcinile trec prin element, ele eliberează această energie. Și, deoarece energia trebuie stocată, este fie eliberată în elementul circuitului sub formă de căldură (de exemplu, într-un prăjitor de pâine), fie stocată în acesta (de exemplu, la încărcarea bateriei unei mașini). Rata cu care are loc această conversie a energiei se numește putere și este determinată de expresia P = U NS Az (wați = volți x amperi).

Unitatea de măsură a puterii este watul (W), care corespunde conversiei a 1 J de energie în 1 s. Putere egală cu produsul dintre tensiune și curent cu polaritățile definite în fig. 4 este o mărime algebrică.

Dacă P > 0, ca în cazul de mai sus, puterea este disipată sau absorbită în element. Dacă P < 0, atunci în acest caz elementul furnizează energie circuitului în care este conectat.

Elemente rezistive

Pentru fiecare element de circuit, puteți scrie o relație specifică între tensiunea la borne și curentul prin element. Un element rezistiv este un element pentru care se poate reprezenta grafic relația dintre tensiune și curent.Acest grafic se numește caracteristica curent-tensiune. Un exemplu de astfel de caracteristică este prezentat în fig. 5.

Orez. 5. Caracteristica curent-tensiune a unui element rezistiv

Dacă tensiunea la bornele elementului D este cunoscută, atunci graficul poate determina curentul prin elementul D.La fel, dacă curentul este cunoscut, tensiunea poate fi determinată.

Rezistență perfectă

Rezistența ideală (sau rezistența) este element rezistiv liniar… Prin definiția liniarității, relația dintre tensiune și curent într-un element rezistiv liniar este astfel încât atunci când curentul este dublat, tensiunea este de asemenea dublată. În general, tensiunea ar trebui să fie proporțională cu curentul.

Relația proporțională dintre tensiune și curent se numește Legea lui Ohm pentru o secțiune a unui circuit și se scrie în două moduri: U = I NS R, unde R este rezistența elementului, și I = G NS U, unde G = I / R este conductivitatea elementului. Unitatea de rezistență este ohmul (ohm), iar unitatea de conductivitate este siemens (cm).

Caracteristica curent-tensiune a rezistenței ideale este prezentată în Fig. 6. Graficul este o dreaptă prin origine cu o pantă egală cu Az/R.

Orez. 6. Denumirea (a) și caracteristica curent-tensiune (b) a unui rezistor ideal.

Putere cu rezistență perfectă

Exprimând puterea absorbită de rezistența ideală:

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

Așa cum puterea absorbită, într-o rezistență ideală, depinde de pătratul curentului (sau al tensiunii), semnul puterii absorbite v într-o rezistență ideală depinde de semnul lui R. Deși uneori se folosesc valori negative ale rezistenței. atunci când se simulează anumite tipuri de dispozitive care funcționează în anumite moduri, toate rezistențele reale sunt de obicei pozitive. Pentru aceste rezistențe, puterea absorbită este întotdeauna pozitivă.

Energia electrică absorbită de rezistență, conform legea conservării energiei, Trebuie să se transforme în alte specii.Cel mai adesea, energia electrică este transformată în energie termică, numită căldură Joule. Rata de excreție căldură joule din punct de vedere al rezistenței, se potrivește cu rata de absorbție a energiei electrice. Excepție fac acele elemente rezistive (de exemplu, un bec sau un difuzor), unde o parte din energia absorbită este transformată în alte forme (energie luminoasă și sonoră).

Interrelația dintre principalele mărimi electrice

Pentru curent continuu, unitățile de bază sunt prezentate în fig. 7.

Orez. 7. Interrelaţionarea principalelor mărimi electrice

Patru unități de bază - curent, tensiune, rezistență și putere - sunt interconectate prin relații stabilite în mod fiabil, ceea ce ne permite să facem nu numai măsurători directe, ci și indirecte sau să calculăm valorile de care avem nevoie din alte măsurate. Deci, pentru a măsura tensiunea într-o parte a circuitului, trebuie să aveți un voltmetru, dar chiar și în absența acestuia, cunoscând curentul din circuit și rezistența curentului din această secțiune, puteți calcula valoarea tensiunii.