Kuantiti elektrik asas: cas, voltan, arus, kuasa, rintangan

Kuantiti elektrik asas: arus, voltan, rintangan dan kuasa.

Mengecas

Fenomena fizikal yang paling penting dalam litar elektrik ialah gerakan cas elektrik… Terdapat dua jenis cas secara semula jadi—positif dan negatif. Seperti caj menarik, seperti caj menolak. Ini membawa kepada fakta bahawa terdapat kecenderungan untuk mengumpulkan caj positif dengan yang negatif dalam jumlah yang sama.

Atom terdiri daripada nukleus bercas positif yang dikelilingi oleh awan elektron bercas negatif. Jumlah cas negatif dalam nilai mutlak adalah sama dengan cas positif nukleus. Oleh itu, atom mempunyai jumlah cas sifar, ia juga dikatakan neutral elektrik.

Dalam bahan yang boleh tahan elektrik, beberapa elektron dipisahkan daripada atom dan mempunyai keupayaan untuk bergerak dalam bahan pengalir. Elektron ini dipanggil cas mudah alih atau pembawa cas.

Oleh kerana setiap atom dalam keadaan awal adalah neutral, selepas pemisahan elektron bercas negatif, ia menjadi ion bercas positif.Ion positif tidak boleh bergerak bebas dan membentuk sistem pegun, caj tetap (lihat — Apakah bahan mengalirkan elektrik).

Dalam semikonduktormembentuk kelas bahan yang penting, elektron mudah alih boleh bergerak dalam dua cara: atau elektron hanya berkelakuan sebagai pembawa bercas negatif. Atau koleksi kompleks banyak elektron bergerak sedemikian rupa seolah-olah terdapat pembawa mudah alih bercas positif dalam bahan. Caj tetap boleh terdiri daripada mana-mana watak.

Bahan konduktif boleh dianggap sebagai bahan yang mengandungi pembawa cas mudah alih (yang boleh mempunyai salah satu daripada dua tanda) dan cas tetap kekutuban bertentangan.

Terdapat juga bahan yang dipanggil penebat yang tidak mengalirkan elektrik. Semua cas dalam penebat adalah tetap. Contoh penebat ialah udara, mika, kaca, lapisan nipis oksida yang terbentuk pada permukaan banyak logam, dan, sudah tentu, vakum (yang tiada cas langsung).

Caj diukur dalam coulomb (C) dan biasanya dilambangkan dengan Q.

Jumlah cas atau jumlah elektrik negatif bagi setiap elektron telah ditentukan melalui pelbagai eksperimen dan didapati 1.601 × 10-19 CL atau 4.803 x 10-10 cas elektrostatik.

Beberapa idea tentang bilangan elektron yang mengalir melalui wayar walaupun pada arus yang agak rendah boleh diperolehi seperti berikut. Oleh kerana cas elektron ialah 1.601 • 10-19 CL, maka bilangan elektron yang mencipta cas yang sama dengan coulomb adalah timbal balik yang diberikan, iaitu, ia lebih kurang sama dengan 6 • 1018.

Arus 1 A sepadan dengan aliran 1 C sesaat, dan pada arus hanya 1 μmka (10-12 A) melalui keratan rentas wayar, kira-kira 6 juta elektron sesaat.Arus magnitud sedemikian pada masa yang sama sangat kecil sehingga pengesanan dan pengukurannya dikaitkan dengan kesukaran eksperimen yang ketara.

Caj pada ion positif ialah gandaan integer bagi cas pada elektron, tetapi mempunyai tanda yang berlawanan. Bagi zarah yang terion tunggal, cas ternyata sama dengan cas elektron.

Ketumpatan nukleus jauh lebih tinggi daripada ketumpatan elektron.Kebanyakan isipadu yang diduduki oleh atom secara keseluruhan adalah kosong.

Konsep fenomena elektrik

Dengan menggosok dua badan yang berbeza bersama-sama, serta secara induksi, badan boleh diberi sifat istimewa - elektrik. Badan sedemikian dipanggil elektrik.

Fenomena yang berkaitan dengan interaksi badan elektrik dipanggil fenomena elektrik.

Interaksi antara badan elektrik ditentukan oleh apa yang dipanggil Daya elektrik yang berbeza daripada daya sifat lain kerana ia menyebabkan jasad bercas menolak dan menarik antara satu sama lain, tanpa mengira kelajuan pergerakannya.

Dengan cara ini, interaksi antara jasad bercas berbeza, contohnya, dari graviti, yang hanya dicirikan oleh tarikan jasad, atau dari daya asal magnet, yang bergantung pada kelajuan relatif pergerakan cas, menyebabkan magnet. fenomena.

Kejuruteraan elektrik terutamanya mengkaji undang-undang manifestasi luaran sifat badan elektrik - undang-undang medan elektromagnet.

voltan

Kerana daya tarikan yang kuat antara cas bertentangan, kebanyakan bahan adalah neutral elektrik. Ia memerlukan tenaga untuk memisahkan cas positif dan negatif.

Dalam rajah. 1 menunjukkan dua plat konduktor, pada mulanya tidak bercas dijarakkan pada satu jarak d.Diandaikan bahawa ruang antara plat diisi dengan penebat, seperti udara, atau ia berada dalam vakum.

nasi. 1. Dua plat konduktif, pada mulanya tidak dicas: a — plat adalah neutral elektrik; b — cas -Q dipindahkan ke plat bawah (terdapat beza keupayaan dan medan elektrik antara plat).

Dalam rajah. 1, kedua-dua plat adalah neutral, dan jumlah caj sifar pada plat atas boleh diwakili oleh jumlah caj +Q dan -Q. Dalam rajah. 1b, cas -Q dipindahkan dari plat atas ke plat bawah. Jika dalam rajah. 1b, kami menyambungkan plat dengan wayar, maka daya tarikan cas yang bertentangan akan menyebabkan cas itu dipindahkan dengan cepat dan kami akan kembali kepada situasi yang ditunjukkan dalam rajah. 1, a. Caj positif akan bergerak ke plat bercas negatif dan caj negatif ke plat bercas positif.

Kami mengatakan bahawa antara plat bercas yang ditunjukkan dalam Rajah. 1b, terdapat beza keupayaan dan bahawa pada plat atas bercas positif potensi lebih tinggi daripada pada plat bawah bercas negatif. Secara amnya, terdapat perbezaan potensi antara dua titik jika pengaliran antara titik tersebut mengakibatkan pemindahan cas.

Caj positif bergerak dari titik berpotensi tinggi ke titik potensi rendah, arah pergerakan cas negatif adalah bertentangan — dari titik potensi rendah ke titik potensi tinggi.

Unit untuk mengukur beza keupayaan ialah volt (V). Beza keupayaan dipanggil voltan dan biasanya dilambangkan dengan huruf U.

Untuk mengukur ketegangan antara dua titik, konsep digunakan medan elektrik… Dalam kes yang ditunjukkan dalam rajah.Dalam Rajah 1b, terdapat medan elektrik seragam antara plat yang diarahkan dari kawasan berpotensi lebih tinggi (dari plat positif) ke kawasan potensi lebih rendah (ke plat negatif).

Kekuatan medan ini, dinyatakan dalam volt per meter, adalah berkadar dengan cas pada plat dan boleh dikira daripada undang-undang fizik jika taburan cas diketahui. Hubungan antara magnitud medan elektrik dan voltan U antara plat mempunyai bentuk U = E NS e (volt = volt / meter x meter).

Jadi, peralihan daripada potensi yang lebih rendah kepada yang lebih tinggi sepadan dengan pergerakan melawan arah medan. Dalam struktur yang lebih kompleks, medan elektrik mungkin tidak seragam di mana-mana, dan untuk menentukan perbezaan potensi antara dua titik, perlu berulang kali menggunakan persamaan U = E NS e.

Selang antara tempat menarik kepada kami dibahagikan kepada banyak bahagian, setiap satunya cukup kecil untuk bidang itu seragam di dalamnya. Persamaan itu kemudiannya digunakan berturut-turut pada setiap segmen U = E NS e dan beza keupayaan untuk setiap bahagian dijumlahkan. Oleh itu, untuk sebarang pengagihan cas dan medan elektrik, anda boleh mencari beza potensi antara mana-mana dua titik.

Apabila menentukan perbezaan potensi, adalah perlu untuk menunjukkan bukan sahaja magnitud voltan antara dua titik, tetapi juga titik mana yang mempunyai potensi tertinggi. Walau bagaimanapun, dalam litar elektrik yang mengandungi beberapa elemen berbeza, tidak selalu mungkin untuk menentukan terlebih dahulu titik mana yang mempunyai potensi tertinggi. Untuk mengelakkan kekeliruan, adalah perlu untuk menerima syarat untuk tanda (Rajah 2).

nasi. 2… Menentukan kekutuban voltan (voltan boleh positif atau negatif).

Elemen litar dwikutub diwakili oleh kotak yang dilengkapi dengan dua terminal (Rajah 2, a). Garisan yang menuju dari kotak ke terminal diandaikan sebagai pengalir arus elektrik yang ideal. Satu terminal ditandakan dengan tanda tambah, satu lagi dengan tanda tolak. Aksara ini menetapkan kekutuban relatif. Voltan U dalam rajah. 2, dan ditentukan oleh keadaan U = (potensi terminal «+») — (potensi terminal «-«).

Dalam rajah. 2b, plat bercas disambungkan ke terminal supaya terminal «+» disambungkan ke plat dengan potensi yang lebih tinggi. Di sini voltan U ialah nombor positif. Dalam rajah. 2, terminal «+» disambungkan ke plat potensi bawah. Akibatnya, kita mendapat voltan negatif.

Adalah penting untuk diingat tentang bentuk algebra bagi perwakilan tegasan. Setelah kekutuban ditentukan, voltan positif bermakna terminal «+» mempunyai (potensi yang lebih tinggi) dan voltan negatif bermakna terminal «-» mempunyai potensi yang lebih tinggi.

semasa

Telah dinyatakan di atas bahawa pembawa caj positif bergerak dari rantau berpotensi tinggi ke rantau berpotensi rendah, manakala pembawa caj negatif bergerak dari rantau berpotensi rendah ke rantau berpotensi tinggi. Sebarang pemindahan yuran bermakna tamat tempoh elektrik.

Dalam rajah. 3 menunjukkan beberapa kes mudah aliran arus elektrik, permukaan dipilih C dan arah positif nosional ditunjukkan. Jika dari semasa ke semasa dt melalui bahagian S, jumlah cas Q akan melalui arah yang dipilih, maka arus I melalui S akan sama dengan I = dV/dT. Unit ukuran arus ialah ampere (A) (1A = 1C / s).

nasi. 3… Hubungan antara arah arus dan arah aliran cas mudah alih.Arus adalah positif (a dan b) jika aliran cas positif yang terhasil melalui beberapa permukaan C bertepatan dengan arah yang dipilih. Arus adalah negatif (b dan d) jika aliran cas positif yang terhasil merentasi permukaan adalah bertentangan dengan arah yang dipilih.

Kesukaran sering timbul dalam menentukan tanda Iz semasa. Jika pembawa caj mudah alih adalah positif, maka arus positif menerangkan pergerakan sebenar pembawa mudah alih dalam arah yang dipilih, manakala arus negatif menerangkan aliran pembawa caj mudah alih yang bertentangan dengan arah yang dipilih.

Jika pengendali mudah alih negatif, anda mesti berhati-hati apabila menentukan arah arus. Pertimbangkan rajah. 3d di mana pembawa cas mudah alih negatif menyeberangi S dalam arah yang dipilih. Andaikan bahawa setiap pembawa mempunyai cas -q dan kadar aliran melalui S ialah n pembawa sesaat. Semasa dt ialah jumlah laluan cas C dalam arah yang dipilih ialah dV = -n NS q NS dt, yang sepadan dengan arus I = dV/ dT.

Oleh itu, arus dalam Rajah.3d adalah negatif. Selain itu, arus ini bertepatan dengan arus yang dicipta oleh pergerakan pembawa positif dengan cas + q melalui permukaan S pada kelajuan n pembawa sesaat dalam arah yang bertentangan dengan yang dipilih (Rajah 3, b). Oleh itu, caj dua digit dicerminkan dalam arus dua digit. Bagi kebanyakan kes dalam litar elektronik, tanda arus adalah ketara dan tidak kira pembawa cas (positif atau negatif) yang membawa arus tersebut. Oleh itu, selalunya apabila mereka bercakap tentang arus elektrik, mereka menganggap bahawa pembawa cas adalah positif (lihat — Arah arus elektrik).

Walau bagaimanapun, dalam peranti semikonduktor, perbezaan antara pembawa cas positif dan negatif adalah penting untuk pengendalian peranti.Pemeriksaan terperinci tentang operasi peranti ini harus membezakan dengan jelas tanda-tanda pembawa caj mudah alih. Konsep arus yang mengalir melalui kawasan tertentu dengan mudah boleh digeneralisasikan kepada arus melalui elemen litar.

Dalam rajah. 4 menunjukkan unsur bipolar. Arah arus positif ditunjukkan oleh anak panah.

nasi. 4. Arus melalui elemen litar. Caj memasuki sel melalui terminal A pada kadar i (coulomb sesaat) dan meninggalkan sel melalui terminal A' pada kadar yang sama.

Jika arus positif mengalir melalui elemen litar, cas positif memasuki terminal A pada kadar i coulomb sesaat. Tetapi, seperti yang telah dinyatakan, bahan (dan elemen litar) biasanya kekal neutral secara elektrik. (Malah sel "bercas" dalam Rajah 1 mempunyai jumlah cas sifar.) Oleh itu, jika cas mengalir ke dalam sel melalui terminal A, jumlah cas yang sama mesti serentak mengalir keluar dari sel melalui terminal A'. Kesinambungan pengaliran arus elektrik melalui elemen litar ini mengikuti daripada neutraliti unsur secara keseluruhan.

Kuasa

Mana-mana elemen dwikutub dalam litar boleh mempunyai voltan di antara terminalnya dan arus boleh mengalir melaluinya. Tanda-tanda arus dan voltan boleh ditentukan secara bebas, tetapi terdapat hubungan fizikal yang penting antara kekutuban voltan dan arus, untuk penjelasan yang mana beberapa syarat tambahan biasanya diambil.

Dalam rajah. 4 menunjukkan bagaimana kekutuban relatif voltan dan arus ditentukan. Apabila arah semasa dipilih, ia mengalir ke terminal «+». Apabila syarat tambahan ini dipenuhi, kuantiti elektrik yang penting—kuasa elektrik—boleh ditentukan. Pertimbangkan elemen litar dalam Rajah. 4.

Jika voltan dan arus positif, maka terdapat aliran berterusan cas positif dari titik berpotensi tinggi ke titik potensi rendah. Untuk mengekalkan aliran ini, adalah perlu untuk memisahkan cas positif daripada yang negatif dan memperkenalkannya ke dalam terminal «+». Pemisahan berterusan ini memerlukan perbelanjaan tenaga yang berterusan.

Apabila cas melalui unsur, ia membebaskan tenaga ini. Dan kerana tenaga mesti disimpan, ia sama ada dilepaskan dalam elemen litar sebagai haba (contohnya, dalam pembakar roti) atau disimpan di dalamnya (contohnya, semasa mengecas bateri kereta). Kadar di mana penukaran tenaga ini berlaku dipanggil kuasa dan ditentukan oleh ungkapan P = U NS Az (watt = volt x amperes).

Unit ukuran kuasa ialah watt (W), yang sepadan dengan penukaran 1 J tenaga kepada 1 s. Kuasa sama dengan hasil voltan dan arus dengan kekutuban yang ditakrifkan dalam rajah. 4 ialah kuantiti algebra.

Jika P > 0, seperti dalam kes di atas, kuasa hilang atau diserap dalam elemen. Jika P < 0, maka dalam kes ini elemen membekalkan kuasa kepada litar di mana ia disambungkan.

Unsur rintangan

Untuk setiap elemen litar, anda boleh menulis hubungan khusus antara voltan terminal dan arus melalui elemen. Unsur perintang ialah unsur yang boleh diplotkan hubungan antara voltan dan arus. Graf ini dipanggil ciri voltan arus. Contoh ciri sedemikian ditunjukkan dalam rajah. 5.

nasi. 5. Ciri voltan arus bagi unsur perintang

Jika voltan pada terminal unsur D diketahui, maka graf boleh menentukan arus melalui unsur D.Begitu juga, jika arus diketahui, voltan boleh ditentukan.

Rintangan sempurna

Rintangan ideal (atau perintang) ialah unsur rintangan linear… Dengan takrifan lineariti, hubungan antara voltan dan arus dalam elemen rintangan linear adalah sedemikian rupa sehingga apabila arus digandakan, voltan juga digandakan. Secara amnya, voltan hendaklah berkadar dengan arus.

Hubungan berkadar antara voltan dan arus dipanggil Hukum Ohm untuk keratan litar dan ditulis dalam dua cara: U = I NS R, di mana R ialah rintangan unsur, dan I = G NS U, di mana G = I / R ialah kekonduksian unsur. Unit rintangan ialah ohm (ohm), dan unit kekonduksian ialah siemens (cm).

Ciri voltan semasa bagi rintangan ideal ditunjukkan dalam Rajah. 6. Graf ialah garis lurus melalui asalan dengan kecerunan sama dengan Az/R.

nasi. 6. Penetapan (a) dan ciri voltan arus (b) bagi perintang ideal.

Kuasa dengan rintangan yang sempurna

Menyatakan kuasa yang diserap oleh rintangan ideal:

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

Sama seperti kuasa yang diserap, dalam rintangan ideal, bergantung pada kuasa dua arus (atau voltan), tanda kuasa yang diserap v dalam rintangan ideal bergantung pada tanda R. Walaupun nilai rintangan negatif kadang-kadang digunakan apabila mensimulasikan jenis peranti tertentu yang beroperasi dalam mod tertentu, semua rintangan sebenar biasanya positif. Untuk rintangan ini, kuasa yang diserap sentiasa positif.

Tenaga elektrik yang diserap oleh rintangan, acc hukum kekekalan tenaga, Mesti NStransform kepada spesies lain.Selalunya, tenaga elektrik ditukar kepada tenaga haba, dipanggil haba Joule. Kadar perkumuhan haba joule dari segi rintangan, ia sepadan dengan kadar penyerapan tenaga elektrik. Pengecualian ialah elemen perintang (contohnya, mentol lampu atau pembesar suara), di mana sebahagian daripada tenaga yang diserap ditukar kepada bentuk lain (tenaga cahaya dan bunyi).

Saling hubungan kuantiti elektrik utama

Untuk arus terus, unit asas ditunjukkan dalam rajah. 7.

nasi. 7. Saling hubungan kuantiti elektrik utama

Empat unit asas — arus, voltan, rintangan dan kuasa — saling berkaitan dengan perhubungan yang mantap, yang membolehkan kami membuat bukan sahaja pengukuran langsung, tetapi juga tidak langsung atau mengira nilai yang kami perlukan daripada yang lain yang diukur. Jadi, untuk mengukur voltan di bahagian litar, seseorang mesti mempunyai voltmeter, tetapi walaupun dalam ketiadaannya, mengetahui arus dalam litar dan rintangan semasa dalam bahagian ini, anda boleh mengira nilai voltan.