Základní elektrické veličiny: náboj, napětí, proud, výkon, odpor

Základní elektrické veličiny: proud, napětí, odpor a výkon.

Nabíjení

Nejdůležitějším fyzikálním jevem v elektrických obvodech je pohyb elektrický náboj… V přírodě existují dva druhy nábojů – pozitivní a negativní. Jako náboje se přitahují, tak jako náboje odpuzují. To vede k tomu, že existuje tendence seskupovat kladné náboje se zápornými ve stejném množství.

Atom se skládá z kladně nabitého jádra obklopeného oblakem záporně nabitých elektronů. Celkový záporný náboj v absolutní hodnotě se rovná kladnému náboji jádra. Atom má tedy nulový celkový náboj, také se o něm říká, že je elektricky neutrální.

V materiálech, které udrží elektřina, některé elektrony jsou odděleny od atomů a mají schopnost pohybovat se ve vodivém materiálu. Tyto elektrony se nazývají mobilní náboje nebo nosiče náboje.

Protože každý atom v počátečním stavu je neutrální, po oddělení záporně nabitého elektronu se z něj stane kladně nabitý iont.Kladné ionty se nemohou volně pohybovat a tvoří systém stacionárních, pevných nábojů (viz — Jaké látky vedou elektrický proud).

V polovodičíchmobilní elektrony představují důležitou třídu materiálů a mohou se pohybovat dvěma způsoby: nebo se elektrony jednoduše chovají jako záporně nabité nosiče. Nebo se složitá sbírka mnoha elektronů pohybuje takovým způsobem, jako by v materiálu byly kladně nabité mobilní nosiče. Fixní poplatky mohou být libovolného charakteru.

Vodivé materiály lze považovat za materiály obsahující mobilní nosiče náboje (které mohou mít jedno ze dvou znamének) a pevné náboje opačné polarity.

Existují také materiály zvané izolátory, které nevedou elektrický proud. Všechny náboje v izolátoru jsou pevné. Příkladem izolantů je vzduch, slída, sklo, tenké vrstvy oxidů, které se tvoří na povrchu mnoha kovů, a samozřejmě vakuum (ve kterém nejsou vůbec žádné náboje).

Náboj se měří v coulombech (C) a obvykle se označuje Q.

Množství náboje nebo množství záporné elektřiny na elektron bylo stanoveno četnými experimenty a bylo zjištěno, že je 1,601 × 10-19 CL nebo 4,803 x 10-10 elektrostatických nábojů.

Určitou představu o počtu elektronů procházejících drátem i při relativně nízkých proudech lze získat následovně. Protože náboj elektronu je 1,601 • 10-19 CL, pak počet elektronů vytvářejících náboj rovný coulombu je převrácený k danému, to znamená, že je přibližně roven 6 • 1018.

Proud 1 A odpovídá průtoku 1 C za sekundu a při proudu pouze 1 μmka (10-12 A) průřezem drátu přibližně 6 milionů elektronů za sekundu.Proudy takové velikosti jsou zároveň tak malé, že jejich detekce a měření jsou spojeny se značnými experimentálními obtížemi.

Náboj na kladném iontu je celočíselný násobek náboje na elektronu, ale má opačné znaménko. U částic, které jsou jednotlivě ionizovány, se náboj rovná náboji elektronu.

Hustota jádra je mnohem vyšší než hustota elektronu.Většina objemu obsazeného atomem jako celkem je prázdná.

Pojem elektrických jevů

Třením dvou různých těles o sebe a také indukcí mohou tělesa získat speciální vlastnosti — elektrické. Taková tělesa se nazývají elektrifikovaná.

Jevy spojené s interakcí elektrifikovaných těles se nazývají elektrické jevy.

Vzájemné působení mezi elektrifikovanými tělesy je určeno tzv Elektrické síly, které se liší od sil jiné povahy tím, že způsobují, že se nabitá tělesa vzájemně odpuzují a přitahují, bez ohledu na rychlost jejich pohybu.

Tímto způsobem se interakce mezi nabitými tělesy liší například od gravitační, která se vyznačuje pouze přitahováním těles, nebo od sil magnetického původu, které závisí na relativní rychlosti pohybu nábojů, způsobujících magnetické jevy.

Elektrotechnika studuje především zákonitosti vnějšího projevu vlastností elektrifikovaných těles — zákony elektromagnetických polí.

Napětí

Kvůli silné přitažlivosti mezi opačnými náboji je většina materiálů elektricky neutrální. K oddělení kladných a záporných nábojů je zapotřebí energie.

Na Obr. 1 ukazuje dvě vodivé, zpočátku nenabité desky, které jsou od sebe vzdáleny ve vzdálenosti d.Předpokládá se, že prostor mezi deskami je vyplněn izolantem, například vzduchem, nebo jsou ve vakuu.

Rýže. 1. Dvě vodivé, zpočátku nenabité desky: a — desky jsou elektricky neutrální; b — náboj -Q se přenese na spodní desku (mezi deskami je rozdíl potenciálů a elektrické pole).

Na Obr. 1 jsou obě desky neutrální a celkový nulový náboj na horní desce může být reprezentován součtem nábojů +Q a -Q. Na Obr. 1b se náboj -Q přenese z horní desky na spodní desku. Pokud na Obr. 1b spojíme desky drátem, pak přitažlivé síly opačných nábojů způsobí, že se náboj rychle přenese zpět a vrátíme se do situace znázorněné na obr. 1b. 1, a. Kladné náboje by se přesunuly na záporně nabitou desku a záporné náboje na kladně nabitou desku.

Říkáme, že mezi nabitými deskami znázorněnými na Obr. 1b, existuje rozdíl potenciálů a to, že na kladně nabité horní desce je potenciál vyšší než na záporně nabité spodní desce. Obecně existuje potenciální rozdíl mezi dvěma body, pokud vedení mezi těmito body vede k přenosu náboje.

Kladné náboje se pohybují z místa s vysokým potenciálem do místa s nízkým potenciálem, směr pohybu záporných nábojů je opačný — z místa s nízkým potenciálem do místa s vysokým potenciálem.

Jednotkou pro měření rozdílu potenciálu je volt (V). Rozdíl potenciálů se nazývá napětí a obvykle se označuje písmenem U.

Ke kvantifikaci napětí mezi dvěma body se používá koncept elektrické pole… V případě znázorněném na Obr.1b je mezi deskami rovnoměrné elektrické pole směřující z oblasti vyššího potenciálu (od kladné desky) do oblasti nižšího potenciálu (k záporné desce).

Síla tohoto pole, vyjádřená ve voltech na metr, je úměrná náboji na deskách a lze ji vypočítat z fyzikálních zákonů, pokud je známo rozložení nábojů. Vztah mezi velikostí elektrického pole a napětím U mezi deskami má tvar U = E NS e (volt = volt / metr x metr).

Přechod z nižšího potenciálu na vyšší tedy odpovídá pohybu proti směru pole.Ve složitější struktuře nemusí být elektrické pole všude rovnoměrné a pro určení rozdílu potenciálu mezi dvěma body, je nutné opakovaně používat rovnici U = E NS e.

Interval mezi pro nás zajímavostmi je rozdělen do mnoha úseků, z nichž každý je dostatečně malý na to, aby v něm bylo pole jednotné. Rovnice se potom aplikuje postupně na každý segment U = ENS e a sečtou se potenciální rozdíly pro každý úsek. Pro jakékoli rozložení nábojů a elektrických polí tedy můžete najít potenciální rozdíl mezi libovolnými dvěma body.

Při stanovení rozdílu potenciálů je nutné uvést nejen velikost napětí mezi dvěma body, ale také, který bod má největší potenciál. V elektrických obvodech obsahujících několik různých prvků však není vždy možné předem určit, který bod má nejvyšší potenciál. Aby nedošlo k záměně, je nutné přijmout podmínku pro znaky (obr. 2).

Rýže. 2… Určení polarity napětí (napětí může být kladné nebo záporné).

Bipolární obvodový prvek je reprezentován krabicí vybavenou dvěma svorkami (obr. 2, a). Za ideální vodiče elektrického proudu se považují vedení vedoucí z krabice do svorek. Jeden terminál je označen znaménkem plus, druhý znaménkem mínus. Tyto znaky fixují relativní polaritu. Napětí U na obr. 2 a je určeno podmínkou U = (potenciál svorky «+») — (potenciál svorky «-«).

Na Obr. 2b jsou nabité desky připojeny ke svorkám tak, že svorka «+» je připojena k desce s vyšším potenciálem. Zde je napětí U kladné číslo. Na Obr. 2 je svorka «+» připojena ke spodní potenciálové desce. V důsledku toho dostaneme záporné napětí.

Je důležité mít na paměti algebraickou formu reprezentace napětí. Jakmile je polarita určena, kladné napětí znamená, že svorka «+» má (vyšší potenciál) a záporné napětí znamená, že svorka «-» má vyšší potenciál.

Aktuální

Výše bylo uvedeno, že kladné nosiče náboje se pohybují z oblasti vysokého potenciálu do oblasti nízkého potenciálu, zatímco záporné nosiče náboje se pohybují z oblasti nízkého potenciálu do oblasti vysokého potenciálu. Jakýkoli převod poplatků znamená konec platnosti elektřina.

Na Obr. 3 ukazuje některé jednoduché případy toku elektrického proudu, povrch je zvolen C a je znázorněn pomyslný kladný směr. Pokud v průběhu času dt přes úsek S, celkový náboj Q projde zvoleným směrem, pak proud I přes S bude roven I = dV/dT. Jednotkou měření proudu je ampér (A) (1A = 1C/s).

Rýže. 3… Vztah mezi směrem proudu a směrem toku mobilních poplatků.Proud je kladný (a a b), pokud se výsledný tok kladných nábojů přes nějakou plochu C shoduje se zvoleným směrem. Proud je záporný (ba d), pokud je výsledný tok kladných nábojů přes povrch opačný než zvolený směr.

Potíže často vznikají při určování znaménka proudu Iz. Pokud jsou mobilní nosiče náboje kladné, pak kladný proud popisuje skutečný pohyb mobilních nosičů ve zvoleném směru, zatímco záporný proud popisuje tok mobilních nosičů náboje opačný ke zvolenému směru.

Pokud jsou mobilní operátoři negativní, musíte být opatrní při určování směru proudu. Zvažte Obr. 3d, ve kterém záporné mobilní nosiče náboje kříží S ve zvoleném směru. Předpokládejme, že každá nosná má náboj -q a rychlost průtoku S je n nosných za sekundu. Během dt je celkový průchod nábojů C zvoleným směrem dV = -n NS q NS dt, což odpovídá proudu I = dV/dT.

Proto je proud na obr. 3d záporný. Navíc se tento proud shoduje s proudem vytvořeným pohybem kladných nosičů s nábojem + q povrchem S rychlostí n nosičů za sekundu v opačném směru, než je zvolený (obr. 3, b). Dvouciferné poplatky se tedy promítají do dvouciferného proudu. Pro většinu případů v elektronických obvodech je znaménko proudu významné a nezáleží na tom, které nosiče náboje (kladné nebo záporné) tento proud přenášejí. Proto často, když mluví o elektrickém proudu, předpokládají, že nosiče náboje jsou kladné (viz — Směr elektrického proudu).

V polovodičových zařízeních je však rozdíl mezi kladnými a zápornými nosiči náboje kritický pro provoz zařízení.Podrobné zkoumání provozu těchto zařízení by mělo jasně rozlišit znaky mobilních nosičů poplatků. Pojem proudu protékající určitou oblastí lze snadno zobecnit na proud procházející prvkem obvodu.

Na Obr. 4 znázorňuje bipolární prvek. Směr kladného proudu je znázorněn šipkou.

Rýže. 4. Proud přes prvek obvodu. Náboje vstupují do buňky přes terminál A rychlostí i (coulomby za sekundu) a stejnou rychlostí z buňky odcházejí přes terminál A'.

Pokud prvkem obvodu protéká kladný proud, kladný náboj vstupuje na svorku A rychlostí i coulombů za sekundu. Ale, jak již bylo uvedeno, materiály (a obvodové prvky) obvykle zůstávají elektricky neutrální. (Dokonce i "nabitý" článek na obr. 1 má nulový celkový náboj.) Pokud tedy náboj proudí do článku přes svorku A, musí stejné množství náboje současně vytékat z článku přes svorku A'. Tato kontinuita toku elektrického proudu prvkem obvodu vyplývá z neutrality prvku jako celku.

Napájení

Jakýkoli bipolární prvek v obvodu může mít mezi svými svorkami napětí a může jím protékat proud. Značky proudu a napětí lze určit nezávisle, ale mezi polaritami napětí a proudu existuje důležitý fyzikální vztah, pro jehož objasnění se obvykle berou některé další podmínky.

Na Obr. 4 ukazuje, jak se určují relativní polarity napětí a proudu. Když je zvolen směr proudu, proudí do svorky «+». Když je tato dodatečná podmínka splněna, lze určit důležitou elektrickou veličinu – elektrický výkon. Uvažujme obvodový prvek na obr. 4.

Pokud jsou napětí a proud kladné, pak existuje nepřetržitý tok kladných nábojů z bodu s vysokým potenciálem do bodu s nízkým potenciálem. Pro udržení tohoto toku je nutné oddělit kladné náboje od záporných a zavést je do svorky «+». Toto nepřetržité oddělování vyžaduje nepřetržitý výdej energie.

Jak náboje procházejí prvkem, uvolňují tuto energii. A protože se energie musí skladovat, buď se uvolňuje v obvodovém prvku jako teplo (například v toustovači), nebo se v něm ukládá (například při nabíjení autobaterie). Rychlost, s jakou k této přeměně energie dochází, se nazývá Napájení a je určeno výrazem P = U NS Az (watty = volty x ampéry).

Jednotkou měření výkonu je watt (W), což odpovídá přeměně 1 J energie na 1 s. Výkon rovný součinu napětí a proudu s polaritami definovanými na obr. 4 je algebraická veličina.

Je-li P > 0, jako ve výše uvedeném případě, výkon je rozptýlen nebo absorbován v prvku. Je-li P < 0, pak v tomto případě prvek napájí obvod, ve kterém je zapojen.

Odporové prvky

Pro každý prvek obvodu můžete napsat specifický vztah mezi svorkovým napětím a proudem procházejícím prvkem. Odporový prvek je prvek, pro který lze vykreslit vztah mezi napětím a proudem Tento graf se nazývá charakteristika proud-napětí. Příklad takové funkce je znázorněn na Obr. 5.

Rýže. 5. Proudově-napěťová charakteristika odporového prvku

Pokud je známé napětí na svorkách prvku D, pak může graf určit proud procházející prvkem D.Podobně, pokud je známý proud, lze určit napětí.

Perfektní odolnost

Ideální odpor (nebo rezistor) je lineární odporový prvek… Podle definice linearity je vztah mezi napětím a proudem v lineárním odporovém prvku takový, že když se proud zdvojnásobí, zdvojnásobí se také napětí. Obecně by napětí mělo být úměrné proudu.

Proporcionální vztah mezi napětím a proudem se nazývá Ohmův zákon pro část obvodu a zapisuje se dvěma způsoby: U = I NS R, kde R je odpor prvku a I = G NS U, kde G = I / R je vodivost prvku. Jednotkou odporu je ohm (ohm) a jednotkou vodivosti je siemens (cm).

Proudově-napěťová charakteristika ideálního odporu je na Obr. 6. Graf je přímka procházející počátkem se sklonem rovným Az/R.

Rýže. 6. Označení (a) a proudově-napěťová charakteristika (b) ideálního rezistoru.

Výkon s perfektním odporem

Vyjádření výkonu absorbovaného ideálním odporem:

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

Stejně jako absorbovaný výkon v ideálním odporu závisí na druhé mocnině proudu (nebo napětí), znaménko absorbovaného výkonu v v ideálním odporu závisí na znaménku R. I když se někdy používají záporné hodnoty odporu při simulaci určitých typů zařízení pracujících v určitých režimech jsou všechny reálné odpory obvykle kladné. Pro tyto odpory je absorbovaný výkon vždy kladný.

Elektrická energie absorbovaná odporem, podle zákon zachování energie, Musí se NStransformovat na jiné druhy.Nejčastěji se elektrická energie přeměňuje na tepelnou energii, nazývanou Jouleovo teplo. Rychlost vylučování joulové teplo pokud jde o odpor, odpovídá rychlosti absorpce elektrické energie. Výjimkou jsou ty odporové prvky (například žárovka nebo reproduktor), kde se část absorbované energie přeměňuje na jiné formy (světelná a zvuková energie).

Vzájemný vztah hlavních elektrických veličin

Pro stejnosměrný proud jsou základní jednotky znázorněny na Obr. 7.

Rýže. 7. Vzájemný vztah hlavních elektrických veličin

Čtyři základní jednotky — proud, napětí, odpor a výkon — jsou propojeny spolehlivě vytvořenými vztahy, což nám umožňuje provádět nejen přímá, ale i nepřímá měření nebo vypočítat potřebné hodnoty z jiných naměřených. Takže pro měření napětí v části obvodu je třeba mít voltmetr, ale i v jeho nepřítomnosti, když znáte proud v obvodu a proudový odpor v této sekci, můžete vypočítat hodnotu napětí.