Elektrische basisgrootheden: lading, spanning, stroom, vermogen, weerstand

Elektrische basisgrootheden: stroom, spanning, weerstand en vermogen.

Opladen

Het belangrijkste fysische fenomeen in elektrische circuits is beweging elektrische lading… Er zijn twee soorten ladingen in de natuur: positief en negatief. Zoals ladingen elkaar aantrekken, zoals ladingen elkaar afstoten. Dit leidt tot het feit dat er een neiging is om positieve ladingen in gelijke hoeveelheden te groeperen met negatieve.

Een atoom bestaat uit een positief geladen kern omgeven door een wolk van negatief geladen elektronen. De totale negatieve lading in absolute waarde is gelijk aan de positieve lading van de kern. Daarom heeft het atoom geen totale lading, er wordt ook gezegd dat het elektrisch neutraal is.

In materialen die kunnen vasthouden elektriciteit, sommige elektronen zijn gescheiden van atomen en hebben het vermogen om in een geleidend materiaal te bewegen. Deze elektronen worden mobiele ladingen of ladingsdragers genoemd.

Omdat elk atoom in de begintoestand neutraal is, wordt het na de scheiding van het negatief geladen elektron een positief geladen ion.Positieve ionen kunnen niet vrij bewegen en vormen een systeem van stationaire, vaste ladingen (zie — Welke stoffen geleiden elektriciteit).

Bij halfgeleidersmobiele elektronen vormen een belangrijke materiaalklasse en kunnen op twee manieren bewegen: of de elektronen gedragen zich gewoon als negatief geladen dragers. Of een complexe verzameling van vele elektronen beweegt zo alsof er positief geladen mobiele dragers in het materiaal zitten. Vaste lasten kunnen van beide aard zijn.

Geleidende materialen kunnen worden gezien als materialen die mobiele ladingsdragers bevatten (die een van twee tekens kunnen hebben) en vaste ladingen met tegengestelde polariteit.

Er zijn ook materialen die isolatoren worden genoemd en die geen elektriciteit geleiden. Alle ladingen in de isolator zijn vast. Voorbeelden van isolatoren zijn lucht, mica, glas, dunne lagen oxiden die zich op de oppervlakken van veel metalen vormen, en natuurlijk een vacuüm (waarin helemaal geen lading is).

Lading wordt gemeten in coulombs (C) en wordt meestal aangeduid met Q.

De hoeveelheid lading of de hoeveelheid negatieve elektriciteit per elektron is vastgesteld door middel van talloze experimenten en bleek 1.601 × 10-19 CL of 4.803 x 10-10 elektrostatische ladingen te zijn.

Een idee van het aantal elektronen dat door een draad stroomt, zelfs bij relatief lage stromen, kan als volgt worden verkregen. Aangezien de lading van het elektron 1.601 • 10-19 CL is, is het aantal elektronen dat een lading creëert gelijk aan de coulomb het omgekeerde van het gegeven, dat wil zeggen, het is ongeveer gelijk aan 6 • 1018.

Een stroom van 1 A komt overeen met een stroom van 1 C per seconde, en bij een stroom van slechts 1 μmka (10-12 A) door de dwarsdoorsnede van de draad ongeveer 6 miljoen elektronen per seconde.Stromen van een dergelijke omvang zijn tegelijkertijd zo klein dat hun detectie en meting gepaard gaan met aanzienlijke experimentele moeilijkheden.

De lading op een positief ion is een geheel veelvoud van de lading op een elektron, maar heeft het tegengestelde teken. Voor deeltjes die enkelvoudig geïoniseerd zijn, blijkt de lading gelijk te zijn aan de lading van het elektron.

De dichtheid van de kern is veel hoger dan de dichtheid van het elektron.Het grootste deel van het volume dat door het atoom als geheel wordt ingenomen, is leeg.

Het concept van elektrische verschijnselen

Door twee verschillende lichamen tegen elkaar te wrijven, maar ook door inductie, kunnen de lichamen speciale eigenschappen krijgen - elektrisch. Dergelijke lichamen worden geëlektrificeerd genoemd.

De verschijnselen die verband houden met de interactie van geëlektrificeerde lichamen worden genoemd elektrische verschijnselen.

De interactie tussen geëlektrificeerde lichamen wordt bepaald door de zogenaamde Elektrische krachten die verschillen van krachten van een andere aard doordat ze ervoor zorgen dat geladen lichamen elkaar afstoten en aantrekken, ongeacht de snelheid van hun beweging.

Op deze manier verschilt de interactie tussen geladen lichamen bijvoorbeeld van de zwaartekracht, die alleen wordt gekenmerkt door de aantrekkingskracht van lichamen, of van de krachten van magnetische oorsprong, die afhangen van de relatieve bewegingssnelheid van ladingen, waardoor magnetische fenomenen.

Elektrotechniek bestudeert voornamelijk de wetten van externe manifestatie van eigenschappen geëlektrificeerde lichamen — wetten van elektromagnetische velden.

Spanning

Vanwege de sterke aantrekkingskracht tussen tegengestelde ladingen zijn de meeste materialen elektrisch neutraal. Het kost energie om de positieve en negatieve ladingen te scheiden.

In afb. 1 toont twee geleidende, aanvankelijk ongeladen platen op een afstand d van elkaar verwijderd.Aangenomen wordt dat de ruimte tussen de platen is gevuld met een isolator, zoals lucht, of dat ze zich in een vacuüm bevinden.

Rijst. 1. Twee geleidende, aanvankelijk ongeladen platen: a — de platen zijn elektrisch neutraal; b — lading -Q wordt overgebracht naar de bodemplaat (er is een potentiaalverschil en een elektrisch veld tussen de platen).

In afb. 1 zijn beide platen neutraal en kan de totale lading nul op de bovenste plaat worden weergegeven door de som van de ladingen +Q en -Q. In afb. 1b wordt de lading -Q overgedragen van de bovenplaat naar de onderplaat. Als in afb. 1b, verbinden we de platen met een draad, dan zullen de aantrekkingskrachten van de tegengestelde ladingen ervoor zorgen dat de lading snel teruggaat en keren we terug naar de situatie getoond in Fig. 1, een. Positieve ladingen gaan naar de negatief geladen plaat en negatieve ladingen naar de positief geladen plaat.

We zeggen dat tussen de geladen platen getoond in Fig. 1b, er is een potentiaalverschil en dat op de positief geladen bovenplaat de potentiaal hoger is dan op de negatief geladen onderplaat. Over het algemeen is er een potentiaalverschil tussen twee punten als geleiding tussen die punten resulteert in ladingsoverdracht.

Positieve ladingen bewegen van een punt met een hoog potentieel naar een punt met een laag potentieel, de bewegingsrichting van negatieve ladingen is tegengesteld - van een punt met een laag potentieel naar een punt met een hoog potentieel.

De eenheid voor het meten van het potentiaalverschil is de volt (V). Het potentiaalverschil wordt spanning genoemd en wordt meestal aangeduid met de letter U.

Om de spanning tussen twee punten te kwantificeren, wordt het concept gebruikt elektrisch veld… In het geval getoond in afb.1b, er is een uniform elektrisch veld tussen de platen die zijn gericht van het gebied met hogere potentiaal (van de positieve plaat) naar het gebied met lagere potentiaal (naar de negatieve plaat).

De sterkte van dit veld, uitgedrukt in volt per meter, is evenredig met de lading op de platen en kan worden berekend uit de natuurwetten als de verdeling van ladingen bekend is. De relatie tussen de grootte van het elektrisch veld en de spanning U tussen de platen heeft de vorm U = E NS e (volt = volt / meter x meter).

Dus de overgang van een lagere potentiaal naar een hogere komt overeen met de beweging tegen de richting van het veld in.In een complexere structuur is het elektrische veld mogelijk niet overal uniform, en om het potentiaalverschil tussen twee punten te bepalen, het is noodzakelijk om herhaaldelijk de vergelijking U = EN NS e te gebruiken.

Het interval tussen de punten die voor ons van belang zijn, is verdeeld in vele secties, die elk klein genoeg zijn om het veld er uniform in te maken. De vergelijking wordt vervolgens achtereenvolgens toegepast op elk segment U = E NS e en de potentiaalverschillen voor elke sectie worden opgeteld. Dus voor elke verdeling van ladingen en elektrische velden kun je het potentiaalverschil vinden tussen twee willekeurige punten.

Bij het bepalen van het potentiaalverschil is het noodzakelijk om niet alleen de grootte van de spanning tussen twee punten aan te geven, maar ook welk punt het hoogste potentieel heeft. In elektrische circuits die meerdere verschillende elementen bevatten, is het echter niet altijd mogelijk om van tevoren te bepalen welk punt het hoogste potentieel heeft. Om verwarring te voorkomen, is het noodzakelijk om de voorwaarde voor tekens te accepteren (Fig. 2).

Rijst. 2… Bepaling spanningspolariteit (spanning kan positief of negatief zijn).

Een bipolair circuitelement wordt weergegeven door een doos die is uitgerust met twee aansluitingen (afb. 2, a). De lijnen die van de doos naar de terminals leiden, worden verondersteld ideale geleiders van elektrische stroom te zijn. De ene aansluiting is gemarkeerd met een plusteken, de andere met een minteken. Deze tekens leggen de relatieve polariteit vast. Spanning U in afb. 2, en wordt bepaald door de voorwaarde U = (potentiaal van klem «+») — (potentiaal van klem «-«).

In afb. 2b, zijn de geladen platen verbonden met de klemmen zodat de «+» klem verbonden is met de plaat met een hoger potentiaal. Hier is de spanning U een positief getal. In afb. 2, de «+» klem is verbonden met de onderste potentiaalplaat. Als gevolg hiervan krijgen we een negatieve spanning.

Het is belangrijk om te onthouden over de algebraïsche vorm van spanningsrepresentatie. Zodra de polariteit is bepaald, betekent een positieve spanning dat de «+» aansluiting een (hogere potentiaal) heeft en een negatieve spanning betekent dat de «-» aansluiting een hogere potentiaal heeft.

Huidig

Hierboven werd opgemerkt dat positieve ladingsdragers van het gebied met hoge potentiaal naar het gebied met lage potentiaal gaan, terwijl negatieve ladingsdragers van het gebied met lage potentiaal naar het gebied met hoge potentiaal gaan. Elke overdracht van vergoedingen betekent vervaldatum elektriciteit.

In afb. 3 toont enkele eenvoudige gevallen van het vloeien van elektrische stroom, het oppervlak wordt gekozen C en de denkbeeldige positieve richting wordt getoond. Als na verloop van tijd dt door de sectie S, de totale lading Q in de gekozen richting zal gaan, dan zal de stroom I tot en met S gelijk zijn aan I = dV/dT. De meeteenheid van stroom is de ampère (A) (1A = 1C / s).

Rijst. 3… De relatie tussen de stroomrichting en de stroomrichting van mobiele kosten.De stroom is positief (a en b) als de resulterende stroom van positieve ladingen door een bepaald oppervlak C samenvalt met de gekozen richting. De stroom is negatief (b en d) als de resulterende stroom van positieve ladingen over het oppervlak tegengesteld is aan de gekozen richting.

Moeilijkheden doen zich vaak voor bij het bepalen van het teken van de huidige Iz. Als de mobiele ladingsdragers positief zijn, beschrijft de positieve stroom de daadwerkelijke beweging van de mobiele ladingsdragers in de gekozen richting, terwijl de negatieve stroom de stroom van mobiele ladingsdragers tegengesteld aan de gekozen richting beschrijft.

Als de mobiele operators negatief zijn, moet u voorzichtig zijn bij het bepalen van de richting van de stroming. Overweeg afb. 3d waarin de negatieve mobiele ladingsdragers S kruisen in de gekozen richting. Neem aan dat elke drager lading -q heeft en dat de stroomsnelheid door S n dragers per seconde is. Gedurende dt is de totale doorgang van lading C in de gekozen richting dV = -n NS q NS dt, hetgeen overeenkomt met de stroom I = dV/ dT.

Daarom is de stroom in figuur 3d negatief. Bovendien valt deze stroom samen met de stroom die wordt gecreëerd door de beweging van positieve dragers met lading + q door het oppervlak S met een snelheid van n dragers per seconde in de richting tegengesteld aan de gekozen richting (Fig. 3, b). Dubbelcijferige kosten worden dus weerspiegeld in de dubbelcijferige stroom. Voor de meeste gevallen in elektronische schakelingen is het teken van de stroom significant en maakt het niet uit welke ladingsdragers (positief of negatief) die stroom voeren. Daarom gaan ze er vaak van uit dat de ladingsdragers positief zijn als ze over elektrische stroom praten (zie - Richting elektrische stroom).

In halfgeleiderapparaten is het verschil tussen positieve en negatieve ladingsdragers echter cruciaal voor de werking van het apparaat.Een gedetailleerd onderzoek van de werking van deze apparaten zou de tekenen van mobiele ladingdragers duidelijk moeten onderscheiden. Het concept van een stroom die door een bepaald gebied vloeit, kan gemakkelijk worden gegeneraliseerd naar een stroom door een circuitelement.

In afb. 4 toont een bipolair element. De richting van de positieve stroom wordt weergegeven door een pijl.

Rijst. 4. Stroom door een circuitelement. Ladingen komen de cel binnen via terminal A met een snelheid i (coulombs per seconde) en verlaten de cel via terminal A' met dezelfde snelheid.

Als een positieve stroom door een circuitelement vloeit, komt er een positieve lading terminal A binnen met een snelheid van i coulombs per seconde. Maar zoals reeds opgemerkt, blijven materialen (en circuitelementen) meestal elektrisch neutraal. (Zelfs een "geladen" cel in figuur 1 heeft geen totale lading.) Daarom, als lading de cel binnenstroomt via aansluitpunt A, moet er tegelijkertijd een gelijke hoeveelheid lading uit de cel stromen via aansluitpunt A'. Deze continuïteit van elektrische stroom door het circuitelement volgt uit de neutraliteit van het element als geheel.

Stroom

Elk bipolair element in een circuit kan een spanning hebben tussen de aansluitingen en er kan stroom doorheen vloeien. De tekenen van stroom en spanning kunnen onafhankelijk worden bepaald, maar er is een belangrijke fysieke relatie tussen de polariteiten van spanning en stroom, ter verduidelijking waarvan meestal enkele aanvullende voorwaarden worden gehanteerd.

In afb. 4 laat zien hoe de relatieve polariteiten van spanning en stroom worden bepaald. Wanneer de stroomrichting is geselecteerd, stroomt deze naar de «+» aansluiting. Wanneer aan deze aanvullende voorwaarde is voldaan, kan een belangrijke elektrische grootheid - elektrisch vermogen - worden bepaald. Beschouw het circuitelement in Fig. 4.

Als de spanning en stroom positief zijn, is er een continue stroom van positieve ladingen van een punt met een hoog potentieel naar een punt met een laag potentieel. Om deze stroom te behouden, is het noodzakelijk om de positieve ladingen van de negatieve te scheiden en ze in de «+» terminal te brengen. Deze continue scheiding vereist een continu energieverbruik.

Terwijl ladingen door het element gaan, geven ze deze energie vrij. En aangezien energie moet worden opgeslagen, komt deze ofwel als warmte vrij in het circuitelement (bijvoorbeeld in een broodrooster) of erin opgeslagen (bijvoorbeeld bij het opladen van een auto-accu). De snelheid waarmee deze energieomzetting plaatsvindt, wordt genoemd stroom en wordt bepaald door de uitdrukking P = U NS Az (watt = volt x ampère).

De meeteenheid van vermogen is watt (W), wat overeenkomt met de omzetting van 1 J energie in 1 s. Vermogen gelijk aan het product van spanning en stroom met de polariteiten gedefinieerd in Fig. 4 is een algebraïsche grootheid.

Als P > 0, zoals in het bovenstaande geval, wordt het vermogen gedissipeerd of geabsorbeerd in het element. Als P < 0, dan levert het element in dit geval stroom aan het circuit waarin het is aangesloten.

Resistieve elementen

Voor elk circuitelement kunt u een specifieke relatie schrijven tussen de klemspanning en de stroom door het element. Een weerstandselement is een element waarvan de relatie tussen spanning en stroom kan worden uitgezet.Deze grafiek wordt de stroom-spanningskarakteristiek genoemd. Een voorbeeld van een dergelijk kenmerk wordt getoond in Fig. 5.

Rijst. 5. Stroom-spanningskarakteristiek van een weerstandselement

Als de spanning op de klemmen van element D bekend is, kan de grafiek de stroom door element D bepalen.Evenzo, als de stroom bekend is, kan de spanning worden bepaald.

Perfecte weerstand

De ideale weerstand (of weerstand) is lineair weerstandselement… Per definitie van lineariteit is de relatie tussen spanning en stroom in een lineair weerstandselement zodanig dat wanneer de stroom wordt verdubbeld, de spanning ook wordt verdubbeld. Over het algemeen moet de spanning evenredig zijn met de stroom.

De proportionele relatie tussen spanning en stroom wordt genoemd De wet van Ohm voor een deel van een circuit en wordt op twee manieren geschreven: U = I NS R, waarbij R de weerstand van het element is, en I = G NS U, waarbij G = I / R de geleidbaarheid van het element is. De eenheid van weerstand is de ohm (ohm) en de eenheid van geleidbaarheid is de siemens (cm).

De stroom-spanningskarakteristiek van de ideale weerstand wordt getoond in Fig. 6. De grafiek is een rechte lijn door de oorsprong met een helling gelijk aan Az/R.

Rijst. 6. Aanduiding (a) en stroom-spanningskarakteristiek (b) van een ideale weerstand.

Kracht met perfecte weerstand

Het vermogen uitgedrukt door de ideale weerstand:

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

Net zoals het opgenomen vermogen bij een ideale weerstand afhangt van het kwadraat van de stroom (of spanning), hangt het teken van het opgenomen vermogen v in een ideale weerstand af van het teken van R. Hoewel er soms negatieve weerstandswaarden worden gebruikt bij het simuleren van bepaalde soorten apparaten die in bepaalde modi werken, zijn alle echte weerstanden meestal positief. Voor deze weerstanden is het opgenomen vermogen altijd positief.

De door de weerstand geabsorbeerde elektrische energie vlgs wet van behoud van energie, Moet NStransformeren in andere soorten.Meestal wordt elektrische energie omgezet in warmte-energie, Joule-warmte genoemd. Excretie tarief joule warmte in termen van weerstand komt het overeen met de absorptiesnelheid van elektrische energie. Uitzonderingen zijn die resistieve elementen (bijvoorbeeld een gloeilamp of luidspreker), waarbij een deel van de geabsorbeerde energie wordt omgezet in andere vormen (licht- en geluidsenergie).

Onderling verband van de belangrijkste elektrische grootheden

Voor gelijkstroom zijn de basiseenheden weergegeven in afb. 7.

Rijst. 7. Onderling verband van de belangrijkste elektrische grootheden

Vier basiseenheden - stroom, spanning, weerstand en vermogen - zijn onderling verbonden door betrouwbaar vastgestelde relaties, waardoor we niet alleen directe, maar ook indirecte metingen kunnen doen of de waarden kunnen berekenen die we nodig hebben van andere gemeten waarden. Dus om de spanning in een deel van het circuit te meten, moet je een voltmeter hebben, maar zelfs als die er niet is, kun je, als je de stroom in het circuit en de stroomweerstand in dit gedeelte kent, de waarde van de spanning berekenen.