Magnituds elèctriques bàsiques: càrrega, tensió, corrent, potència, resistència

Magnituds elèctriques bàsiques: corrent, tensió, resistència i potència.

Carregant

El fenomen físic més important en els circuits elèctrics és el moviment càrrega elèctrica... Hi ha dos tipus de càrregues a la natura: positives i negatives. Les càrregues semblants s'atrauen, com les càrregues es repel·len. Això porta al fet que hi ha una tendència a agrupar les càrregues positives amb les negatives en quantitats iguals.

Un àtom està format per un nucli carregat positivament envoltat per un núvol d'electrons carregats negativament. La càrrega negativa total en valor absolut és igual a la càrrega positiva del nucli. Per tant, l'àtom té càrrega total zero, també es diu que és elèctricament neutre.

En materials que puguin contenir electricitat, alguns electrons estan separats dels àtoms i tenen la capacitat de moure's en un material conductor. Aquests electrons s'anomenen càrregues mòbils o portadors de càrrega.

Com que cada àtom en l'estat inicial és neutre, després de la separació de l'electró carregat negativament, es converteix en un ió carregat positivament.Els ions positius no es poden moure lliurement i formen un sistema de càrregues fixes i estacionàries (vegeu: Quines substàncies condueixen l'electricitat).

En semiconductorsconstituint una classe important de materials, els electrons mòbils es poden moure de dues maneres: o els electrons simplement es comporten com a portadors carregats negativament. O una complexa col·lecció de molts electrons es mou de tal manera com si hi hagués portadors mòbils carregats positivament al material. Els càrrecs fixos poden ser de qualsevol dels dos caràcters.

Els materials conductors es poden considerar materials que contenen portadors de càrrega mòbils (que poden tenir un dels dos signes) i càrregues fixes de polaritat oposada.

També hi ha materials anomenats aïllants que no condueixen l'electricitat. Totes les càrregues de l'aïllant són fixes. Alguns exemples d'aïllants són l'aire, la mica, el vidre, les capes fines d'òxids que es formen a les superfícies de molts metalls i, per descomptat, el buit (en el qual no hi ha cap càrrega).

La càrrega es mesura en coulombs (C) i normalment es denota amb Q.

La quantitat de càrrega o la quantitat d'electricitat negativa per electró s'ha establert a través de nombrosos experiments i s'ha trobat que és 1,601 × 10-19 CL o 4,803 x 10-10 càrregues electrostàtiques.

Es pot obtenir una idea del nombre d'electrons que flueixen a través d'un cable fins i tot a corrents relativament baixos de la següent manera. Com que la càrrega de l'electró és 1,601 • 10-19 CL, aleshores el nombre d'electrons que creen una càrrega igual al coulomb és el recíproc del donat, és a dir, és aproximadament igual a 6 • 1018.

Un corrent d'1 A correspon a un flux d'1 C per segon, i a un corrent de només 1 μmka (10-12 A) a través de la secció transversal del cable, aproximadament 6 milions d'electrons per segon.Els corrents d'aquesta magnitud són alhora tan petits que la seva detecció i mesura s'associen a importants dificultats experimentals.

La càrrega d'un ió positiu és un múltiple enter de la càrrega d'un electró, però té el signe contrari. Per a les partícules que estan ionitzades individualment, la càrrega resulta ser igual a la càrrega de l'electró.

La densitat del nucli és molt superior a la de l'electró La major part del volum ocupat per l'àtom en el seu conjunt està buit.

El concepte de fenòmens elèctrics

En fregar dos cossos diferents junts, així com per inducció, els cossos poden rebre propietats especials: elèctriques. Aquests cossos s'anomenen electrificats.

Els fenòmens associats a la interacció de cossos electrificats s'anomenen fenòmens elèctrics.

La interacció entre cossos electrificats ve determinada per l'anomenat Forces elèctriques que es diferencien de les forces d'una altra naturalesa perquè fan que els cossos carregats es repel·lin i s'atraguin, independentment de la velocitat del seu moviment.

D'aquesta manera, la interacció entre cossos carregats difereix, per exemple, de la gravitatòria, que es caracteritza només per l'atracció dels cossos, o de les forces d'origen magnètic, que depenen de la velocitat relativa de moviment de les càrregues, provocant fenòmens.

L'enginyeria elèctrica estudia principalment les lleis de la manifestació externa de les propietats cossos electrificats - Lleis dels camps electromagnètics.

Voltatge

A causa de la forta atracció entre càrregues oposades, la majoria dels materials són elèctricament neutres. Es necessita energia per separar les càrregues positives i negatives.

A la fig. La figura 1 mostra dues plaques conductores, inicialment sense càrrega, separades a una distància d.Se suposa que l'espai entre les plaques s'omple amb un aïllant, com l'aire, o estan al buit.

Arròs. 1. Dues plaques conductores, inicialment sense càrrega: a — les plaques són elèctricament neutres; b — la càrrega -Q es transfereix a la placa inferior (hi ha una diferència de potencial i un camp elèctric entre les plaques).

A la fig. 1, ambdues plaques són neutres i la càrrega zero total a la placa superior es pot representar per la suma de càrregues +Q i -Q. A la fig. 1b, la càrrega -Q es transfereix de la placa superior a la placa inferior. Si a la fig. 1b, connectem les plaques amb un cable, aleshores les forces d'atracció de les càrregues oposades faran que la càrrega es transfereixi ràpidament i tornarem a la situació que es mostra a la fig. 1, a. Les càrregues positives es mourien a la placa carregada negativament i les càrregues negatives a la placa carregada positivament.

Diem que entre les plaques carregades que es mostren a la Fig. 1b, hi ha una diferència de potencial i que a la placa superior carregada positivament el potencial és més alt que a la placa inferior carregada negativament. En general, hi ha una diferència de potencial entre dos punts si la conducció entre aquests punts dóna lloc a la transferència de càrrega.

Les càrregues positives es mouen d'un punt d'alt potencial a un punt de baix potencial, la direcció del moviment de les càrregues negatives és oposada: d'un punt de baix potencial a un punt d'alt potencial.

La unitat per mesurar la diferència de potencial és el volt (V). La diferència de potencial s'anomena tensió i normalment es denota amb la lletra U.

Per quantificar la tensió entre dos punts, s'utilitza el concepte camp elèctric… En el cas que es mostra a la fig.A la figura 1b, hi ha un camp elèctric uniforme entre les plaques dirigit des de la regió de major potencial (des de la placa positiva) a la regió de menor potencial (a la placa negativa).

La força d'aquest camp, expressada en volts per metre, és proporcional a la càrrega de les plaques i es pot calcular a partir de les lleis de la física si es coneix la distribució de les càrregues. La relació entre la magnitud del camp elèctric i la tensió U entre les plaques té la forma U = E NS e (volt = volt / metre x metre).

Per tant, la transició d'un potencial més baix a un de més alt correspon al moviment en contra de la direcció del camp.En una estructura més complexa, el camp elèctric pot no ser uniforme a tot arreu, i per tal de determinar la diferència de potencial entre dos punts, cal fer servir repetidament l'equació U = E NS e.

L'interval entre els punts d'interès per a nosaltres es divideix en moltes seccions, cadascuna de les quals és prou petita perquè el camp hi sigui uniforme. Llavors s'aplica l'equació successivament a cada segment U = E NS e i es sumen les diferències de potencial de cada secció. Així, per a qualsevol distribució de càrregues i camps elèctrics, podeu trobar la diferència de potencial entre dos punts qualsevol.

Quan es determina la diferència de potencial, cal indicar no només la magnitud de la tensió entre dos punts, sinó també quin punt té el potencial més alt. Tanmateix, en els circuits elèctrics que contenen diversos elements diferents, no sempre és possible determinar per endavant quin punt té el potencial més alt. Per evitar confusions, cal acceptar la condició dels signes (Fig. 2).

Arròs. 2... Determinació de la polaritat de la tensió (la tensió pot ser positiva o negativa).

Un element de circuit bipolar està representat per una caixa equipada amb dos terminals (Fig. 2, a). Se suposa que les línies que van des de la caixa fins als terminals són conductors ideals del corrent elèctric. Un terminal està marcat amb un signe més i l'altre amb un signe menys. Aquests caràcters fixen la polaritat relativa. Tensió U a la fig. 2, i està determinada per la condició U = (potencial del terminal «+») — (potencial del terminal «-«).

A la fig. A la figura 2b, les plaques carregades es connecten als terminals de manera que el terminal «+» està connectat a la placa amb un potencial més alt. Aquí la tensió U és un nombre positiu. A la fig. 2, el terminal «+» està connectat a la placa de potencial inferior. Com a resultat, obtenim una tensió negativa.

És important recordar la forma algebraica de la representació de l'estrès. Un cop determinada la polaritat, una tensió positiva significa que el terminal «+» té un (potencial més alt) i una tensió negativa significa que el terminal «-» té un potencial més alt.

Actual

Es va assenyalar anteriorment que els portadors de càrrega positiva es mouen de la regió d'alt potencial a la regió de baix potencial, mentre que els portadors de càrrega negativa es mouen de la regió de baix potencial a la regió d'alt potencial. Qualsevol transferència de taxes suposa la caducitat electricitat.

A la fig. La figura 3 mostra alguns casos senzills de flux de corrent elèctric, es tria la superfície C i es mostra la direcció positiva nocional. Si amb el temps dt per la secció S, la càrrega total Q passarà en la direcció escollida, aleshores el corrent I a través de S serà igual a I = dV/dT. La unitat de mesura del corrent és l'ampere (A) (1A = 1C/s).

Arròs. 3... La relació entre la direcció del corrent i la direcció del flux de càrregues mòbils.El corrent és positiu (a i b) si el flux resultant de càrregues positives per alguna superfície C coincideix amb la direcció escollida. El corrent és negatiu (b i d) si el flux resultant de càrregues positives a través de la superfície és oposat a la direcció escollida.

Sovint sorgeixen dificultats per determinar el signe de l'actual Iz. Si els portadors de càrrega mòbils són positius, aleshores el corrent positiu descriu el moviment real dels portadors mòbils en la direcció escollida, mentre que el corrent negatiu descriu el flux dels portadors de càrrega mòbils oposat a la direcció escollida.

Si els operadors mòbils són negatius, cal anar amb compte a l'hora de determinar la direcció del corrent. Considereu la fig. 3d en què els portadors de càrrega mòbil negativa creuen S en la direcció escollida. Suposem que cada portador té càrrega -q i el cabal a través de S és n portadors per segon. Durant dt és el pas total de les càrregues C en la direcció escollida serà dV = -n NS q NS dt, que correspon al corrent I = dV/ dT.

Per tant, el corrent de la figura 3d és negatiu. A més, aquest corrent coincideix amb el corrent creat pel moviment de portadors positius amb càrrega + q per la superfície S a una velocitat de n portadors per segon en sentit contrari a l'escollit (Fig. 3, b). Així, les càrregues de dos dígits es reflecteixen en el corrent de dos dígits. En la majoria dels casos en circuits electrònics, el signe del corrent és significatiu i no importa quins portadors de càrrega (positius o negatius) porten aquest corrent. Per tant, sovint quan parlen de corrent elèctric, assumeixen que els portadors de càrrega són positius (vegeu: Direcció del corrent elèctric).

En els dispositius semiconductors, però, la diferència entre els portadors de càrrega positiva i negativa és fonamental per al funcionament del dispositiu.Un examen detallat del funcionament d'aquests dispositius hauria de distingir clarament els signes dels portadors de càrrega mòbil. El concepte d'un corrent que flueix per una determinada àrea es pot generalitzar fàcilment a un corrent a través d'un element de circuit.

A la fig. La figura 4 mostra un element bipolar. La direcció del corrent positiu es mostra amb una fletxa.

Arròs. 4. Corrent a través d'un element de circuit. Les càrregues entren a la cèl·lula pel terminal A a una velocitat i (coulombs per segon) i surten de la cèl·lula pel terminal A' a la mateixa velocitat.

Si un corrent positiu flueix per un element del circuit, una càrrega positiva entra al terminal A a una velocitat de i coulombs per segon. Però, com ja s'ha assenyalat, els materials (i els elements del circuit) solen romandre elèctricament neutres. (Fins i tot una cel·la "carregada" de la figura 1 té una càrrega total zero.) Per tant, si la càrrega flueix a la cel·la a través del terminal A, una quantitat igual de càrrega ha de sortir simultàniament de la cel·la a través del terminal A'. Aquesta continuïtat del flux de corrent elèctric a través de l'element del circuit es deriva de la neutralitat de l'element en el seu conjunt.

Poder

Qualsevol element bipolar d'un circuit pot tenir una tensió entre els seus terminals i el corrent pot circular per ell. Els signes de corrent i tensió es poden determinar de manera independent, però hi ha una relació física important entre les polaritats de la tensió i el corrent, per a l'aclariment de la qual es solen prendre algunes condicions addicionals.

A la fig. La figura 4 mostra com es determinen les polaritats relatives de tensió i corrent. Quan es selecciona la direcció actual, flueix al terminal «+». Quan es compleix aquesta condició addicional, es pot determinar una quantitat elèctrica important, l'energia elèctrica. Considereu l'element del circuit de la Fig. 4.

Si la tensió i el corrent són positius, aleshores hi ha un flux continu de càrregues positives des d'un punt d'alt potencial a un punt de baix potencial. Per mantenir aquest flux, cal separar les càrregues positives de les negatives i introduir-les al terminal «+». Aquesta separació contínua requereix una despesa contínua d'energia.

Quan les càrregues travessen l'element, alliberen aquesta energia. I com que l'energia s'ha d'emmagatzemar, o bé s'allibera a l'element del circuit com a calor (per exemple, en una torradora) o s'hi emmagatzema (per exemple, quan es carrega la bateria d'un cotxe). La velocitat a la qual es produeix aquesta conversió d'energia s'anomena poder i ve determinat per l'expressió P = U NS Az (watts = volts x amperes).

La unitat de mesura de la potència és el watt (W), que correspon a la conversió d'1 J d'energia en 1 s. Potència igual al producte de tensió i corrent amb les polaritats definides a la fig. 4 és una magnitud algebraica.

Si P > 0, com en el cas anterior, la potència es dissipa o s'absorbeix a l'element. Si P < 0, en aquest cas l'element subministra energia al circuit al qual està connectat.

Elements resistius

Per a cada element del circuit, podeu escriure una relació específica entre la tensió del terminal i el corrent a través de l'element. Un element resistiu és un element pel qual es pot representar la relació entre voltatge i corrent.Aquest gràfic s'anomena característica corrent-tensió. Un exemple d'aquesta característica es mostra a la fig. 5.

Arròs. 5. Característica corrent-tensió d'un element resistiu

Si es coneix la tensió als terminals de l'element D, aleshores el gràfic pot determinar el corrent a través de l'element D.Així mateix, si es coneix el corrent, es pot determinar la tensió.

Resistència perfecta

La resistència (o resistència) ideal és element resistent lineal… Per definició de linealitat, la relació entre la tensió i el corrent en un element resistent lineal és tal que quan el corrent es duplica, el voltatge també es duplica. En general, la tensió ha de ser proporcional al corrent.

S'anomena la relació proporcional entre tensió i corrent Llei d'Ohm per a una secció d'un circuit i s'escriu de dues maneres: U = I NS R, on R és la resistència de l'element, i I = G NS U, on G = I / R és la conductivitat de l'element. La unitat de resistència és l'ohm (ohm) i la unitat de conductivitat és el siemens (cm).

La característica de corrent-tensió de la resistència ideal es mostra a la Fig. 6. La gràfica és una recta que passa per l'origen amb un pendent igual a Az/R.

Arròs. 6. Designació (a) i característica de corrent-tensió (b) d'una resistència ideal.

Potència amb resistència perfecta

Expressant la potència absorbida per la resistència ideal:

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

De la mateixa manera que la potència absorbida, en una resistència ideal, depèn del quadrat del corrent (o tensió), el signe de la potència absorbida v en una resistència ideal depèn del signe de R. Encara que de vegades s'utilitzen valors de resistència negatius en simular determinats tipus de dispositius que funcionen en determinats modes, totes les resistències reals solen ser positives. Per a aquestes resistències, la potència absorbida és sempre positiva.

L'energia elèctrica absorbida per la resistència, segons llei de conservació de l'energia, S'ha de transformar en altres espècies.Molt sovint, l'energia elèctrica es converteix en energia calorífica, anomenada calor Joule. Taxa d'excreció calor de joule en termes de resistència, coincideix amb la taxa d'absorció d'energia elèctrica. Són excepcions aquells elements resistius (per exemple, una bombeta o un altaveu), on part de l'energia absorbida es converteix en altres formes (energia lluminosa i sonora).

Interrelació de les principals magnituds elèctriques

Per a corrent continu, les unitats bàsiques es mostren a la fig. 7.

Arròs. 7. Interrelació de les principals magnituds elèctriques

Quatre unitats bàsiques —intensitat, tensió, resistència i potència— estan interconnectades mitjançant relacions establertes de manera fiable, la qual cosa ens permet fer mesuraments no només directes, sinó també indirectes o calcular els valors que necessitem a partir d'altres mesurats. Per tant, per mesurar la tensió en una part del circuit, cal tenir un voltímetre, però fins i tot en la seva absència, coneixent la intensitat del circuit i la resistència de corrent en aquest apartat, podeu calcular el valor de la tensió.