Temel elektriksel büyüklükler: şarj, voltaj, akım, güç, direnç

Temel elektriksel büyüklükler: akım, gerilim, direnç ve güç.

Doluyor

Elektrik devrelerindeki en önemli fiziksel olay harekettir. elektrik şarjı... Doğada iki tür yük vardır - pozitif ve negatif. Yükler gibi çeker, benzer yükler iter. Bu, pozitif yükleri negatif olanlarla eşit miktarlarda gruplama eğilimi olduğu gerçeğine yol açar.

Bir atom, negatif yüklü bir elektron bulutu ile çevrili pozitif yüklü bir çekirdekten oluşur. Mutlak değerdeki toplam negatif yük, çekirdeğin pozitif yüküne eşittir. Bu nedenle, atom sıfır toplam yüke sahiptir, ayrıca elektriksel olarak nötr olduğu söylenir.

tutabilen malzemelerde elektrik, bazı elektronlar atomlardan ayrılır ve iletken bir malzemede hareket etme yeteneğine sahiptir. Bu elektronlara hareketli yükler veya yük taşıyıcılar denir.

Başlangıç ​​durumundaki her atom nötr olduğundan, negatif yüklü elektronun ayrılmasından sonra pozitif yüklü bir iyon haline gelir.Pozitif iyonlar serbestçe hareket edemezler ve sabit, sabit yüklerden oluşan bir sistem oluşturamazlar (bkz. Hangi maddeler elektriği iletir).

yarı iletkenlerdeÖnemli bir malzeme sınıfını oluşturan hareketli elektronlar iki şekilde hareket edebilir: veya elektronlar basitçe negatif yüklü taşıyıcılar gibi davranırlar. Veya birçok elektrondan oluşan karmaşık bir koleksiyon, sanki malzemede pozitif yüklü hareketli taşıyıcılar varmış gibi hareket eder. Sabit ücretler herhangi bir karakterde olabilir.

İletken malzemeler, hareketli yük taşıyıcıları (iki işaretten birine sahip olabilir) ve zıt kutuplu sabit yükler içeren malzemeler olarak düşünülebilir.

Yalıtkan denilen ve elektriği iletmeyen maddeler de vardır. Yalıtkandaki tüm yükler sabittir. Yalıtkanlara örnek olarak hava, mika, cam, birçok metalin yüzeyinde oluşan ince oksit tabakaları ve tabii ki (hiç yük olmayan) bir vakum verilebilir.

Yük, coulomb (C) cinsinden ölçülür ve genellikle Q ile gösterilir.

Yük miktarı veya elektron başına düşen negatif elektrik miktarı sayısız deneyle belirlenmiş ve 1.601 × 10-19 CL veya 4.803 x 10-10 elektrostatik yük olduğu bulunmuştur.

Nispeten düşük akımlarda bile bir telden akan elektronların sayısı hakkında bazı fikirler aşağıdaki gibi elde edilebilir. Elektronun yükü 1.601 • 10-19 CL olduğundan, coulomb'a eşit bir yük oluşturan elektronların sayısı verilenin tersidir, yani yaklaşık olarak 6 • 1018'e eşittir.

1 A'lık bir akım, saniyede 1 C'lik bir akışa karşılık gelir ve telin enine kesitinden yalnızca 1 μmka (10-12 A) akımda, saniyede yaklaşık 6 milyon elektron.Bu büyüklükteki akımlar aynı zamanda o kadar küçüktür ki, bunların saptanması ve ölçülmesi önemli deneysel zorluklarla ilişkilidir.

Pozitif bir iyon üzerindeki yük, bir elektron üzerindeki yükün tam sayı katıdır, ancak zıt işarete sahiptir. Tek başına iyonlaşan parçacıklar için, yük elektronun yüküne eşit olur.

Çekirdeğin yoğunluğu elektronun yoğunluğundan çok daha fazladır Atomun bir bütün olarak kapladığı hacmin çoğu boştur.

Elektrik olayları kavramı

İndüksiyonun yanı sıra iki farklı cismi birbirine sürterek, cisimlere özel özellikler - elektriksel - verilebilir. Bu tür cisimlere elektrikli denir.

Elektrikli cisimlerin etkileşimi ile ilişkili fenomenlere denir. elektriksel olaylar.

Elektrikli cisimler arasındaki etkileşim, sözde tarafından belirlenir. Elektrik kuvvetleri, hareket hızları ne olursa olsun, yüklü cisimlerin birbirlerini itip çekmelerine neden olmaları bakımından başka doğadaki kuvvetlerden farklıdır.

Bu şekilde, yüklü cisimler arasındaki etkileşim, örneğin, yalnızca cisimlerin çekimi ile karakterize edilen yerçekimsel olandan veya yüklerin göreli hareket hızına bağlı olan manyetik kaynaklı kuvvetlerden farklıdır. fenomenler.

Elektrik mühendisliği esas olarak özelliklerin dış tezahürü yasalarını inceler. elektrikli cisimler — elektromanyetik alan kanunları.

Gerilim

Zıt yükler arasındaki güçlü çekim nedeniyle çoğu malzeme elektriksel olarak nötrdür. Pozitif ve negatif yükleri ayırmak enerji gerektirir.

İncirde. Şekil 1, birbirinden d mesafesiyle yerleştirilmiş, başlangıçta yüksüz iki iletken levhayı göstermektedir.Plakalar arasındaki boşluğun hava gibi bir yalıtkan madde ile dolu olduğu veya boşlukta oldukları varsayılmaktadır.

Pirinç. 1. İki iletken, başlangıçta yüksüz levha: a — levhalar elektriksel olarak nötrdür; b — yük -Q alt plakaya aktarılır (plakalar arasında potansiyel bir fark ve bir elektrik alanı vardır).

İncirde. Şekil 1'de, her iki plaka da nötrdür ve üst plakadaki toplam sıfır yük, +Q ve -Q yüklerinin toplamı ile temsil edilebilir. İncirde. 1b'de, -Q yükü üst plakadan alt plakaya aktarılır. Şek. Şekil 1b'de, plakaları bir telle bağlarız, ardından zıt yüklerin çekim kuvvetleri, yükün hızla geri aktarılmasına neden olur ve şekil 1'de gösterilen duruma geri döneriz. 1 A. Pozitif yükler negatif yüklü plakaya, negatif yükler ise pozitif yüklü plakaya hareket eder.

Şekil 1'de gösterilen yüklü plakalar arasında olduğunu söylüyoruz. Şekil 1b'de bir potansiyel farkı vardır ve pozitif yüklü üst levhada potansiyel, negatif yüklü alt levhaya göre daha yüksektir. Genel olarak, bu noktalar arasındaki iletim yük aktarımıyla sonuçlanıyorsa, iki nokta arasında potansiyel bir fark vardır.

Pozitif yükler, yüksek potansiyelli bir noktadan düşük potansiyelli bir noktaya hareket eder, negatif yüklerin hareket yönü zıttır - düşük potansiyelli bir noktadan yüksek potansiyelli bir noktaya.

Potansiyel farkı ölçme birimi volttur (V). Potansiyel farka voltaj denir ve genellikle U harfi ile gösterilir.

İki nokta arasındaki gerilimi ölçmek için kavram kullanılır. Elektrik alanı… Şek.Şekil 1b'de, yüksek potansiyel bölgesinden (pozitif plakadan) düşük potansiyel bölgesine (negatif plakaya) yönlendirilen plakalar arasında düzgün bir elektrik alanı vardır.

Metre başına volt olarak ifade edilen bu alanın gücü plakalardaki yük ile orantılıdır ve yüklerin dağılımı biliniyorsa fizik yasalarından hesaplanabilir. Elektrik alanın büyüklüğü ile plakalar arasındaki voltaj U arasındaki ilişki, U = E NS e (volt = volt / metre x metre) şeklindedir.

Bu nedenle, düşük bir potansiyelden daha yüksek bir potansiyele geçiş, alanın yönüne karşı harekete karşılık gelir.Daha karmaşık bir yapıda, elektrik alan her yerde üniform olmayabilir ve iki nokta arasındaki potansiyel farkı belirlemek için, U = E NS e denklemini tekrar tekrar kullanmak gerekir.

Bizi ilgilendiren noktalar arasındaki aralık, her biri alanın içinde tekdüze olması için yeterince küçük olan birçok bölüme ayrılmıştır. Denklem daha sonra art arda her bir parça U = E NS e'ye uygulanır ve her bölüm için potansiyel farklar toplanır. Böylece, yüklerin ve elektrik alanların herhangi bir dağılımı için herhangi iki nokta arasındaki potansiyel farkı bulabilirsiniz.

Potansiyel fark belirlenirken sadece iki nokta arasındaki gerilimin büyüklüğünü değil, hangi noktanın en yüksek potansiyele sahip olduğunu da belirtmek gerekir. Bununla birlikte, birkaç farklı eleman içeren elektrik devrelerinde, hangi noktanın en yüksek potansiyele sahip olduğunu önceden belirlemek her zaman mümkün değildir. Karışıklığı önlemek için, işaretlerin koşulunu kabul etmek gerekir (Şekil 2).

Pirinç. 2… Gerilim polaritesinin belirlenmesi (gerilim pozitif veya negatif olabilir).

İki kutuplu bir devre elemanı, iki terminalle donatılmış bir kutu ile temsil edilir (Şekil 2, a). Kutudan terminallere giden hatların, elektrik akımının ideal iletkenleri olduğu varsayılır. Terminallerden biri artı işaretiyle, diğeri eksi işaretiyle işaretlenmiştir. Bu karakterler göreli polariteyi sabitler. Şek. 2 ve U = ("+" terminalinin potansiyeli) — («-« terminalinin potansiyeli) koşuluyla belirlenir.

İncirde. 2b'de, yüklü plakalar terminallere bağlanır, böylece «+» terminali daha yüksek potansiyele sahip plakaya bağlanır. Burada voltaj U pozitif bir sayıdır. İncirde. 2, «+» terminali alt potansiyel plakasına bağlanır. Sonuç olarak, negatif bir voltaj elde ederiz.

Stres temsilinin cebirsel biçimini hatırlamak önemlidir. Polarite belirlendikten sonra, pozitif voltaj "+" terminalin (daha yüksek potansiyele) sahip olduğu ve negatif voltaj "-" terminalin daha yüksek potansiyele sahip olduğu anlamına gelir.

Akım

Pozitif yük taşıyıcılarının yüksek potansiyel bölgesinden düşük potansiyel bölgesine, negatif yük taşıyıcılarının ise düşük potansiyel bölgesinden yüksek potansiyel bölgesine hareket ettiği yukarıda belirtilmiştir. Herhangi bir ücret transferi, sona erme anlamına gelir elektrik.

İncirde. Şekil 3 elektrik akımı akışının bazı basit durumlarını gösterir, yüzey C seçilir ve kavramsal pozitif yön gösterilir. S bölümünden zamanla dt ise, toplam Q yükü seçilen yönde geçecek, ardından S'den I akımı I = dV/dT'ye eşit olacaktır. Akım ölçü birimi amperdir (A) (1A = 1C / s).

Pirinç. 3… Akımın yönü ile hareketli yüklerin akış yönü arasındaki ilişki.Pozitif yüklerin C yüzeyinden akışı seçilen yönle çakışıyorsa akım pozitiftir (a ve b). Yüzey boyunca ortaya çıkan pozitif yük akışı seçilen yönün tersi ise akım negatiftir (b ve d).

Mevcut İz'in işaretini belirlemede sıklıkla zorluklar ortaya çıkar. Hareketli yük taşıyıcılar pozitif ise, pozitif akım, mobil taşıyıcıların seçilen yöndeki gerçek hareketini tanımlarken, negatif akım, hareketli yük taşıyıcıların seçilen yönün tersine akışını tanımlar.

Cep telefonu operatörleri negatif ise akımın yönünü belirlerken dikkatli olmalısınız. Şek. Negatif hareketli yük taşıyıcılarının seçilen yönde S'yi geçtiği 3d. Her taşıyıcının -q yükü olduğunu ve S boyunca akış hızının saniyede n taşıyıcı olduğunu varsayalım. dt sırasında, C yüklerinin seçilen yöndeki toplam geçişi dV = -n NS q NS dt olacaktır, bu da I = dV/dT akımına karşılık gelir.

Bu nedenle, Şekil 3d'deki akım negatiftir. Üstelik bu akım, pozitif taşıyıcıların + q yükü ile S yüzeyinden saniyede n taşıyıcı hızında seçilenin tersi yönde hareketiyle oluşturulan akımla çakışır (Şekil 3, b). Böylece, çift haneli yükler çift haneli akıma yansır. Elektronik devrelerdeki çoğu durumda, akımın işareti önemlidir ve bu akımı hangi yük taşıyıcılarının (pozitif veya negatif) taşıdığı önemli değildir. Bu nedenle, genellikle elektrik akımı hakkında konuşurken, yük taşıyıcıların pozitif olduğunu varsayarlar (bkz. elektrik akımının yönü).

Bununla birlikte, yarı iletken cihazlarda, pozitif ve negatif yük taşıyıcıları arasındaki fark, cihazın çalışması için kritik öneme sahiptir.Bu cihazların çalışmasının ayrıntılı bir incelemesi, mobil şarj taşıyıcılarının işaretlerini açıkça ayırt etmelidir. Belirli bir alandan geçen akım kavramı, bir devre elemanından geçen akıma kolayca genelleştirilebilir.

İncirde. Şekil 4, iki kutuplu bir elemanı göstermektedir. Pozitif akımın yönü bir okla gösterilmiştir.

Pirinç. 4. Bir devre elemanından geçen akım. Yükler hücreye A terminalinden i hızında (saniyede kulomb) girer ve hücreyi A' terminalinden aynı oranda terk eder.

Bir devre elemanından pozitif bir akım akarsa, terminal A'ya saniyede i coulomb hızında bir pozitif yük girer. Ancak, daha önce belirtildiği gibi, malzemeler (ve devre elemanları) genellikle elektriksel olarak nötr kalır. (Şekil 1'deki "yüklü" bir hücre bile sıfır toplam yüke sahiptir.) Bu nedenle, eğer yük A terminalinden hücreye akarsa, eşit miktarda yük eş zamanlı olarak A' terminalinden hücreden dışarı akmalıdır. Devre elemanı boyunca elektrik akımı akışının bu sürekliliği, bir bütün olarak elemanın nötrlüğünü takip eder.

Güç

Bir devredeki herhangi bir çift kutuplu elemanın terminalleri arasında bir voltaj olabilir ve üzerinden akım geçebilir. Akım ve voltajın işaretleri bağımsız olarak belirlenebilir, ancak voltajın ve akımın kutupları arasında genellikle bazı ek koşulların açıklığa kavuşturulması için önemli bir fiziksel ilişki vardır.

İncirde. Şekil 4, gerilim ve akımın göreli kutuplarının nasıl belirlendiğini gösterir. Mevcut yön seçildiğinde, «+» terminaline akar. Bu ek koşul karşılandığında, önemli bir elektrik miktarı - elektrik gücü - belirlenebilir. Şekil 1'deki devre elemanını göz önünde bulundurun. 4.

Gerilim ve akım pozitifse, yüksek potansiyelli bir noktadan düşük potansiyelli bir noktaya sürekli bir pozitif yük akışı vardır. Bu akışı sürdürmek için, pozitif yükleri negatif olanlardan ayırmak ve onları "+" terminaline sokmak gerekir. Bu sürekli ayrılma, sürekli bir enerji harcamasını gerektirir.

Yükler elementten geçerken bu enerjiyi serbest bırakırlar. Ve enerjinin depolanması gerektiğinden, devre elemanında ısı olarak salınır (örneğin, bir tost makinesinde) veya içinde depolanır (örneğin, bir araba aküsünü şarj ederken). Bu enerji dönüşümünün meydana gelme hızına denir. güç ve P = U NS Az (vat = volt x amper) ifadesi ile belirlenir.

Güç ölçü birimi, 1 J enerjinin 1 s'ye dönüştürülmesine karşılık gelen watt'tır (W). Şekil l'de tanımlanan kutuplara sahip voltaj ve akımın ürününe eşit güç. 4 cebirsel bir niceliktir.

P > 0 ise, yukarıdaki durumda olduğu gibi, elemanda güç dağılır veya emilir. P < 0 ise, bu durumda eleman bağlı olduğu devreye güç sağlar.

dirençli elemanlar

Her bir devre elemanı için, terminal gerilimi ile elemandan geçen akım arasında belirli bir ilişki yazabilirsiniz. Direnç elemanı, gerilim ve akım arasındaki ilişkinin çizilebildiği bir öğedir.Bu grafiğe akım-gerilim karakteristiği denir. Böyle bir özelliğin bir örneği, Şek. 5.

Pirinç. 5. Dirençli bir elemanın akım-gerilim karakteristiği

D elemanının terminallerindeki voltaj biliniyorsa, grafik D elemanı üzerinden geçen akımı belirleyebilir.Aynı şekilde akım biliniyorsa gerilim de belirlenebilir.

Mükemmel direnç

İdeal direnç (veya direnç) doğrusal dirençli eleman… Doğrusallığın tanımı gereği, doğrusal dirençli bir elemandaki gerilim ve akım arasındaki ilişki öyledir ki, akım iki katına çıktığında gerilim de iki katına çıkar. Genel olarak, voltaj akımla orantılı olmalıdır.

Gerilim ve akım arasındaki orantılı ilişki denir Devrenin bir bölümü için Ohm yasası ve iki şekilde yazılır: U = I NS R, burada R, elemanın direncidir ve I = G NS U, burada G = I / R, elemanın iletkenliğidir. Direnç birimi ohm (ohm) ve iletkenlik birimi siemens (cm)'dir.

İdeal direncin akım-gerilim karakteristiği Şekil 1'de gösterilmektedir. 6. Grafik, Az/R'ye eşit bir eğime sahip orijinden geçen düz bir çizgidir.

Pirinç. 6. İdeal bir direncin gösterimi (a) ve akım-gerilim karakteristiği (b).

Mükemmel dirençli güç

İdeal direnç tarafından emilen gücü ifade etmek:

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

Tıpkı ideal bir dirençte çekilen gücün akımın (veya voltajın) karesine bağlı olması gibi, ideal bir dirençte çekilen gücün v işareti R'nin işaretine bağlıdır. Bazen negatif direnç değerleri kullanılsa da belirli modlarda çalışan belirli cihaz türlerinin simülasyonunda, tüm gerçek dirençler genellikle pozitiftir. Bu dirençler için çekilen güç daima pozitiftir.

Direnç tarafından emilen elektrik enerjisi, acc enerji korunumu yasası, Başka türlere dönüşmelidir.Çoğu zaman, elektrik enerjisi, Joule ısısı adı verilen ısı enerjisine dönüştürülür. Atılım oranı joule ısı direnç açısından, elektrik enerjisinin soğurulma hızıyla eşleşir. Emilen enerjinin bir kısmının başka biçimlere (ışık ve ses enerjisi) dönüştürüldüğü dirençli öğeler (örneğin bir ampul veya hoparlör) istisnadır.

Ana elektriksel büyüklüklerin karşılıklı ilişkisi

Doğru akım için temel birimler şek. 7.

Pirinç. 7. Ana elektriksel büyüklüklerin karşılıklı ilişkisi

Dört temel birim - akım, voltaj, direnç ve güç - yalnızca doğrudan değil, aynı zamanda dolaylı ölçümler yapmamıza veya ihtiyaç duyduğumuz değerleri ölçülen diğer değerlerden hesaplamamıza olanak tanıyan güvenilir bir şekilde kurulmuş ilişkilerle birbirine bağlanır. Yani devrenin bir kısmındaki voltajı ölçmek için bir voltmetreye sahip olmak gerekir ama yokluğunda bile devredeki akımı ve bu kısımda akım direncini bilerek voltajın değerini hesaplayabilirsiniz.