Mga pangunahing dami ng kuryente: singil, boltahe, kasalukuyang, kapangyarihan, paglaban

Mga pangunahing dami ng kuryente: kasalukuyang, boltahe, paglaban at kapangyarihan.

Nagcha-charge

Ang pinakamahalagang pisikal na kababalaghan sa mga de-koryenteng circuit ay ang paggalaw singil ng kuryente… Mayroong dalawang uri ng singil sa kalikasan—positibo at negatibo. Tulad ng mga singil na umaakit, tulad ng mga singil na nagtataboy. Ito ay humahantong sa katotohanan na may posibilidad na pangkatin ang mga positibong singil sa mga negatibo sa pantay na halaga.

Ang isang atom ay binubuo ng isang positibong sisingilin na nucleus na napapalibutan ng isang ulap ng mga negatibong sisingilin na mga electron. Ang kabuuang negatibong singil sa ganap na halaga ay katumbas ng positibong singil ng nucleus. Samakatuwid, ang atom ay walang kabuuang singil, ito rin ay sinasabing neutral sa kuryente.

Sa mga materyales na maaaring hawakan kuryente, ang ilang mga electron ay nahihiwalay sa mga atomo at may kakayahang lumipat sa isang conducting material. Ang mga electron na ito ay tinatawag na mobile charges o charge carriers.

Dahil ang bawat atom sa paunang estado ay neutral, pagkatapos ng paghihiwalay ng negatibong sisingilin na elektron, ito ay nagiging isang positibong sisingilin na ion.Ang mga positibong ion ay hindi malayang gumagalaw at bumubuo ng isang sistema ng nakatigil, nakapirming mga singil (tingnan ang — Anong mga sangkap ang nagdadala ng kuryente).

Sa semiconductorna bumubuo ng isang mahalagang klase ng mga materyales, ang mga mobile electron ay maaaring lumipat sa dalawang paraan: o ang mga electron ay kumikilos lamang bilang mga carrier na may negatibong charge. O ang isang kumplikadong koleksyon ng maraming mga electron ay gumagalaw sa paraang parang may positibong sisingilin na mga mobile carrier sa materyal. Ang mga nakapirming singil ay maaaring alinman sa karakter.

Ang mga conductive na materyales ay maaaring ituring na mga materyales na naglalaman ng mga mobile charge carrier (na maaaring magkaroon ng isa sa dalawang palatandaan) at mga nakapirming singil ng kabaligtaran na polarity.

Mayroon ding mga materyales na tinatawag na mga insulator na hindi nagdadala ng kuryente. Ang lahat ng mga singil sa insulator ay naayos. Ang mga halimbawa ng mga insulator ay hangin, mika, salamin, manipis na mga layer ng mga oxide na nabubuo sa ibabaw ng maraming metal, at, siyempre, isang vacuum (kung saan walang mga singil sa lahat).

Ang singil ay sinusukat sa coulomb (C) at karaniwang tinutukoy ng Q.

Ang halaga ng singil o ang halaga ng negatibong kuryente sa bawat electron ay naitatag sa pamamagitan ng maraming eksperimento at napag-alamang 1.601 × 10-19 CL o 4.803 x 10-10 electrostatic charge.

Ang ilang ideya ng bilang ng mga electron na dumadaloy sa isang wire kahit na sa medyo mababa ang alon ay maaaring makuha tulad ng sumusunod. Dahil ang singil ng electron ay 1.601 • 10-19 CL, kung gayon ang bilang ng mga electron na lumilikha ng singil na katumbas ng coulomb ay ang kapalit ng ibinigay, iyon ay, ito ay humigit-kumulang katumbas ng 6 • 1018.

Ang isang kasalukuyang ng 1 A ay tumutugma sa isang daloy ng 1 C bawat segundo, at sa isang kasalukuyang lamang ng 1 μmka (10-12 A) sa pamamagitan ng cross section ng wire, humigit-kumulang 6 na milyong mga electron bawat segundo.Kasabay nito, napakaliit ng mga agos ng naturang magnitude na ang pagtuklas at pagsukat ng mga ito ay nauugnay sa mga makabuluhang pagsubok sa pagsubok.

Ang singil sa isang positibong ion ay isang integer multiple ng singil sa isang electron, ngunit may kabaligtaran na tanda. Para sa mga particle na isa-isang ionized, ang singil ay lumalabas na katumbas ng singil ng elektron.

Ang densidad ng nucleus ay mas mataas kaysa sa densidad ng elektron.Karamihan sa volume na inookupahan ng atom sa kabuuan ay walang laman.

Ang konsepto ng electrical phenomena

Sa pamamagitan ng paghugpong ng dalawang magkaibang katawan, gayundin sa pamamagitan ng induction, ang mga katawan ay maaaring bigyan ng mga espesyal na katangian - elektrikal. Ang mga nasabing katawan ay tinatawag na nakuryente.

Ang mga phenomena na nauugnay sa pakikipag-ugnayan ng mga nakoryenteng katawan ay tinatawag electrical phenomena.

Ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga nakoryenteng katawan ay tinutukoy ng tinatawag na Ang mga puwersang de-kuryente na naiiba sa mga puwersa ng ibang kalikasan dahil nagiging sanhi ito ng mga sisingilin na katawan na magtaboy at umaakit sa isa't isa, anuman ang bilis ng kanilang paggalaw.

Sa ganitong paraan, ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga sisingilin na katawan ay naiiba, halimbawa, mula sa gravitational, na kung saan ay nailalarawan lamang sa pamamagitan ng pagkahumaling ng mga katawan, o mula sa mga puwersa ng magnetic na pinagmulan, na nakasalalay sa kamag-anak na bilis ng paggalaw ng mga singil, na nagiging sanhi ng magnetic. phenomena.

Pangunahing pinag-aaralan ng electrical engineering ang mga batas ng panlabas na pagpapakita ng mga ari-arian mga nakuryenteng katawan — mga batas ng electromagnetic field.

Boltahe

Dahil sa malakas na atraksyon sa pagitan ng magkasalungat na singil, karamihan sa mga materyales ay neutral sa kuryente. Kailangan ng enerhiya upang paghiwalayin ang mga positibo at negatibong singil.

Sa fig. Ang 1 ay nagpapakita ng dalawang conducting, sa una ay hindi naka-charge na mga plato na magkahiwalay sa layo d.Ipinapalagay na ang espasyo sa pagitan ng mga plato ay puno ng isang insulator, tulad ng hangin, o sila ay nasa isang vacuum.

kanin. 1. Dalawang conductive, sa una ay hindi nakakargang mga plato: a — ang mga plato ay neutral sa kuryente; b — charge -Q ay inilipat sa ilalim na plato (may potensyal na pagkakaiba at isang electric field sa pagitan ng mga plato).

Sa fig. 1, ang parehong mga plate ay neutral, at ang kabuuang zero charge sa itaas na plato ay maaaring katawanin ng kabuuan ng mga singil +Q at -Q. Sa fig. 1b, ang singil -Q ay inililipat mula sa itaas na plato patungo sa ibabang plato. Kung sa fig. 1b, ikinonekta namin ang mga plato gamit ang isang wire, pagkatapos ay ang mga puwersa ng pagkahumaling ng kabaligtaran na mga singil ay magiging sanhi ng mabilis na paglipat ng singil pabalik at babalik kami sa sitwasyong ipinapakita sa fig. 1, a. Ang mga positibong singil ay lilipat sa plate na may negatibong charge at ang mga negatibong singil sa plato na may positibong charge.

Sinasabi namin na sa pagitan ng mga sisingilin na plato na ipinapakita sa Fig. 1b, mayroong potensyal na pagkakaiba at na sa positibong sisingilin sa itaas na plato ang potensyal ay mas mataas kaysa sa negatibong sisingilin sa ibabang plato. Sa pangkalahatan, may potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng dalawang punto kung ang pagpapadaloy sa pagitan ng mga puntong iyon ay nagreresulta sa paglilipat ng singil.

Ang mga positibong singil ay lumilipat mula sa isang punto ng mataas na potensyal patungo sa isang punto ng mababang potensyal, ang direksyon ng paggalaw ng mga negatibong singil ay kabaligtaran — mula sa isang punto ng mababang potensyal hanggang sa isang punto ng mataas na potensyal.

Ang yunit para sa pagsukat ng potensyal na pagkakaiba ay ang volt (V). Ang potensyal na pagkakaiba ay tinatawag na boltahe at karaniwang tinutukoy ng titik U.

Upang mabilang ang pag-igting sa pagitan ng dalawang punto, ginamit ang konsepto electric field… Sa kaso na ipinapakita sa fig.1b, mayroong isang pare-parehong electric field sa pagitan ng mga plate na nakadirekta mula sa rehiyon ng mas mataas na potensyal (mula sa positibong plato) hanggang sa rehiyon ng mas mababang potensyal (sa negatibong plato).

Ang lakas ng patlang na ito, na ipinahayag sa volts bawat metro, ay proporsyonal sa singil sa mga plato at maaaring kalkulahin mula sa mga batas ng pisika kung alam ang pamamahagi ng mga singil. Ang ugnayan sa pagitan ng magnitude ng electric field at ang boltahe U sa pagitan ng mga plato ay may anyo na U = E NS e (volt = volt / meter x meter).

Kaya, ang paglipat mula sa isang mas mababang potensyal patungo sa isang mas mataas ay tumutugma sa paggalaw laban sa direksyon ng field. Sa isang mas kumplikadong istraktura, ang electric field ay maaaring hindi pare-pareho sa lahat ng dako, at upang matukoy ang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng dalawang punto, kinakailangang paulit-ulit na gamitin ang equation na U = E NS e.

Ang pagitan sa pagitan ng mga punto ng interes sa amin ay nahahati sa maraming mga seksyon, ang bawat isa ay sapat na maliit para sa field na maging pare-pareho sa loob nito. Ang equation ay pagkatapos ay inilapat nang sunud-sunod sa bawat segment U = E NS e at ang mga potensyal na pagkakaiba para sa bawat seksyon ay summed. Kaya, para sa anumang pamamahagi ng mga singil at electric field, mahahanap mo ang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng alinmang dalawang punto.

Kapag tinutukoy ang potensyal na pagkakaiba, kinakailangang ipahiwatig hindi lamang ang magnitude ng boltahe sa pagitan ng dalawang puntos, kundi pati na rin kung aling punto ang may pinakamataas na potensyal. Gayunpaman, sa mga de-koryenteng circuit na naglalaman ng maraming magkakaibang elemento, hindi laging posible na matukoy nang maaga kung aling punto ang may pinakamataas na potensyal. Upang maiwasan ang pagkalito, kinakailangang tanggapin ang kondisyon para sa mga palatandaan (Larawan 2).

kanin. 2… Pagtukoy sa polarity ng boltahe (maaaring positibo o negatibo ang boltahe).

Ang isang elemento ng bipolar circuit ay kinakatawan ng isang kahon na nilagyan ng dalawang terminal (Larawan 2, a). Ang mga linya na humahantong mula sa kahon hanggang sa mga terminal ay ipinapalagay na perpektong konduktor ng electric current. Ang isang terminal ay minarkahan ng plus sign, ang isa ay may minus sign. Inaayos ng mga character na ito ang relatibong polarity. Boltahe U sa fig. 2, at tinutukoy ng kondisyong U = (potensyal ng terminal «+») — (potensyal ng terminal «-«).

Sa fig. 2b, ang mga naka-charge na plate ay konektado sa mga terminal upang ang «+» na terminal ay konektado sa plato na may mas mataas na potensyal. Narito ang boltahe U ay isang positibong numero. Sa fig. 2, ang terminal na «+» ay konektado sa mas mababang potensyal na plato. Bilang resulta, nakakakuha kami ng negatibong boltahe.

Mahalagang tandaan ang tungkol sa algebraic na anyo ng representasyon ng stress. Kapag natukoy na ang polarity, nangangahulugan ang positibong boltahe na ang terminal na «+» ay may (mas mataas na potensyal) at ang negatibong boltahe ay nangangahulugan na ang terminal na «-» ay may mas mataas na potensyal.

Kasalukuyan

Nabanggit sa itaas na ang mga positive charge carrier ay lumilipat mula sa mataas na potensyal na rehiyon patungo sa mababang potensyal na rehiyon, habang ang mga negatibong charge carrier ay lumilipat mula sa mababang potensyal na rehiyon patungo sa mataas na potensyal na rehiyon. Anumang paglilipat ng mga bayarin ay nangangahulugan ng pag-expire kuryente.

Sa fig. Ang 3 ay nagpapakita ng ilang mga simpleng kaso ng daloy ng kuryente, ang ibabaw ay pinili C at ang notional positibong direksyon ay ipinapakita. Kung sa paglipas ng panahon dt sa pamamagitan ng seksyon S, ang kabuuang singil Q ay dadaan sa napiling direksyon, kung gayon ang kasalukuyang I hanggang S ay magiging katumbas ng I = dV/dT. Ang yunit ng pagsukat ng kasalukuyang ay ang ampere (A) (1A = 1C / s).

kanin. 3… Ang kaugnayan sa pagitan ng direksyon ng kasalukuyang at direksyon ng daloy ng mga singil sa mobile.Ang kasalukuyang ay positibo (a at b) kung ang nagresultang daloy ng mga positibong singil sa ilang ibabaw C ay tumutugma sa napiling direksyon. Ang kasalukuyang ay negatibo (b at d) kung ang nagresultang daloy ng mga positibong singil sa buong ibabaw ay kabaligtaran sa piniling direksyon.

Ang mga paghihirap ay madalas na lumitaw sa pagtukoy ng tanda ng kasalukuyang Iz. Kung positibo ang mga carrier ng mobile charge, inilalarawan ng positive current ang aktwal na paggalaw ng mga mobile carrier sa napiling direksyon, habang inilalarawan ng negatibong current ang daloy ng mga carrier ng mobile charge sa tapat ng piniling direksyon.

Kung negatibo ang mga mobile operator, dapat kang maging maingat kapag tinutukoy ang direksyon ng agos. Isaalang-alang ang fig. 3d kung saan ang mga negatibong mobile charge carrier ay tumatawid sa S sa napiling direksyon. Ipagpalagay na ang bawat carrier ay may charge -q at ang flow rate sa S ay n carrier bawat segundo. Sa panahon ng dt ay ang kabuuang pagpasa ng mga singil C sa napiling direksyon ay magiging dV = -n NS q NS dt, na tumutugma sa kasalukuyang I = dV/ dT.

Samakatuwid, ang kasalukuyang sa Fig.3d ay negatibo. Bukod dito, ang kasalukuyang ito ay tumutugma sa kasalukuyang nilikha ng paggalaw ng mga positibong carrier na may singil + q sa ibabaw ng S sa bilis ng n carrier bawat segundo sa direksyon na kabaligtaran sa napili (Larawan 3, b). Kaya, ang mga double-digit na singil ay makikita sa double-digit na kasalukuyang. Para sa karamihan ng mga kaso sa mga electronic circuit, ang sign ng kasalukuyang ay makabuluhan at hindi mahalaga kung aling mga charge carrier (positibo o negatibo) ang nagdadala ng kasalukuyang iyon. Samakatuwid, madalas kapag pinag-uusapan nila ang tungkol sa electric current, ipinapalagay nila na ang mga carrier ng singil ay positibo (tingnan ang — Direksyon ng electric current).

Sa mga semiconductor device, gayunpaman, ang pagkakaiba sa pagitan ng positibo at negatibong charge carrier ay kritikal sa pagpapatakbo ng device.Ang isang detalyadong pagsusuri sa pagpapatakbo ng mga device na ito ay dapat na malinaw na makilala ang mga palatandaan ng mga mobile charge carrier. Ang konsepto ng isang kasalukuyang dumadaloy sa isang tiyak na lugar ay madaling ma-generalize sa isang kasalukuyang sa pamamagitan ng isang elemento ng circuit.

Sa fig. 4 ay nagpapakita ng isang bipolar na elemento. Ang direksyon ng positibong kasalukuyang ay ipinapakita ng isang arrow.

kanin. 4. Kasalukuyang sa pamamagitan ng isang elemento ng circuit. Ang mga singil ay pumapasok sa cell sa pamamagitan ng terminal A sa bilis na i (coulomb bawat segundo) at umalis sa cell sa pamamagitan ng terminal A' sa parehong bilis.

Kung ang isang positibong kasalukuyang dumadaloy sa isang elemento ng circuit, ang isang positibong singil ay pumapasok sa terminal A sa bilis na i coulomb bawat segundo. Ngunit, tulad ng nabanggit na, ang mga materyales (at mga elemento ng circuit) ay karaniwang nananatiling neutral sa kuryente. (Kahit na ang isang "charged" na cell sa Fig. 1 ay may zero na kabuuang singil.) Samakatuwid, kung ang singil ay dumadaloy sa cell sa pamamagitan ng terminal A, ang isang pantay na halaga ng singil ay dapat sabay na dumaloy palabas ng cell sa pamamagitan ng terminal A'. Ang pagpapatuloy na ito ng daloy ng kuryente sa pamamagitan ng elemento ng circuit ay sumusunod mula sa neutralidad ng elemento sa kabuuan.

kapangyarihan

Anumang bipolar na elemento sa isang circuit ay maaaring magkaroon ng boltahe sa pagitan ng mga terminal nito at ang kasalukuyang maaaring dumaloy dito. Ang mga palatandaan ng kasalukuyang at boltahe ay maaaring matukoy nang nakapag-iisa, ngunit mayroong isang mahalagang pisikal na relasyon sa pagitan ng mga polarities ng boltahe at kasalukuyang, para sa paglilinaw kung saan ang ilang mga karagdagang kondisyon ay karaniwang kinuha.

Sa fig. Ipinapakita ng 4 kung paano natutukoy ang mga kamag-anak na polaridad ng boltahe at kasalukuyang. Kapag napili ang kasalukuyang direksyon, dumadaloy ito sa terminal na «+». Kapag natugunan ang karagdagang kundisyong ito, maaaring matukoy ang isang mahalagang dami ng kuryente—electrical power. Isaalang-alang ang elemento ng circuit sa Fig. 4.

Kung ang boltahe at kasalukuyang ay positibo, pagkatapos ay mayroong tuluy-tuloy na daloy ng mga positibong singil mula sa isang puntong may mataas na potensyal hanggang sa isang punto ng mababang potensyal. Upang mapanatili ang daloy na ito, kinakailangan na paghiwalayin ang mga positibong singil mula sa mga negatibo at ipasok ang mga ito sa terminal na «+». Ang patuloy na paghihiwalay na ito ay nangangailangan ng patuloy na paggasta ng enerhiya.

Habang dumadaan ang mga singil sa elemento, inilalabas nila ang enerhiya na ito. At dahil ang enerhiya ay dapat na naka-imbak, ito ay maaaring inilabas sa elemento ng circuit bilang init (halimbawa, sa isang toaster) o naka-imbak sa loob nito (halimbawa, kapag nagcha-charge ng baterya ng kotse). Ang rate kung saan nangyayari ang conversion ng enerhiya na ito ay tinatawag kapangyarihan at tinutukoy ng expression na P = U NS Az (watts = volts x amperes).

Ang yunit ng pagsukat ng kapangyarihan ay ang watt (W), na tumutugma sa conversion ng 1 J ng enerhiya sa 1 s. Kapangyarihan na katumbas ng produkto ng boltahe at kasalukuyang na may mga polaridad na tinukoy sa fig. Ang 4 ay isang algebraic na dami.

Kung ang P > 0, tulad ng sa kaso sa itaas, ang kapangyarihan ay nawawala o nasisipsip sa elemento. Kung P <0, kung gayon sa kasong ito ang elemento ay nagbibigay ng kapangyarihan sa circuit kung saan ito nakakonekta.

Mga elementong lumalaban

Para sa bawat elemento ng circuit, maaari kang magsulat ng isang tiyak na kaugnayan sa pagitan ng boltahe ng terminal at ng kasalukuyang sa pamamagitan ng elemento. Ang resistive na elemento ay isang elemento kung saan maaaring i-plot ang ugnayan sa pagitan ng boltahe at kasalukuyang. Ang graph na ito ay tinatawag na kasalukuyang-boltahe na katangian. Ang isang halimbawa ng naturang tampok ay ipinapakita sa fig. 5.

kanin. 5. Katangian ng kasalukuyang boltahe ng isang resistive na elemento

Kung alam ang boltahe sa mga terminal ng elemento D, maaaring matukoy ng graph ang kasalukuyang sa pamamagitan ng elemento D.Gayundin, kung ang kasalukuyang ay kilala, ang boltahe ay maaaring matukoy.

Perpektong pagtutol

Ang perpektong paglaban (o risistor) ay linear resistive elemento… Sa kahulugan ng linearity, ang relasyon sa pagitan ng boltahe at kasalukuyang sa isang linear na resistive na elemento ay tulad na kapag ang kasalukuyang ay nadoble, ang boltahe ay nadoble din. Sa pangkalahatan, ang boltahe ay dapat na proporsyonal sa kasalukuyang.

Ang proporsyonal na relasyon sa pagitan ng boltahe at kasalukuyang ay tinatawag Batas ng Ohm para sa isang seksyon ng isang circuit at nakasulat sa dalawang paraan: U = I NS R, kung saan ang R ay ang paglaban ng elemento, at I = G NS U, kung saan ang G = I / R ay ang conductivity ng elemento. Ang yunit ng paglaban ay ang ohm (ohm), at ang yunit ng kondaktibiti ay ang siemens (cm).

Ang kasalukuyang-boltahe na katangian ng perpektong pagtutol ay ipinapakita sa Fig. 6. Ang graph ay isang tuwid na linya sa pinanggalingan na may slope na katumbas ng Az/R.

kanin. 6. Pagtatalaga (a) at kasalukuyang-boltahe na katangian (b) ng isang perpektong risistor.

Kapangyarihan na may perpektong pagtutol

Pagpapahayag ng kapangyarihan na hinihigop ng perpektong pagtutol:

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

Kung paanong ang kapangyarihan na hinihigop, sa isang perpektong paglaban, ay nakasalalay sa parisukat ng kasalukuyang (o boltahe), ang tanda ng kapangyarihan na hinihigop v sa isang perpektong paglaban ay nakasalalay sa tanda ng R. Bagaman ang mga negatibong halaga ng paglaban ay minsan ginagamit kapag ginagaya ang ilang uri ng device na tumatakbo sa ilang partikular na mode, ang lahat ng tunay na pagtutol ay karaniwang positibo. Para sa mga resistensyang ito, ang hinihigop na kapangyarihan ay palaging positibo.

Ang elektrikal na enerhiya na hinihigop ng paglaban, acc batas ng konserbasyon ng enerhiya, Dapat NStransform sa ibang species.Kadalasan, ang enerhiyang elektrikal ay na-convert sa enerhiya ng init, na tinatawag na init ng Joule. Rate ng paglabas init ng joule sa mga tuntunin ng paglaban, tumutugma ito sa rate ng pagsipsip ng elektrikal na enerhiya. Ang mga pagbubukod ay ang mga resistive na elemento (halimbawa, isang bombilya o speaker), kung saan ang bahagi ng hinihigop na enerhiya ay na-convert sa iba pang mga anyo (light at sound energy).

Pagkakaugnayan ng mga pangunahing dami ng kuryente

Para sa direktang kasalukuyang, ang mga pangunahing yunit ay ipinapakita sa fig. 7.

kanin. 7. Pagkakaugnayan ng mga pangunahing dami ng kuryente

Apat na pangunahing mga yunit - kasalukuyang, boltahe, paglaban at kapangyarihan - ay magkakaugnay sa pamamagitan ng mapagkakatiwalaang itinatag na mga relasyon, na nagpapahintulot sa amin na gumawa hindi lamang direkta, ngunit din hindi direktang mga sukat o upang makalkula ang mga halaga na kailangan namin mula sa iba pang mga nasusukat. Kaya, upang masukat ang boltahe sa isang bahagi ng circuit, ang isa ay dapat magkaroon ng isang voltmeter, ngunit kahit na sa kawalan nito, alam ang kasalukuyang sa circuit at ang kasalukuyang pagtutol sa seksyong ito, maaari mong kalkulahin ang halaga ng boltahe.