Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике

ПОИСК ПО САЙТУ:

 
  
  

 

Справочник электрика / Основы электротехники

Основные электрические величины

 

Основные электрические величины: ток, напряжение, сопротивление и мощность.

Заряд

Важнейшим физическим явлением в электрических цепях является движение электрического заряда. В природе существуют два вида зарядов - положительные и отрицательные. Разноименные заряды притягиваются, одноименные отталкиваются. Это ведет к тому, что имеется тенденция к группированию положительных зарядов с отрицательными в равных количествах.

Атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Полный отрицательный заряд по модулю равен положительному заряду ядра. Следовательно, атом имеет нулевой полный заряд, также говорят, что он электрически нейтрален.

В материалах, которые могут проводить электричество, некоторые электроны отделяются от атомов и имеют возможность передвигаться в проводящем материале. Эти электроны называются подвижными зарядами или носителями заряда. Так как каждый атом в исходном состоянии нейтрален, то после отрыва отрицательно заряженного электрона он становится положительно заряженным ионом. Положительные ионы не могут свободно передвигаться и образуют систему неподвижных, фиксированных зарядов (смотрите - Какие вещества проводят электрический ток).

В полупроводниках, составляющих важный класс материалов, подвижные электроны могут передвигаться двумя способами: или электроны ведут себя просто как отрицательно заряженные носители. Или сложная совокупность многих электронов движется таким образом, как будто в материале имеются положительно заряженные подвижные носители. Фиксированные заряды также могут быть обоих знаков.

Проводящие материалы можно представить как материалы, содержащие подвижные носители заряда (которые могут иметь один из двух знаков) и фиксированные заряды противоположной полярности.

Существуют также материалы, называемые изоляторами, которые не проводят электричества. Все заряды в изоляторе фиксированы. Примерами изоляторов служат воздух, слюда, стекло, тонкие слои окислов, образующихся на поверхностях многих металлов, и, конечно, вакуум (в котором вообще нет зарядов).

Заряд измеряется в кулонах (Кл) и обычно обозначается Q.

Измерение постянного напряжения

Напряжение

Вследствие сильного притяжения между противоположными зарядами большинство материалов электрически нейтрально. Для разделения положительных и отрицательных зарядов требуется энергия.

На рис. 1 показаны две проводящие, первоначально не заряженные пластины, отстоящие одна от другой на расстояние d. Предполагается, что пространство между пластинами заполнена изолятором, например воздухом, или же они находятся в вакууме.

Две проводящие, первоначально не заряженные пластины

 Рис. 1. Две проводящие, первоначально не заряженные пластины: а - пластины электрически нейтральны; б - заряд -Q перенесен на нижнюю пластину (между пластинами существует разность потенциалов и электрическое поле).

На рис. 1, а обе пластины нейтральны, и полный нулевой заряд на верхней пластине может быть представлен суммой зарядов +Q и -Q. На рис. 1,б заряд -Q перенесен с верхней пластины на нижнюю. Если бы на рис. 1,б мы соединили пластины с помощью проводника, то силы притяжения противоположных зарядов произвели бы быстрый перенос заряда обратно и мы вернулись бы к ситуации, изображенной на рис. 1,а. Положительные заряды переместились бы на отрицательно заряженную пластину, а отрицательные заряды — на положительно заряженную.

Мы говорим, что между заряженными пластинами, показанными на рис. 1,б, существует разность потенциалов и что на положительно заряженной верхней пластине потенциал выше, чем на отрицательно заряженной нижней пластине. В общем случае между двумя точками существует разность потенциалов, если осуществление проводимости между этими точками приводит к переносу заряда.

Положительные заряды перемещаются от точки с высоким потенциалом к точке с низким потенциалом, направление движения отрицательных зарядов противоположно — от точки с низким потенциалом к точке с высоким потенциалом.

Единицей измерения разности потенциалов выбран вольт (В). Разность потенциалов называется напряжением и обычно обозначается буквой U.

Для количественного определения напряжения между двумя точками используется понятие электрическое поле. В случае, показанном на рис, 1,б, между пластинами существует однородное электрическое поле, направленное от области с более высоким потенциалом (от положительной пластины) к области с более низким потенциалом (к отрицательной пластине).

Напряженность этого поля, выраженная в вольтах на метр, пропорциональна заряду на пластинах и может быть рассчитана из законов физики, если известно распределение зарядов. Соотношение между величиной электрического поля и напряжением U между пластинами имеет вид U = E х d (вольт = вольт/метр х метр).

Итак, движение от более низкого потенциала к более высокому соответствует перемещению против направления поля. При более сложной структуре электрическое поле может быть не везде однородным, и для определения разности потенциалов между двумя точками необходимо многократно использовать уравнение U = E х d.

Промежуток между интересующими нас точками разбивается на много участков, каждый из которых достаточно мал, чтобы поле в нем было однородно. Затем последовательно к каждому отрезку применяется уравнение U = E х d и разности потенциалов для каждого участка суммируются. Таким образом, для любого распределения зарядов и электрических полей можно найти разность потенциалов между двумя любыми точками.

При определении разности потенциалов необходимо указать не только величину напряжения между двумя точками, но также и то, какая точка имеет больший потенциал. Однако в электрических цепях, содержащих несколько различных элементов, не всегда можно определить заранее, какая точка имеет более высокий потенциал. Чтобы избежать путаницы, необходимо принять условие для знаков (рис. 2).

Определение полярности напряжения

 Рис. 2. Определение полярности напряжения (напряжение может быть положительным или отрицательным).

Двухполюсный элемент цепи представляется ящиком, снабженным двумя клеммами (рис. 2,а). Линии, ведущие от ящика к клеммам, предполагаются идеальными проводниками электрического тока. Одна клемма обозначается знаком плюс, другая - знаком минус. Эти знаки фиксируют относительную полярность. Напряжение U на рис. 2, а определяется условием U = (потенциал на клемме "+") - (потенциал на клемме "-").

На рис. 2, б заряженные пластины соединены с клеммами так, то клемма "+" связана с пластиной, имеющей более высокий потенциал. Здесь напряжение U является положительным числом. На рис. 2,в клемма "+" связана с пластиной, имеющей меньший потенциал. В итоге получаем отрицательное напряжение.

Важно помнить об алгебраической форме представления напряжения. Как только определена полярность, положительное напряжение означает, что клемма "+" имеет (более высокий потенциал, а отрицательное напряжение означает, что более высокий потенциал имеет клемма "-".

Ток

Выше отмечалось, что положительные носители заряда движутся из области высокого потенциала в область низкого потенциала тогда как отрицательные носители заряда - из области низкого потенциала в область высокого потенциала. Любой перенос заряда означает протекание электрического тока.

На рис. 3 показаны некоторые простые случаи протекания электрического тока, выбрана поверхность S и показано условное положительное направление. Если в течение времени dt через сечение S пройдет полный заряд Q в выбранном направлении, то ток I через S будет равен I = dQ/dt. Единицей измерения тока выбран ампер (А) (1А=1Кл/с).

Связь между направлением тока и направлением потока подвижных зарядов

Рис. 3. Связь между направлением тока и направлением потока подвижных зарядов. Ток положителен (а и в), если результирующий поток положительных зарядов через некоторую поверхность S совпадает с выбранным направлением. Ток отрицателен (б и г), если результирующий поток положительных зарядов через поверхность противоположен выбранному направлению.

При определении знака тока I часто возникают затруднения. Если подвижные носители заряда положительны то положительный ток описывает реальное движение подвижных носителей в выбранном направлении, тогда как отрицательный ток описывает поток подвижных носителей заряда, противоположный выбранному направлению.

Если подвижные носители отрицательны, нужно быть осторожным при определении направления тока. Рассмотрим рис. 3,г, на котором отрицательные подвижные носители заряда пересекают S в выбранном направлении. Предположим, что каждый носитель имеет заряд -q и что скорость потока через S равна n носителей в секунду. За время dt полный заряд, пересекающий S в выбранном направлении, будет dQ = -n х q х dt, что соответствует току I = dQ/dt.

Следовательно, ток на рис. 3,г отрицателен. Более того,этот ток совпадает с током, создаваемым движением положительных носителей с зарядом +q через поверхность S со скоростью n носителей в секунду в направлении, противоположном выбранному (рис. 3,б). Таким образом, двузначность зарядов отражается в двузначности тока. Для большинства случаев в электронных схемах существенным является знак тока, и при этом неважно, какие носители заряда (положительные или отрицательные) переносят этот ток. Поэтому часто, когда говорят об электрическом токе подразумевают, что носители заряда положительны (смотрите - Направление электрического тока).

Однако в полупроводниковых приборах различие между положительными и отрицательными носителями заряда критично для работы прибора. При детальном рассмотрении работы этих приборов знаки подвижных носителей заряда необходимо четко различать. Понятие тока, протекающего через определенную площадку, легко обобщить на ток через элемент цепи.

На рис. 4 показан двухполюсный элемент. Направление положительного тока показано стрелкой.

Ток через элемент цепи

 Рис. 4. Ток через элемент цепи. Заряды входят в элемент через клемму А со скоростью i (кулонов в секунду) и выходят из элемента через клемму А' с той же скоростью.

Если положительный ток протекает через элемент цепи, положительный заряд входит через клемму А со скоростью i кулонов в секунду. Но, как уже отмечалось, материалы (и элементы цепей) в целом остаются электрически нейтральными. (Даже "заряженный" элемент на рис. 1 имеет нулевой полный заряд.) Следовательно, если заряд втекает в элемент через клемму А, равное количество заряда должно одновременно вытекать из элемента через клемму А'. Эта непрерывность протекания электрического тока через элемент цепи следует из нейтральности элемента в целом.

Мощность

На каждом двухполюсном элементе цепи может существовать напряжение между его клеммами, и через него может протекать ток. Знаки тока и напряжения могут быть определены независимо, однако между полярностями напряжения и тока существует важное физическое соотношение, для выяснения которого обычно принимают некоторое дополнительное условие.

На рис. 4 показано, как определяются относительные полярности напряжения и тока. При выбранном направлении тока он втекает в клемму "+". При выполнении этого дополнительного условия можно определить важную электрическую величину — электрическую мощность. Рассмотрим элемент цепи на рис. 4.

Если напряжение и ток положительны, то имеется непрерывный поток положительных зарядов от точки с высоким потенциалом к точке с низким потенциалом. Чтобы поддерживать этот поток, надо отделять положительные заряды от отрицательных и вводить их в клемму "+". Это непрерывное разделение требует непрерывных затрат энергии.

Когда заряды проходят через элемент, они отдают эту энергию. А так как энергия должна сохраняться, то она или выделяется в элементе цепи в виде тепла (например, в тостере), или накапливается в нем (например, при зарядке автомобильного аккумулятора). Скорость, с которой происходит это преобразование энергии, называется мощностью и определяется выражением Р = U х I (ватт=вольт х ампер).

Единицей измерения мощности выбран ватт (Вт), который соответствует преобразованию энергии 1 Дж в 1 с. Мощность, равная произведению напряжения на ток с полярностями, определенными на рис. 4, является алгебраической величиной.

Если Р>0, как в рассмотренном выше случае, мощность или рассеивается, или поглощается в элементе. Если Р<0, то в этом случае элемент поставляет мощность в цепь, в которую он включен.

Резистивные элементы

Для каждого элемента цепи можно написать определенное соотношение между напряжением на клеммах и током через элемент. Резистивным элементом является элемент, для которого соотношение между напряжением и током можно представить в виде графика. Этот график называется вольт-амперной характеристикой. Пример такой характеристики показан на рис. 5.

Вольт-амперная характеристика резистивного элемента

 Рис. 5. Вольт-амперная характеристика резистивного элемента

Если известно напряжение на клеммах элемента D, то по графику можно определить ток через элемент D. Аналогично, если известен ток, можно определить напряжение.

Идеальное сопротивление

Идеальным сопротивлением (или резистором) является линейный резистивный элемент. По определению линейности соотношение между напряжением и током в линейном резистивном элементе такое, что при удвоении тока напряжение также удваивается. В общем случае напряжение должно быть пропорционально току.

Пропорциональная зависимость между напряжением и током называется законом Ома для участка цепи и записывается двумя способами: U = I х R, где R — сопротивление элемента, и I = G х U, где G = I/R — проводимость элемента. Единицей измерения сопротивления является ом (Ом), а единицей проводимости — сименс (См).

Вольт-амперная характеристика идеального сопротивления приведена на рис. 6. График является прямой линией, проходящей через начало координат, с наклоном, равным I/R.

Обозначение и вольт-амперная характеристика идеального резистора

 Рис. 6. Обозначение (а) и вольт-амперная характеристика (б) идеального резистора.

Мощность в идеальном сопротивлении

Выражение для мощности, поглощаемой в идеальном сопротивлении:

P = U х I = I2х R, P = U2/R

Так как мощность, поглощаемая,в идеальном сопротивлении, зависит от квадрата тока (или напряжения), знак мощности, поглощаемой в идеальном сопротивлении, зависит от знака R. Хотя иногда при моделировании некоторых типов приборов, работающих в определенных режимах, используются отрицательные значения сопротивления, все реальные сопротивления, как правило, положительны. Для этих сопротивлений поглощаемая мощность всегда положительна.

Электрическая энергия, поглощаемая сопротивлением, согласно закону сохранения энергии, должна преобразовываться в другие виды. Наиболее часто электрическая энергия превращается в тепловую энергию, называемую джоулевым теплом. Скорость выделения джоулева тепла в сопротивлении совпадает со скоростью поглощения электрической энергии. Исключением являются те резистивные элементы (например, лампочка или громкоговоритель), в которых часть поглощаемой энергии преобразуется в другие виды (энергию светового излучения и звуковую энергию).

Взаимосвязь основных электрических величин

Для постоянного тока основные единицы представлены на рис. 7.

Взаимосвязь основных электрических величин

 Рис. 7. Взаимосвязь основных электрических величин

Четыре основные единицы - ток, напряжение, сопротивление и мощность взаимосвязаны достоверно установленными зависимостями, что позволяет проводить не только прямые, но и косвенные измерения или вычислять нужные нам величины по другим — измеренным. Так, для измерения напряжения на участке цепи следовало бы иметь вольтметр, но и при отсутствии его, зная ток в цепи и сопротивление току на этом участке, можно рассчитать значение напряжения.

Поделитесь с друзьями:

Статьи близкие по теме:

  • Какие вещества проводят электрический ток
  • Закон Кулона и его применение в электротехнике
  • Электризация тел, взаимодействие зарядов
  • Проводники в электрическом поле
  • Электростатика в картинках
  • Статическое электричество в картинках
  • Электрическое поле, электростатическая индукция, емкость и конденсаторы
  • Школа для электрика в Facebook:

    Основы электротехники | Основы электроники | Электричество для чайников
    Электрические аппараты | Электрические машины | Справочник электрика
     Электроснабжение | Электрические измерения | Электрические схемы
     Электричсекое освещение | Электромонтажные работы | Эксплуатация электрооборудования
    Алфавитный указатель: