מהם מתח, זרם והתנגדות: כיצד הם משמשים בפועל

בהנדסת חשמל משתמשים במונחים "זרם", "מתח" ו"התנגדות" לתיאור התהליכים המתרחשים במעגלים חשמליים. לכל אחד מהם יש מטרה משלו עם מאפיינים ספציפיים.

חַשְׁמַל

המילה משמשת לאפיון תנועה של חלקיקים טעונים (אלקטרונים, חורים, קטיונים ואניונים) דרך תווך מסוים של חומר. הכיוון ומספרם של נושאי המטען קובעים את סוג ועוצמת הזרם.

המאפיינים העיקריים של הזרם משפיעים על היישום המעשי שלו

תנאי מוקדם לזרימת המטענים הוא נוכחות של מעגל או, במילים אחרות, לולאה סגורה שיוצרת תנאים לתנועתם. אם נוצר חלל בתוך החלקיקים הנעים, תנועת הכיוון שלהם נפסקת מיד.

כל המתגים וההגנות המשמשים בחשמל עובדים על עיקרון זה.הם יוצרים הפרדה בין המגעים הנעים של החלקים המוליכים ובאמצעות פעולה זו קוטעים את זרימת הזרם החשמלי, ומכבים את המכשיר.

באנרגיה, השיטה הנפוצה ביותר היא יצירת זרם חשמלי עקב תנועת אלקטרונים בתוך מתכות העשויות בצורה של חוטים, צמיגים או חלקים מוליכים אחרים.

בנוסף לשיטה זו, נעשה שימוש גם ביצירת זרם בפנים:

1. גזים ונוזלים אלקטרוליטים עקב תנועת אלקטרונים או קטיונים ואניונים - יונים בעלי סימני מטען חיוביים ושליליים;

2. סביבה של ואקום, אוויר וגזים הנתונים לתנועת אלקטרונים הנגרמת על ידי תופעת הקרינה התרמיונית;

3. חומרים מוליכים למחצה עקב תנועת אלקטרונים וחורים.

התחשמלות עלולה להתרחש כאשר:

• החלת הפרש פוטנציאל חשמלי חיצוני על חלקיקים טעונים;

• חוטי חימום שאינם מוליכי-על כיום;

• מהלך התגובות הכימיות הקשורות לשחרור חומרים חדשים;

• ההשפעה של שדה מגנטי המופעל על החוט.

צורת הגל של הזרם החשמלי יכולה להיות:

1. קבוע בצורת קו ישר על ציר הזמן;

2. הרמונית סינוסואידית משתנה המתוארת היטב על ידי היחסים הטריגונומטריים הבסיסיים;

3. מתפתל, דומה בערך לגל סינוס, אבל עם זוויות חדות ובולטות, שבמקרים מסוימים ניתן להחליק היטב;

4. פועם, כאשר הכיוון נשאר זהה ללא שינוי, והמשרעת משתנה מעת לעת מאפס לערך המקסימלי על פי חוק מוגדר היטב.

זרם חשמלי יכול להיות שימושי לאדם כאשר:

• הומר לקרינת אור;

• יוצר חימום של אלמנטים תרמיים;

• מבצע עבודה מכנית עקב משיכה או דחיה של אבזור נע או סיבוב של רוטורים עם כוננים קבועים במיסבים;

• יוצר קרינה אלקטרומגנטית במקרים אחרים.

כאשר זרם חשמלי עובר דרך חוטים, נזק יכול להיגרם על ידי:

• חימום יתר של מעגלים ומגעים נושאי זרם;

• חינוך זרמי מערבולת במעגלים המגנטיים של מכונות חשמליות;

• קרינה של חשמל גלים אלקטרומגנטיים בסביבה וכמה תופעות דומות.

מעצבי מכשירים חשמליים ומפתחי מעגלים שונים לוקחים בחשבון את האפשרויות המפורטות של זרם חשמלי במכשירים שלהם. לדוגמה, ההשפעות המזיקות של זרמי מערבולת בשנאים, מנועים וגנרטורים מתמתנות על ידי ערבוב הליבות המשמשות להעברת שטפים מגנטיים. במקביל, זרם המערבולת משמש בהצלחה לחימום המדיום בתנורים חשמליים ובתנורי מיקרוגל הפועלים על עיקרון האינדוקציה.

זרם חשמלי לסירוגין עם צורת גל סינוסואידית יכול להיות בעל תדירות תנודה שונה ליחידת זמן - שנייה. התדר התעשייתי של מתקנים חשמליים במדינות שונות מתוקנן עם המספרים 50 או 60 הרץ. למטרות אחרות של הנדסת חשמל ועסקי רדיו, נעשה שימוש באותות:

• תדירות נמוכה, עם ערכים נמוכים יותר;

• תדירות גבוהה, העולה משמעותית על מגוון המכשירים התעשייתיים.

מקובל כי זרם חשמלי נוצר על ידי תנועה של חלקיקים טעונים בתווך מקרוסקופי מסוים ונקרא זרם הולכה... אולם סוג אחר של זרם הנקרא הסעה יכול להתרחש כאשר גופים טעונים מקרוסקופית נעים, למשל, טיפות גשם. .

כיצד נוצר זרם חשמלי במתכות

ניתן להשוות את תנועת האלקטרונים בהשפעת כוח קבוע המופעל עליהם לירידה של צנחן עם חופה פתוחה. בשני המקרים מתקבלת תנועה מואצת אחידה.

צונחן הרחפן נע עקב כוח הכבידה לכיוון הקרקע, שמתנגד לו כוח התנגדות האוויר. אלקטרונים מושפעים מהכוח המופעל עליהם שדה חשמלי, ותנועתו מעוכבת על ידי התנגשויות מתמשכות עם חלקיקים אחרים - יונים של סריג קריסטל, שבגללם חלק מהשפעת הכוח המופעל נכבה.

בשני המקרים, המהירות הממוצעת של הצנחן ותנועת האלקטרון מגיעה לערך קבוע.

זה יוצר מצב די ייחודי שבו המהירות:

• התנועה הנכונה של אלקטרון נקבעת לפי ערך בסדר גודל של 0.1 מילימטר לשנייה;

• זרימת הזרם החשמלי תואמת לערך הרבה יותר גבוה - מהירות התפשטות גלי האור: כ-300 אלף קילומטרים לשנייה.

לכן, זרימת זרם חשמלי נוצר במקום שבו מופעל מתח על האלקטרונים, וכתוצאה מכך הם מתחילים לנוע במהירות האור בתוך המדיום המוליך.

כאשר אלקטרונים נעים בסריג הקריסטל של מתכת, מתעוררת חוקיות מעניינת נוספת: היא מתנגשת בערך בכל יון עשירי.כלומר, הוא מונע בהצלחה כ-90% מהתנגשויות היונים.

תופעה זו יכולה להיות מוסברת לא רק על ידי חוקי הפיזיקה הקלאסית הבסיסית, כפי שרוב האנשים מבינים בדרך כלל, אלא גם על ידי חוקי הפעולה הנוספים המתוארים על ידי תורת מכניקת הקוונטים.

אם נביע בקצרה את פעולתם, אז נוכל לדמיין שתנועת האלקטרונים בתוך מתכות מעוכבת על ידי יונים גדולים "מתנדנדים" כבדים המספקים התנגדות נוספת.

השפעה זו בולטת במיוחד בעת חימום מתכות, כאשר "התנופה" של יונים כבדים גדלה ומפחיתה את המוליכות החשמלית של סריגי הגביש של החוטים.

לכן, כאשר מתכות מחוממות, ההתנגדות החשמלית שלהן תמיד עולה, וכאשר מתקררים, המוליכות שלהן עולה. כאשר טמפרטורת המתכת יורדת לערכים קריטיים הקרובים לערך האפס המוחלט, תופעת מוליכות העל מתרחשת ברבים מהם.

זרם חשמלי, בהתאם לערכו, מסוגל לעשות דברים שונים. להערכה כמותית של היכולות שלו, נלקח ערך הנקרא אמפראז'. גודלו במערכת המדידה הבינלאומית הוא 1 אמפר. כדי לציין את החוזק הנוכחי בספרות הטכנית, המדד «I» מאומץ.

מתח

מונח זה משמש כמאפיין של כמות פיזיקלית המבטאת את העבודה המושקעת בהעברת מטען חשמלי של יחידת בדיקה מנקודה אחת לאחרת מבלי לשנות את אופי מיקום המטענים הנותרים על מקורות השדה הפעילים.

מכיוון שלנקודות ההתחלה והסיום יש פוטנציאל אנרגיה שונה, העבודה שנעשית כדי להזיז את המטען, או המתח, שווה ליחס ההפרש בין הפוטנציאלים הללו.

מונחים ושיטות שונים משמשים לחישוב המתח בהתאם לזרמים הזורמים. לא יכול להיות:

1. קבוע - במעגלי זרם אלקטרוסטטי וקבוע;

2. חילופין - במעגלים עם זרם חילופין וסינוסי.

במקרה השני, מאפיינים נוספים וסוגי מתח משמשים כמו:

• משרעת - הסטייה הגדולה ביותר ממיקום האפס של ציר האבשיסה;

• ערך מיידי, המתבטא בנקודת זמן מסוימת;

• ערך אפקטיבי, יעיל או, שנקרא אחרת, ממוצע ריבועי שורש, נקבע על פי העבודה הפעילה שבוצעה במשך חצי תקופה אחת;

• ערך ממוצע מתוקן מחושב מודולו הערך המתוקן של תקופה הרמונית אחת.

להערכה כמותית של המתח, הוצגה היחידה הבינלאומית של 1 וולט והסמל «U» הפך לייעוד שלה.

בעת הובלת אנרגיה חשמלית דרך קווים עיליים, עיצוב התומכים ומידותיהם תלויים בערך המתח המשמש. ערכו בין מוליכים של הפאזות נקרא ליניארי ויחסי לכל מוליך ופאזה אדמה.

כלל זה חל על כל סוגי חברות התעופה.

ברשתות החשמל הביתיות של ארצנו, התקן הוא מתח תלת פאזי של 380/220 וולט.

התנגדות חשמלית

המונח משמש לאפיון תכונותיו של חומר כדי להחליש את מעבר זרם חשמלי דרכו.במקרה זה, ניתן לבחור בסביבות שונות, לשנות את טמפרטורת החומר או את מידותיו.

במעגלי DC, ההתנגדות עושה עבודה אקטיבית, וזו הסיבה שהיא נקראת אקטיבית. עבור כל קטע, הוא פרופורציונלי ישיר למתח המופעל ופרופורציונלי הפוך לזרם העובר.

המושגים הבאים מוצגים בתכניות נוכחיות מתחלפות:

• עַכָּבָּה;

• התנגדות גל.

עכבה חשמלית נקראת גם עכבה מורכבת או רכיבים:

• פָּעִיל;

• תְגוּבָתִי.

תגובתיות, בתורה, יכולה להיות:

• קיבולי;

• אִינְדוּקְטִיבִי.

מתוארים הקשרים בין מרכיבי העכבה של משולש ההתנגדות.

בחישוב אלקטרודינמיקה, עכבת הגל של קו מתח נקבעת על פי היחס בין המתח מהגל הנוצר לערך הזרם העובר לאורך קו הגל.

ערך ההתנגדות נלקח כיחידת מדידה בינלאומית של 1 אוהם.

הקשר בין זרם, מתח, התנגדות

דוגמה קלאסית לביטוי הקשר בין מאפיינים אלו היא השוואה למעגל הידראולי, שבו כוח התנועה של זרימת החיים (אנלוגי - גודל הזרם) תלוי בערך הכוח המופעל על הבוכנה (שנוצר מתח) ואופי קווי הזרימה, העשויים מכיווצים (התנגדות).

החוקים המתמטיים המתארים את הקשר בין התנגדות חשמלית, זרם ומתח פורסמו לראשונה ורשם פטנט על ידי גיאורג אוהם. הוא גזר את החוקים עבור כל המעגל של המעגל החשמלי וחלקו. ראה כאן לפרטים נוספים: יישום חוק אוהם בפועל

מדי זרם, מדי מתח ואוהם משמשים למדידת הכמויות החשמליות הבסיסיות של חשמל.

מד זרם מודד את הזרם הזורם במעגל מאחר והוא אינו משתנה בכל השטח הסגור, מד הזרם ממוקם בכל מקום בין מקור המתח למשתמש ויוצר מעבר מטענים דרך ראש המדידה של המכשיר.

מד מתח משמש למדידת המתח במסופים של המשתמש המחוברים למקור הזרם.

ניתן לבצע מדידות התנגדות עם אוהםמטר רק כשהמשתמש כבוי. הסיבה לכך היא שהמד אוהם מוציא מתח מכויל ומודד את הזרם הזורם דרך ראש הבדיקה, המומר לאוהם על ידי חלוקת המתח בערך הזרם.

כל חיבור של מתח חיצוני בעל הספק נמוך במהלך המדידה יצור זרמים נוספים ויעוות את התוצאה. בהתחשב בכך שהמעגלים הפנימיים של האוהםמטר הם בעלי הספק נמוך, אז במקרה של מדידות התנגדות שגויות בעת הפעלת מתח חיצוני, המכשיר נכשל לעתים קרובות בגלל העובדה שהמעגל הפנימי שלו נשרף.

הכרת המאפיינים הבסיסיים של זרם, מתח, התנגדות והיחסים ביניהם מאפשרת לחשמלאים לבצע בהצלחה את עבודתם ולהפעיל באופן אמין מערכות חשמל, וטעויות שנעשות מסתיימות לרוב בתאונות ופציעות.