כמויות חשמל בסיסיות: מטען, מתח, זרם, הספק, התנגדות

כמויות חשמל בסיסיות: זרם, מתח, התנגדות והספק.

טְעִינָה

התופעה הפיזיקלית החשובה ביותר במעגלים חשמליים היא תנועה מטען חשמלי... ישנם שני סוגים של מטענים בטבע - חיוביים ושליליים. כמו מטענים מושכים, כמו מטענים דוחים. זה מוביל לעובדה שיש נטייה לקבץ מטענים חיוביים עם שליליים בכמויות שוות.

אטום מורכב מגרעין טעון חיובי מוקף בענן של אלקטרונים בעלי מטען שלילי. סך המטען השלילי בערך המוחלט שווה למטען החיובי של הגרעין. לכן, לאטום יש אפס מטען כולל, אומרים שהוא גם ניטרלי מבחינה חשמלית.

בחומרים שיכולים להחזיק חַשְׁמַל, חלק מהאלקטרונים מופרדים מאטומים ויש להם את היכולת לנוע בחומר מוליך. אלקטרונים אלו נקראים מטענים ניידים או נושאי מטען.

מכיוון שכל אטום במצב ההתחלתי הוא ניטרלי, לאחר היפרדות האלקטרון בעל המטען השלילי, הוא הופך ליון בעל מטען חיובי.יונים חיוביים אינם יכולים לנוע בחופשיות וליצור מערכת של מטענים נייחים וקבועים (ראה - אילו חומרים מוליכים חשמל).

במוליכים למחצההמהווים מחלקה חשובה של חומרים, אלקטרונים ניידים יכולים לנוע בשתי דרכים: או שהאלקטרונים פשוט מתנהגים כנשאים בעלי מטען שלילי. או אוסף מורכב של אלקטרונים רבים נע בצורה כזו כאילו היו נשאים ניידים טעונים חיובית בחומר. חיובים קבועים יכולים להיות בכל אופי.

ניתן לחשוב על חומרים מוליכים כאל חומרים המכילים נושאי מטען ניידים (שיכולים להיות להם אחד משני סימנים) ומטענים קבועים בעלי קוטביות הפוכה.

ישנם גם חומרים הנקראים מבודדים שאינם מוליכים חשמל. כל המטענים במבודד קבועים. דוגמאות למבודדים הן אוויר, נציץ, זכוכית, שכבות דקות של תחמוצות שנוצרות על פני משטחים של מתכות רבות וכמובן ואקום (שאין בו מטענים כלל).

המטען נמדד בקולומבים (C) והוא מסומן בדרך כלל ב-Q.

כמות המטען או כמות החשמל השלילי לכל אלקטרון נקבעה באמצעות ניסויים רבים ונמצאה כ-1.601 × 10-19 CL או 4.803 x 10-10 מטענים אלקטרוסטטיים.

ניתן לקבל מושג מסוים על מספר האלקטרונים הזורמים דרך חוט אפילו בזרמים נמוכים יחסית כדלקמן. מכיוון שהמטען של האלקטרון הוא 1.601 • 10-19 CL, אז מספר האלקטרונים היוצרים מטען השווה לקולומב הוא ההדדיות של הנתון, כלומר, הוא שווה בערך ל-6 • 1018.

זרם של 1 A מתאים לזרימה של 1 C לשנייה, ובזרם של 1 מיקרומטר בלבד (10-12 A) דרך חתך החוט, כ-6 מיליון אלקטרונים לשנייה.זרמים בסדר גודל כזה הם בו זמנית כל כך קטנים עד שזיהוים ומדידתם קשורים לקשיים ניסויים משמעותיים.

המטען על יון חיובי הוא כפולה שלמה של המטען על אלקטרון, אך יש לו סימן הפוך. עבור חלקיקים מיוננים בנפרד, מתברר שהמטען שווה למטען האלקטרון.

צפיפות הגרעין גבוהה בהרבה מצפיפות האלקטרון רוב הנפח שתופס האטום בכללותו ריק.

מושג התופעות החשמליות

על ידי שפשוף שני גופים שונים יחד, כמו גם על ידי אינדוקציה, ניתן להעניק לגופים תכונות מיוחדות - חשמליות. גופים כאלה נקראים מחושמלים.

התופעות הקשורות לאינטראקציה של גופים מחושמלים נקראות תופעות חשמליות.

האינטראקציה בין גופים מחושמלים נקבעת על ידי מה שנקרא כוחות חשמליים הנבדלים מכוחות בעלי אופי אחר בכך שהם גורמים לגופים טעונים להדוף ולמשוך זה את זה, ללא קשר למהירות תנועתם.

באופן זה, האינטראקציה בין גופים טעונים שונה, למשל, מזו הכבידתית, המתאפיינת רק במשיכה של גופים, או מכוחות המקור המגנטי, התלויים במהירות התנועה היחסית של המטענים, הגורמים למגנטיות. תופעות.

הנדסת חשמל חוקרת בעיקר את חוקי הביטוי החיצוני של תכונות גופים מחושמלים - חוקים של שדות אלקטרומגנטיים.

מתח

בגלל המשיכה החזקה בין מטענים מנוגדים, רוב החומרים הם ניטרליים מבחינה חשמלית. נדרשת אנרגיה כדי להפריד בין המטענים החיוביים והשליליים.

באיור. 1 מציג שני לוחות מוליכים, לא טעונים בתחילה, מרוחקים זה מזה במרחק d.ההנחה היא שהחלל בין הלוחות מלא במבודד, כמו אוויר, או שהם נמצאים בוואקום.

אורז. 1. שני לוחות מוליכים, לא טעונים בתחילה: א - הלוחות הם ניטרליים מבחינה חשמלית; b - מטען -Q מועבר לצלחת התחתונה (יש הפרש פוטנציאלים ושדה חשמלי בין הלוחות).

באיור. 1, שני הלוחות הם ניטרליים, וסך המטען האפס בלוח העליון יכול להיות מיוצג על ידי סכום המטענים +Q ו-Q. באיור. 1b, המטען -Q מועבר מהצלחת העליונה לצלחת התחתונה. אם באיור. 1b, אנו מחברים את הלוחות עם חוט, ואז כוחות המשיכה של המטענים ההפוכים יגרמו למטען לעבור במהירות חזרה ונחזור למצב המוצג באיור. 1, א. מטענים חיוביים יעברו ללוח הטעון שלילי ומטענים שליליים ללוח הטעון חיובי.

אנו אומרים שבין הלוחות הטעונים המוצגים באיור. 1b, יש הבדל פוטנציאל ושעל הלוח העליון הטעון חיובי הפוטנציאל גבוה יותר מאשר בלוח התחתון הטעון שלילי. באופן כללי, יש הבדל פוטנציאלי בין שתי נקודות אם הולכה בין נקודות אלו מביאה להעברת מטען.

מטענים חיוביים נעים מנקודה בעלת פוטנציאל גבוה לנקודה בעלת פוטנציאל נמוך, כיוון התנועה של מטענים שליליים הוא הפוך - מנקודה בעלת פוטנציאל נמוך לנקודה בעלת פוטנציאל גבוה.

היחידה למדידת הפרש הפוטנציאלים היא הוולט (V). הפרש הפוטנציאל נקרא מתח והוא מסומן בדרך כלל באות U.

כדי לכמת את המתח בין שתי נקודות, נעשה שימוש במושג שדה חשמלי… במקרה המוצג באיור.1b, קיים שדה חשמלי אחיד בין הלוחות המכוון מאזור הפוטנציאל הגבוה (מהלוח החיובי) לאזור הפוטנציאל הנמוך יותר (ללוח השלילי).

חוזק שדה זה, מבוטא בוולט למטר, הוא פרופורציונלי למטען על הלוחות וניתן לחשב אותו מחוקי הפיזיקה אם ידועה התפלגות המטענים. ליחס בין גודל השדה החשמלי למתח U בין הלוחות יש את הצורה U = E NS e (וולט = וולט / מטר x מטר).

לכן, המעבר מפוטנציאל נמוך לגבוה יותר מתאים לתנועה נגד כיוון השדה, במבנה מורכב יותר, ייתכן שהשדה החשמלי לא יהיה אחיד בכל מקום, וכדי לקבוע את הפרש הפוטנציאל בין שתי נקודות, יש צורך להשתמש שוב ושוב במשוואה U = E NS e.

המרווח בין נקודות העניין עבורנו מחולק לחלקים רבים, שכל אחד מהם קטן מספיק כדי שהתחום יהיה אחיד בו. לאחר מכן, המשוואה מיושמת ברציפות על כל מקטע U = E NS e ומסכמים את ההבדלים הפוטנציאליים עבור כל מקטע. לפיכך, עבור כל התפלגות של מטענים ושדות חשמליים, אתה יכול למצוא את הפרש הפוטנציאל בין כל שתי נקודות.

בעת קביעת הפרש הפוטנציאלים, יש צורך לציין לא רק את גודל המתח בין שתי נקודות, אלא גם איזו נקודה בעלת הפוטנציאל הגבוה ביותר. עם זאת, במעגלים חשמליים המכילים מספר אלמנטים שונים, לא תמיד ניתן לקבוע מראש לאיזו נקודה יש ​​את הפוטנציאל הגבוה ביותר. כדי למנוע בלבול, יש צורך לקבל את התנאי לסימנים (איור 2).

אורז. 2... קביעת קוטביות המתח (המתח יכול להיות חיובי או שלילי).

אלמנט מעגל דו קוטבי מיוצג על ידי קופסה המצוידת בשני מסופים (איור 2, א). ההנחה היא שהקווים המובילים מהקופסה לטרמינלים הם מוליכים אידיאליים של זרם חשמלי. מסוף אחד מסומן בסימן פלוס, השני בסימן מינוס. תווים אלה מקבעים את הקוטביות היחסית. מתח U באיור. 2, והוא נקבע על ידי התנאי U = (פוטנציאל של מסוף «+») - (פוטנציאל של מסוף «-«).

באיור. 2b, הלוחות הטעונים מחוברים לטרמינלים כך שמסוף «+» מחובר ללוח עם פוטנציאל גבוה יותר. כאן המתח U הוא מספר חיובי. באיור. 2, מסוף «+» מחובר לצלחת הפוטנציאל התחתונה. כתוצאה מכך, אנו מקבלים מתח שלילי.

חשוב לזכור לגבי הצורה האלגברית של ייצוג מתח. לאחר קביעת הקוטביות, מתח חיובי אומר שלמסוף «+» יש (פוטנציאל גבוה יותר) ומתח שלילי אומר שלמסוף «-» יש פוטנציאל גבוה יותר.

נוֹכְחִי

צוין לעיל שנשאי מטען חיובי נעים מאזור הפוטנציאל הגבוה לאזור הפוטנציאל הנמוך, בעוד שנשאי מטען שלילי נעים מאזור הפוטנציאל הנמוך לאזור הפוטנציאל הגבוה. כל העברת עמלות פירושה פקיעה חַשְׁמַל.

באיור. 3 מציג כמה מקרים פשוטים של זרימת זרם חשמלי, המשטח נבחר ב-C והכיוון החיובי הרעיוני מוצג. אם לאורך זמן dt דרך הקטע S, סך המטען Q יעבור בכיוון הנבחר, אזי הזרם I עד S יהיה שווה ל-I = dV/dT. יחידת המדידה של הזרם היא אמפר (A) (1A = 1C / s).

אורז. 3... הקשר בין כיוון הזרם לכיוון הזרימה של מטענים ניידים.הזרם חיובי (a ו-b) אם הזרימה המתקבלת של מטענים חיוביים דרך משטח C כלשהו עולה בקנה אחד עם הכיוון הנבחר. הזרם הוא שלילי (b ו-d) אם הזרימה המתקבלת של מטענים חיוביים על פני השטח היא הפוכה לכיוון הנבחר.

לעתים קרובות מתעוררים קשיים בקביעת הסימן של ה-Iz הנוכחי. אם נושאי המטען הניידים חיוביים, אזי הזרם החיובי מתאר את התנועה בפועל של נושאי המטען הניידים בכיוון הנבחר, בעוד שהזרם השלילי מתאר את זרימת נושאי המטען הניידים המנוגד לכיוון הנבחר.

אם המפעילים הסלולריים שליליים, עליך להיות זהיר בעת קביעת כיוון הזרם. שקול איור. 3d בו נושאי המטען הנייד השלילי חוצים את S בכיוון הנבחר. נניח שלכל נושא יש מטען -q וקצב הזרימה דרך S הוא n נשאים לשנייה. במהלך dt הוא המעבר הכולל של המטענים C בכיוון הנבחר יהיה dV = -n NS q NS dt, המתאים לזרם I = dV/ dT.

לכן, הזרם באיור 3d הוא שלילי. יתרה מכך, זרם זה עולה בקנה אחד עם הזרם שנוצר מתנועת נשאים חיוביים עם מטען + q דרך פני השטח S במהירות של n נשאים לשנייה בכיוון המנוגד לזה הנבחר (איור 3, ב). לפיכך, חיובים דו ספרתיים משתקפים בזרם הדו ספרתי. ברוב המקרים במעגלים אלקטרוניים, הסימן של הזרם הוא משמעותי ואין זה משנה אילו נושאי מטען (חיוביים או שליליים) נושאים את הזרם הזה. לכן, לעתים קרובות כאשר הם מדברים על זרם חשמלי, הם מניחים כי נושאי המטען הם חיוביים (ראה - כיוון הזרם החשמלי).

במכשירי מוליכים למחצה, לעומת זאת, ההבדל בין נושאי מטען חיוביים ושליליים הוא קריטי לפעולת המכשיר.בחינה מפורטת של פעולתם של מכשירים אלה צריכה להבחין בבירור בין הסימנים של נושאי טעינה ניידים. ניתן להכליל בקלות את הרעיון של זרם שזורם דרך אזור מסוים לזרם דרך אלמנט מעגל.

באיור. 4 מציג אלמנט דו קוטבי. כיוון הזרם החיובי מוצג על ידי חץ.

אורז. 4. זרם דרך אלמנט מעגל. מטענים נכנסים לתא דרך טרמינל A בקצב i (קולומב לשנייה) ויוצאים מהתא דרך טרמינל A' באותו קצב.

אם זרם חיובי זורם דרך אלמנט מעגל, מטען חיובי נכנס למסוף A בקצב של i קולומב לשנייה. אבל, כפי שכבר צוין, חומרים (ורכיבי מעגל) בדרך כלל נשארים ניטרליים מבחינה חשמלית. (אפילו לתא "טעון" באיור 1 יש אפס מטען כולל.) לכן, אם מטען זורם לתוך התא דרך טרמינל A, כמות שווה של מטען חייבת לזרום החוצה מהתא דרך טרמינל A'. המשכיות זו של זרימת זרם חשמלי דרך אלמנט המעגל נובעת מהנייטרליות של האלמנט בכללותו.

כּוֹחַ

לכל אלמנט דו-קוטבי במעגל יכול להיות מתח בין המסופים שלו וזרם יכול לזרום דרכו. ניתן לקבוע את הסימנים של זרם ומתח באופן עצמאי, אך קיים קשר פיזי חשוב בין קוטביות המתח והזרם, שלצורך הבהרתם נלקחים בדרך כלל כמה תנאים נוספים.

באיור. 4 מראה כיצד נקבעים הקוטביות היחסית של מתח וזרם. כאשר הכיוון הנוכחי נבחר, הוא זורם למסוף «+». כאשר תנאי נוסף זה מתקיים, ניתן לקבוע כמות חשמלית חשובה - הספק חשמלי. שקול את אלמנט המעגל באיור. 4.

אם המתח והזרם חיוביים, אז יש זרימה מתמשכת של מטענים חיוביים מנקודה בעלת פוטנציאל גבוה לנקודה בעלת פוטנציאל נמוך. כדי לשמור על זרימה זו, יש צורך להפריד את המטענים החיוביים מהשליליים ולהכניס אותם למסוף «+». הפרדה מתמשכת זו דורשת הוצאה מתמשכת של אנרגיה.

כאשר מטענים עוברים דרך היסוד, הם משחררים את האנרגיה הזו. ומכיוון שיש לאגור אנרגיה, היא משתחררת באלמנט המעגל כחום (למשל בטוסטר) או מאוחסנת בו (לדוגמה, בעת טעינת מצבר לרכב). הקצב שבו מתרחשת המרת אנרגיה זו נקרא כּוֹחַ והוא נקבע על ידי הביטוי P = U NS Az (וואט = וולט x אמפר).

יחידת המדידה של הספק היא הוואט (W), המתאים להמרה של 1 J של אנרגיה ל-1 ש'. הספק שווה למכפלת המתח והזרם עם הקוטביות המוגדרות באיור. 4 היא כמות אלגברית.

אם P > 0, כמו במקרה שלעיל, כוח מתפזר או נבלע באלמנט. אם P < 0, אז במקרה זה האלמנט מספק חשמל למעגל שבו הוא מחובר.

אלמנטים התנגדות

עבור כל אלמנט מעגל, אתה יכול לכתוב יחס ספציפי בין המתח המסוף לזרם דרך האלמנט. אלמנט התנגדות הוא אלמנט שניתן לשרטט עבורו את הקשר בין מתח לזרם.גרף זה נקרא מאפיין זרם-מתח. דוגמה לתכונה כזו מוצגת באיור. 5.

אורז. 5. זרם-מתח מאפיין אלמנט התנגדות

אם המתח במסופים של אלמנט D ידוע, הגרף יכול לקבוע את הזרם דרך אלמנט D.כמו כן, אם הזרם ידוע, ניתן לקבוע את המתח.

התנגדות מושלמת

ההתנגדות (או הנגד) האידיאלית היא אלמנט התנגדות ליניארי... לפי הגדרת לינאריות, הקשר בין מתח לזרם באלמנט התנגדות ליניארי הוא כזה שכאשר הזרם מוכפל, המתח מוכפל גם הוא. באופן כללי, המתח צריך להיות פרופורציונלי לזרם.

היחס הפרופורציונלי בין מתח לזרם נקרא חוק אוהם לקטע של מעגל והוא כתוב בשתי דרכים: U = I NS R, כאשר R היא ההתנגדות של היסוד, ו-I = G NS U, כאשר G = I / R היא מוליכות היסוד. יחידת ההתנגדות היא אוהם (אוהם), ויחידת המוליכות היא סימנס (ס"מ).

מאפיין מתח הזרם של ההתנגדות האידיאלית מוצג באיור. 6. הגרף הוא קו ישר דרך המוצא עם שיפוע שווה ל- Az/R.

אורז. 6. ייעוד (א) ומאפיין מתח זרם (ב) של נגד אידיאלי.

כוח עם התנגדות מושלמת

ביטוי העוצמה הנספגת בהתנגדות האידיאלית:

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

כפי שההספק הנקלט, בהתנגדות אידיאלית, תלוי בריבוע של הזרם (או המתח), סימן ההספק הנספג v בהתנגדות אידיאלית תלוי בסימן R. למרות שערכי התנגדות שליליים משמשים לעתים כאשר מדמים סוגים מסוימים של מכשירים הפועלים במצבים מסוימים, כל ההתנגדויות האמיתיות הן בדרך כלל חיוביות. עבור התנגדויות אלה, הכוח הנקלט תמיד חיובי.

האנרגיה החשמלית הנספגת בהתנגדות, בהתאם חוק שימור האנרגיה, חייב NStransform למינים אחרים.לרוב, אנרגיה חשמלית מומרת לאנרגיית חום, הנקראת חום ג'ול. שיעור הפרשה חום ג'אול מבחינת התנגדות, הוא תואם את קצב הספיגה של אנרגיה חשמלית. יוצאים מן הכלל הם אותם יסודות התנגדות (לדוגמה, נורה או רמקול), שבהם חלק מהאנרגיה הנספגת מומרת לצורות אחרות (אנרגיית אור וקול).

קשר גומלין בין כמויות החשמל העיקריות

עבור זרם ישר, היחידות הבסיסיות מוצגות באיור. 7.

אורז. 7. יחסי גומלין בין כמויות החשמל העיקריות

ארבע יחידות בסיסיות - זרם, מתח, התנגדות והספק - מחוברות ביניהן על ידי מערכות יחסים מבוססות באופן מהימן, מה שמאפשר לנו לבצע לא רק מדידות ישירות, אלא גם עקיפות או לחשב את הערכים הדרושים לנו מאלה שנמדדו אחרים. אז, כדי למדוד את המתח בחלק מהמעגל, צריך להיות מד מתח, אבל גם בהיעדרו, לדעת את הזרם במעגל ואת ההתנגדות הנוכחית בסעיף זה, אתה יכול לחשב את ערך המתח.