Grundlegende elektrische Größen: Ladung, Spannung, Strom, Leistung, Widerstand
Grundlegende elektrische Größen: Strom, Spannung, Widerstand und Leistung.
Aufladen
Das wichtigste physikalische Phänomen in elektrischen Schaltkreisen ist die Bewegung elektrische Ladung… In der Natur gibt es zwei Arten von Ladungen – positive und negative. Gleiche Ladungen ziehen sich an, gleiche Ladungen stoßen ab. Dies führt dazu, dass die Tendenz besteht, positive Ladungen mit negativen Ladungen in gleichen Mengen zu gruppieren.
Ein Atom besteht aus einem positiv geladenen Kern, der von einer Wolke negativ geladener Elektronen umgeben ist. Die gesamte negative Ladung ist im absoluten Wert gleich der positiven Ladung des Kerns. Daher hat das Atom keine Gesamtladung, es wird auch als elektrisch neutral bezeichnet.
In Materialien, die halten können ElektrizitätEinige Elektronen sind von Atomen getrennt und können sich in einem leitenden Material bewegen. Diese Elektronen werden mobile Ladungen oder Ladungsträger genannt.
Da jedes Atom im Ausgangszustand neutral ist, wird es nach der Trennung des negativ geladenen Elektrons zu einem positiv geladenen Ion.Positive Ionen können sich nicht frei bewegen und bilden ein System stationärer, fester Ladungen (siehe – Welche Stoffe leiten Strom).
Bei HalbleiternMobile Elektronen stellen eine wichtige Materialklasse dar und können sich auf zwei Arten bewegen: Oder die Elektronen verhalten sich einfach wie negativ geladene Träger. Oder eine komplexe Ansammlung vieler Elektronen bewegt sich so, als ob sich positiv geladene mobile Ladungsträger im Material befänden. Feste Gebühren können beliebiger Art sein.
Leitfähige Materialien kann man sich als Materialien vorstellen, die bewegliche Ladungsträger (die eines von zwei Vorzeichen haben können) und feste Ladungen entgegengesetzter Polarität enthalten.
Es gibt auch Materialien, sogenannte Isolatoren, die keinen Strom leiten. Alle Ladungen im Isolator sind fixiert. Beispiele für Isolatoren sind Luft, Glimmer, Glas, dünne Oxidschichten, die sich auf den Oberflächen vieler Metalle bilden, und natürlich ein Vakuum (in dem überhaupt keine Ladungen vorhanden sind).
Die Ladung wird in Coulomb (C) gemessen und normalerweise mit Q bezeichnet.
Die Ladungsmenge oder die Menge an negativer Elektrizität pro Elektron wurde durch zahlreiche Experimente ermittelt und beträgt 1,601 × 10-19 CL oder 4,803 x 10-10 elektrostatische Ladungen.
Eine Vorstellung von der Anzahl der Elektronen, die auch bei relativ geringen Strömen durch einen Draht fließen, kann wie folgt gewonnen werden. Da die Ladung des Elektrons 1,601 · 10-19 CL beträgt, ist die Anzahl der Elektronen, die eine Ladung erzeugen, die dem Coulomb entspricht, der Kehrwert des Gegebenen, d. h. sie beträgt ungefähr 6 · 1018.
Ein Strom von 1 A entspricht einem Fluss von 1 C pro Sekunde und bei einem Strom von nur 1 μmka (10-12 A) durch den Querschnitt des Drahtes etwa 6 Millionen Elektronen pro Sekunde.Ströme dieser Größenordnung sind gleichzeitig so klein, dass ihre Erfassung und Messung mit erheblichen experimentellen Schwierigkeiten verbunden sind.
Die Ladung eines positiven Ions ist ein ganzzahliges Vielfaches der Ladung eines Elektrons, hat jedoch das umgekehrte Vorzeichen. Bei einfach ionisierten Teilchen ist die Ladung gleich der Ladung des Elektrons.
Die Dichte des Kerns ist viel höher als die Dichte des Elektrons. Der größte Teil des vom Atom als Ganzes eingenommenen Volumens ist leer.
Das Konzept elektrischer Phänomene
Durch das Aneinanderreiben zweier verschiedener Körper sowie durch Induktion können den Körpern besondere Eigenschaften verliehen werden – elektrische. Solche Körper werden als elektrifiziert bezeichnet.
Die mit der Wechselwirkung elektrifizierter Körper verbundenen Phänomene werden genannt elektrische Phänomene.
Die Wechselwirkung zwischen elektrifizierten Körpern wird durch das sogenannte bestimmt Elektrische Kräfte, die sich von Kräften anderer Natur dadurch unterscheiden, dass sie dazu führen, dass geladene Körper sich gegenseitig abstoßen und anziehen, unabhängig von der Geschwindigkeit ihrer Bewegung.
Auf diese Weise unterscheidet sich die Wechselwirkung zwischen geladenen Körpern beispielsweise von der Gravitationswechselwirkung, die nur durch die Anziehung von Körpern gekennzeichnet ist, oder von den Kräften magnetischen Ursprungs, die von der relativen Bewegungsgeschwindigkeit der Ladungen abhängen und magnetische Wirkungen hervorrufen Phänomene.
Die Elektrotechnik untersucht hauptsächlich die Gesetze der äußeren Erscheinungsform von Eigenschaften elektrifizierte Körper — Gesetze elektromagnetischer Felder.
Stromspannung
Aufgrund der starken Anziehungskraft zwischen entgegengesetzten Ladungen sind die meisten Materialien elektrisch neutral. Um die positive und negative Ladung zu trennen, wird Energie benötigt.
In Abb. 1 zeigt zwei leitende, zunächst ungeladene Platten im Abstand d.Es wird davon ausgegangen, dass der Raum zwischen den Platten mit einem Isolator, beispielsweise Luft, gefüllt ist oder sie sich in einem Vakuum befinden.
Reis. 1. Zwei leitende, zunächst ungeladene Platten: a – die Platten sind elektrisch neutral; b – Ladung -Q wird auf die untere Platte übertragen (zwischen den Platten besteht eine Potentialdifferenz und ein elektrisches Feld).
In Abb. In 1 sind beide Platten neutral und die gesamte Nullladung auf der oberen Platte kann durch die Summe der Ladungen +Q und -Q dargestellt werden. In Abb. In 1b wird die Ladung -Q von der oberen Platte auf die untere Platte übertragen. Wenn in Abb. 1b verbinden wir die Platten mit einem Draht, dann bewirken die Anziehungskräfte der entgegengesetzten Ladungen, dass die Ladung schnell zurücktransferiert und wir kehren zu der in Abb. 1b gezeigten Situation zurück. 1, a. Positive Ladungen würden zur negativ geladenen Platte und negative Ladungen zur positiv geladenen Platte wandern.
Wir sagen, dass zwischen den geladenen Platten in Abb. Wie aus Fig. 1b hervorgeht, besteht eine Potentialdifferenz und auf der positiv geladenen oberen Platte ist das Potential höher als auf der negativ geladenen unteren Platte. Im Allgemeinen besteht ein Potenzialunterschied zwischen zwei Punkten, wenn die Leitung zwischen diesen Punkten zu einer Ladungsübertragung führt.
Positive Ladungen bewegen sich von einem Punkt mit hohem Potential zu einem Punkt mit niedrigem Potential, die Bewegungsrichtung negativer Ladungen ist entgegengesetzt – von einem Punkt mit niedrigem Potential zu einem Punkt mit hohem Potential.
Die Einheit zur Messung der Potentialdifferenz ist Volt (V). Die Potentialdifferenz wird Spannung genannt und üblicherweise mit dem Buchstaben U bezeichnet.
Um die Spannung zwischen zwei Punkten zu quantifizieren, wird das Konzept verwendet elektrisches Feld… In dem in Abb. gezeigten Fall.In 1b herrscht zwischen den Platten ein gleichmäßiges elektrisches Feld, das vom Bereich höheren Potentials (von der positiven Platte) zum Bereich niedrigeren Potentials (zur negativen Platte) gerichtet ist.
Die Stärke dieses Feldes, ausgedrückt in Volt pro Meter, ist proportional zur Ladung auf den Platten und kann aus den Gesetzen der Physik berechnet werden, wenn die Ladungsverteilung bekannt ist. Der Zusammenhang zwischen der Größe des elektrischen Feldes und der Spannung U zwischen den Platten hat die Form U = E NS e (Volt = Volt / Meter x Meter).
Der Übergang von einem niedrigeren zu einem höheren Potential entspricht also der Bewegung entgegen der Feldrichtung. In einer komplexeren Struktur ist das elektrische Feld möglicherweise nicht überall gleichmäßig, und um die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten zu bestimmen, muss es ist notwendig, die Gleichung wiederholt zu verwenden U = E NS e.
Der Abstand zwischen den für uns interessanten Punkten ist in viele Abschnitte unterteilt, von denen jeder klein genug ist, damit das Feld darin einheitlich ist. Anschließend wird die Gleichung nacheinander auf jedes Segment U = E NS e angewendet und die Potentialdifferenzen für jeden Abschnitt summiert. Somit können Sie für jede Verteilung von Ladungen und elektrischen Feldern die Potentialdifferenz zwischen zwei beliebigen Punkten ermitteln.
Bei der Bestimmung der Potenzialdifferenz muss nicht nur die Höhe der Spannung zwischen zwei Punkten angegeben werden, sondern auch, welcher Punkt das höchste Potenzial aufweist. Bei Stromkreisen mit mehreren unterschiedlichen Elementen ist es jedoch nicht immer möglich, im Voraus zu bestimmen, an welcher Stelle das höchste Potenzial liegt. Um Verwirrung zu vermeiden, ist es notwendig, die Bedingung für Zeichen zu akzeptieren (Abb. 2).
Reis. 2… Bestimmung der Spannungspolarität (Spannung kann positiv oder negativ sein).
Ein bipolares Schaltungselement wird durch eine Box dargestellt, die mit zwei Anschlüssen ausgestattet ist (Abb. 2, a). Es wird davon ausgegangen, dass die Leitungen, die vom Kasten zu den Anschlüssen führen, ideale Stromleiter sind. Ein Anschluss ist mit einem Pluszeichen, der andere mit einem Minuszeichen gekennzeichnet. Diese Zeichen legen die relative Polarität fest. Spannung U in Abb. 2 und wird durch die Bedingung U = (Potenzial der Klemme „+“) — (Potenzial der Klemme „-“) bestimmt.
In Abb. In 2b werden die geladenen Platten mit den Anschlüssen verbunden, sodass der „+“-Anschluss mit der Platte mit einem höheren Potenzial verbunden ist. Hier ist die Spannung U eine positive Zahl. In Abb. In Abb. 2 ist die Klemme „+“ mit der unteren Potentialplatte verbunden. Dadurch erhalten wir eine negative Spannung.
Es ist wichtig, sich an die algebraische Form der Stressdarstellung zu erinnern. Sobald die Polarität bestimmt ist, bedeutet eine positive Spannung, dass der „+“-Anschluss ein (höheres Potenzial) hat, und eine negative Spannung bedeutet, dass der „-“-Anschluss ein höheres Potenzial hat.
Aktuell
Oben wurde darauf hingewiesen, dass sich positive Ladungsträger von der Region mit hohem Potential in die Region mit niedrigem Potential bewegen, während sich negative Ladungsträger von der Region mit niedrigem Potential in die Region mit hohem Potential bewegen. Jede Überweisung von Gebühren bedeutet Verfall Elektrizität.
In Abb. 3 zeigt einige einfache Fälle des elektrischen Stromflusses, die Oberfläche ist C gewählt und die fiktive positive Richtung ist dargestellt. Wenn über die Zeit dt durch den Abschnitt S die Gesamtladung Q in der gewählten Richtung fließt, dann ist der Strom I durch S gleich I = dV/dT. Die Maßeinheit für den Strom ist das Ampere (A) (1A = 1C/s).
Reis. 3… Die Beziehung zwischen der Stromrichtung und der Flussrichtung mobiler Ladungen.Der Strom ist positiv (a und b), wenn der resultierende Fluss positiver Ladungen durch eine Oberfläche C mit der gewählten Richtung übereinstimmt. Der Strom ist negativ (b und d), wenn der resultierende Fluss positiver Ladungen über die Oberfläche der gewählten Richtung entgegengesetzt ist.
Bei der Bestimmung des Vorzeichens des aktuellen Iz treten häufig Schwierigkeiten auf. Sind die beweglichen Ladungsträger positiv, dann beschreibt der positive Strom die tatsächliche Bewegung der beweglichen Ladungsträger in die gewählte Richtung, während der negative Strom den Fluss der beweglichen Ladungsträger entgegen der gewählten Richtung beschreibt.
Wenn die Mobilfunkanbieter negativ sind, müssen Sie bei der Bestimmung der Stromrichtung vorsichtig sein. Betrachten Sie Abb. 3d, in dem die negativen mobilen Ladungsträger S in der gewählten Richtung kreuzen. Nehmen Sie an, dass jeder Träger die Ladung -q hat und die Flussrate durch S n Träger pro Sekunde beträgt. Während dt beträgt der Gesamtdurchgang der Ladungen C in der gewählten Richtung dV = -n NS q NS dt, was dem Strom I = dV/ dT entspricht.
Daher ist der Strom in Abb.3d negativ. Darüber hinaus stimmt dieser Strom mit dem Strom überein, der durch die Bewegung positiver Ladungsträger mit Ladung + q durch die Oberfläche S mit einer Geschwindigkeit von n Ladungsträgern pro Sekunde in der entgegengesetzten Richtung zur gewählten Richtung erzeugt wird (Abb. 3, b). Somit spiegeln sich zweistellige Belastungen im zweistelligen Strom wider. In den meisten Fällen ist in elektronischen Schaltkreisen das Vorzeichen des Stroms von Bedeutung und es spielt keine Rolle, welche Ladungsträger (positiv oder negativ) diesen Strom tragen. Wenn sie daher über elektrischen Strom sprechen, gehen sie oft davon aus, dass die Ladungsträger positiv sind (siehe – Richtung des elektrischen Stroms).
Bei Halbleiterbauelementen ist jedoch der Unterschied zwischen positiven und negativen Ladungsträgern entscheidend für den Betrieb des Bauelements.Eine detaillierte Untersuchung der Funktionsweise dieser Geräte sollte die Anzeichen mobiler Ladungsträger deutlich erkennen. Das Konzept eines Stroms, der durch einen bestimmten Bereich fließt, lässt sich leicht auf einen Strom durch ein Schaltkreiselement verallgemeinern.
In Abb. 4 zeigt ein bipolares Element. Die Richtung des positiven Stroms wird durch einen Pfeil angezeigt.
Reis. 4. Strom durch ein Schaltungselement. Ladungen treten mit einer Geschwindigkeit i (Coulomb pro Sekunde) über Anschluss A in die Zelle ein und verlassen die Zelle mit derselben Geschwindigkeit über Anschluss A‘.
Wenn ein positiver Strom durch ein Schaltkreiselement fließt, gelangt eine positive Ladung mit einer Geschwindigkeit von i Coulomb pro Sekunde in den Anschluss A. Aber wie bereits erwähnt, bleiben Materialien (und Schaltkreiselemente) normalerweise elektrisch neutral. (Sogar eine „geladene“ Zelle in Abb. 1 hat eine Gesamtladung von Null.) Wenn daher Ladung durch Anschluss A in die Zelle fließt, muss gleichzeitig eine gleiche Ladungsmenge durch Anschluss A' aus der Zelle fließen. Diese Kontinuität des elektrischen Stromflusses durch das Schaltungselement ergibt sich aus der Neutralität des Elements als Ganzes.
Leistung
Jedes bipolare Element in einem Stromkreis kann zwischen seinen Anschlüssen eine Spannung haben und Strom kann durch es fließen. Die Vorzeichen von Strom und Spannung können unabhängig voneinander bestimmt werden, es besteht jedoch ein wichtiger physikalischer Zusammenhang zwischen den Polaritäten von Spannung und Strom, zu dessen Klärung üblicherweise einige zusätzliche Bedingungen herangezogen werden.
In Abb. 4 zeigt, wie die relativen Polaritäten von Spannung und Strom bestimmt werden. Bei Auswahl der Stromrichtung fließt er in die Klemme «+». Wenn diese zusätzliche Bedingung erfüllt ist, kann eine wichtige elektrische Größe – die elektrische Leistung – bestimmt werden. Betrachten Sie das Schaltungselement in Abb. 4.
Wenn Spannung und Strom positiv sind, gibt es einen kontinuierlichen Fluss positiver Ladungen von einem Punkt mit hohem Potential zu einem Punkt mit niedrigem Potential. Um diesen Fluss aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, die positiven Ladungen von den negativen zu trennen und sie in den „+“-Anschluss einzuführen. Diese kontinuierliche Trennung erfordert einen kontinuierlichen Energieaufwand.
Wenn Ladungen das Element passieren, geben sie diese Energie ab. Und da Energie gespeichert werden muss, wird sie entweder im Schaltkreiselement als Wärme abgegeben (z. B. in einem Toaster) oder darin gespeichert (z. B. beim Laden einer Autobatterie). Die Geschwindigkeit, mit der diese Energieumwandlung erfolgt, wird aufgerufen Leistung und wird durch den Ausdruck P = U NS Az (Watt = Volt x Ampere) bestimmt.
Die Maßeinheit für die Leistung ist Watt (W), was der Umwandlung von 1 J Energie in 1 s entspricht. Leistung gleich dem Produkt aus Spannung und Strom mit den in Abb. definierten Polaritäten. 4 ist eine algebraische Größe.
Wenn P > 0, wie im obigen Fall, wird Leistung im Element abgeführt oder absorbiert. Wenn P < 0, dann versorgt das Element in diesem Fall den Stromkreis, in den es angeschlossen ist, mit Strom.
Widerstandselemente
Für jedes Schaltungselement können Sie eine spezifische Beziehung zwischen der Klemmenspannung und dem Strom durch das Element schreiben. Ein Widerstandselement ist ein Element, für das die Beziehung zwischen Spannung und Strom dargestellt werden kann. Dieses Diagramm wird als Strom-Spannungs-Kennlinie bezeichnet. Ein Beispiel für eine solche Funktion ist in Abb. dargestellt. 5.
Reis. 5. Strom-Spannungs-Kennlinie eines Widerstandselements
Wenn die Spannung an den Anschlüssen von Element D bekannt ist, kann der Graph den Strom durch Element D bestimmen.Ebenso kann bei bekanntem Strom die Spannung bestimmt werden.
Perfekter Widerstand
Der ideale Widerstand (oder Widerstand) ist lineares Widerstandselement… Per Definition der Linearität ist die Beziehung zwischen Spannung und Strom in einem linearen Widerstandselement so, dass bei einer Verdoppelung des Stroms auch die Spannung verdoppelt wird. Im Allgemeinen sollte die Spannung proportional zum Strom sein.
Den proportionalen Zusammenhang zwischen Spannung und Strom nennt man Ohmsches Gesetz für einen Abschnitt eines Stromkreises und wird auf zwei Arten geschrieben: U = I NS R, wobei R der Widerstand des Elements ist, und I = G NS U, wobei G = I / R die Leitfähigkeit des Elements ist. Die Einheit des Widerstands ist Ohm (Ohm) und die Einheit der Leitfähigkeit ist Siemens (cm).
Die Strom-Spannungs-Kennlinie des idealen Widerstands ist in Abb. dargestellt. 6. Der Graph ist eine gerade Linie durch den Ursprung mit einer Steigung gleich Az/R.
Reis. 6. Bezeichnung (a) und Strom-Spannungs-Kennlinie (b) eines idealen Widerstands.
Kraft mit perfektem Widerstand
Ausdrücken der vom idealen Widerstand aufgenommenen Leistung:
P = U NS I = I2NS R, P = U2/ R
So wie die absorbierte Leistung in einem idealen Widerstand vom Quadrat des Stroms (oder der Spannung) abhängt, hängt das Vorzeichen der absorbierten Leistung v in einem idealen Widerstand vom Vorzeichen von R ab. Obwohl manchmal negative Widerstandswerte verwendet werden Bei der Simulation bestimmter Gerätetypen, die in bestimmten Modi arbeiten, sind alle tatsächlichen Widerstände normalerweise positiv. Bei diesen Widerständen ist die aufgenommene Leistung immer positiv.
Die vom Widerstand aufgenommene elektrische Energie gem Gesetz der Energieerhaltung, Muss sich in andere Arten verwandeln.Am häufigsten wird elektrische Energie in Wärmeenergie, sogenannte Joule-Wärme, umgewandelt. Ausscheidungsrate Joule-Wärme Vom Widerstand her entspricht er der Absorptionsrate elektrischer Energie. Ausnahmen bilden Widerstandselemente (zum Beispiel eine Glühbirne oder ein Lautsprecher), bei denen ein Teil der absorbierten Energie in andere Formen (Licht- und Schallenergie) umgewandelt wird.
Zusammenhang der wichtigsten elektrischen Größen
Für Gleichstrom sind die Grundeinheiten in Abb. dargestellt. 7.
Reis. 7. Wechselbeziehung der wichtigsten elektrischen Größen
Vier Grundeinheiten – Strom, Spannung, Widerstand und Leistung – sind durch zuverlässig etablierte Beziehungen miteinander verbunden, was es uns ermöglicht, nicht nur direkte, sondern auch indirekte Messungen durchzuführen oder die benötigten Werte aus anderen gemessenen Werten zu berechnen. Um die Spannung in einem Teil des Stromkreises zu messen, muss man also über ein Voltmeter verfügen, aber selbst wenn es nicht vorhanden ist, kann man den Wert der Spannung berechnen, wenn man den Strom im Stromkreis und den Stromwiderstand in diesem Abschnitt kennt.