Các đại lượng điện cơ bản: điện tích, hiệu điện thế, dòng điện, công suất, điện trở

Các đại lượng điện cơ bản: cường độ dòng điện, hiệu điện thế, điện trở và công suất.

sạc

Hiện tượng vật lý quan trọng nhất trong mạch điện là chuyển động sạc điện… Có hai loại điện tích trong tự nhiên—dương và âm. Giống như điện tích thu hút, như điện tích đẩy lùi. Điều này dẫn đến thực tế là có xu hướng nhóm các điện tích dương với điện tích âm với số lượng bằng nhau.

Một nguyên tử bao gồm một hạt nhân tích điện dương được bao quanh bởi một đám mây các electron tích điện âm. Tổng điện tích âm về giá trị tuyệt đối bằng điện tích dương của hạt nhân. Do đó, nguyên tử có tổng điện tích bằng không, nó còn được gọi là trung hòa về điện.

Trong các vật liệu có thể giữ điện, một số electron bị tách ra khỏi nguyên tử và có khả năng chuyển động trong chất dẫn điện. Những điện tử này được gọi là điện tích di động hoặc hạt mang điện.

Vì mỗi nguyên tử ở trạng thái ban đầu là trung hòa nên sau khi tách electron mang điện tích âm, nó trở thành ion mang điện tích dương.Các ion dương không thể di chuyển tự do và tạo thành một hệ thống các điện tích cố định, đứng yên (xem - Chất nào dẫn điện).

Trong chất bán dẫncấu thành một loại vật liệu quan trọng, các electron di động có thể di chuyển theo hai cách: hoặc các electron đơn giản hoạt động như các hạt mang điện tích âm. Hoặc một tập hợp phức tạp gồm nhiều electron chuyển động theo cách như thể có các hạt tải điện di động tích điện dương trong vật liệu. Phí cố định có thể là một trong hai ký tự.

Vật liệu dẫn điện có thể được coi là vật liệu chứa các hạt mang điện di động (có thể có một trong hai dấu hiệu) và các điện tích cố định ngược cực.

Ngoài ra còn có các vật liệu được gọi là chất cách điện không dẫn điện. Tất cả các điện tích trong chất cách điện là cố định. Ví dụ về chất cách điện là không khí, mica, thủy tinh, các lớp oxit mỏng hình thành trên bề mặt của nhiều kim loại và tất nhiên là chân không (trong đó không có điện tích nào).

Điện tích được đo bằng coulomb (C) và thường được ký hiệu là Q.

Lượng điện tích hoặc lượng điện âm trên mỗi electron đã được thiết lập thông qua nhiều thí nghiệm và được tìm thấy là 1,601 × 10-19 CL hoặc 4,803 x 10-10 điện tích tĩnh điện.

Có thể thu được một số ý tưởng về số lượng electron chạy qua dây dẫn ngay cả ở dòng điện tương đối thấp như sau. Vì điện tích của electron là 1,601 • 10-19 CL, nên số lượng electron tạo ra điện tích bằng coulomb là nghịch đảo của giá trị đã cho, nghĩa là nó xấp xỉ bằng 6 • 1018.

Dòng điện 1 A tương ứng với dòng điện 1 C mỗi giây và ở dòng điện chỉ 1 μmka (10-12 A) qua tiết diện ngang của dây, xấp xỉ 6 triệu electron mỗi giây.Các dòng điện có cường độ như vậy đồng thời nhỏ đến mức việc phát hiện và đo lường chúng có liên quan đến những khó khăn thực nghiệm đáng kể.

Điện tích của ion dương bằng bội số nguyên của điện tích của electron nhưng trái dấu. Đối với các hạt bị ion hóa đơn lẻ, điện tích hóa ra bằng điện tích của electron.

Mật độ của hạt nhân cao hơn nhiều so với mật độ của electron, phần lớn thể tích chiếm giữ toàn bộ nguyên tử là trống rỗng.

Khái niệm về hiện tượng điện

Bằng cách cọ xát hai vật thể khác nhau với nhau, cũng như bằng cảm ứng, các vật thể này có thể được cung cấp các tính chất đặc biệt - điện. Những cơ thể như vậy được gọi là điện khí hóa.

Các hiện tượng liên quan đến sự tương tác của các vật thể nhiễm điện được gọi là hiện tượng điện.

Tương tác giữa các vật nhiễm điện được xác định bởi cái gọi là Lực điện khác với các lực có bản chất khác ở chỗ chúng làm cho các vật tích điện đẩy và hút nhau, bất kể tốc độ chuyển động của chúng.

Theo cách này, tương tác giữa các vật thể tích điện khác nhau, chẳng hạn, với lực hấp dẫn, chỉ được đặc trưng bởi lực hút của các vật thể, hoặc từ các lực có nguồn gốc từ tính, phụ thuộc vào tốc độ chuyển động tương đối của các điện tích, gây ra từ trường. hiện tượng.

Kỹ thuật điện chủ yếu nghiên cứu các quy luật biểu hiện ra bên ngoài của tính chất cơ quan điện khí hóa - quy luật của trường điện từ.

Vôn

Do lực hút mạnh giữa các điện tích trái dấu nên hầu hết các vật liệu đều trung hòa về điện. Nó cần năng lượng để tách các điện tích dương và âm.

Trong bộ lễ phục. Hình 1 cho thấy hai tấm dẫn điện, ban đầu không tích điện đặt cách nhau một khoảng d.Người ta cho rằng khoảng trống giữa các tấm được lấp đầy bằng chất cách điện, chẳng hạn như không khí, hoặc chúng ở trong chân không.

Cơm. 1. Hai bản dẫn điện, ban đầu không tích điện: a — bản trung hòa về điện; b—điện tích -Q được truyền xuống bản đáy (có hiệu điện thế và điện trường giữa các bản).

Trong bộ lễ phục. 1, cả hai tấm đều trung tính và tổng điện tích bằng không ở tấm phía trên có thể được biểu thị bằng tổng các điện tích +Q và -Q. Trong bộ lễ phục. 1b, điện tích -Q truyền từ bản trên xuống bản dưới. Nếu trong hình. 1b, chúng ta nối các tấm bằng một sợi dây, khi đó lực hút của các điện tích trái dấu sẽ khiến điện tích nhanh chóng chuyển ngược lại và chúng ta sẽ trở lại tình huống như trong hình. 1, một. Các điện tích dương sẽ di chuyển sang bản tích điện âm và các điện tích âm sẽ di chuyển sang bản tích điện dương.

Ta nói rằng giữa các bản tích điện như trong hình. Trong hình 1b, có một sự khác biệt về điện thế và ở tấm phía trên tích điện dương, điện thế cao hơn so với ở tấm phía dưới tích điện âm. Nói chung, có một hiệu điện thế giữa hai điểm nếu sự dẫn điện giữa các điểm đó dẫn đến sự chuyển điện tích.

Các điện tích dương di chuyển từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp, hướng chuyển động của các điện tích âm ngược lại - từ điểm có điện thế thấp đến điểm có điện thế cao.

Đơn vị đo hiệu điện thế là vôn (V). Sự khác biệt tiềm năng được gọi là điện áp và thường được ký hiệu là chữ U.

Để định lượng lực căng giữa hai điểm, người ta dùng khái niệm điện trường… Trong trường hợp minh họa trong hình.Trong hình 1b, có một điện trường đều giữa các bản hướng từ vùng có điện thế cao hơn (từ bản dương) sang vùng có điện thế thấp hơn (đến bản âm).

Cường độ của trường này, được biểu thị bằng vôn trên mét, tỷ lệ thuận với điện tích trên các tấm và có thể được tính toán từ các định luật vật lý nếu biết sự phân bố điện tích. Mối quan hệ giữa độ lớn điện trường và hiệu điện thế U giữa hai bản tụ có dạng U = E NS e (vôn = vôn/mét x mét).

Vì vậy, sự chuyển đổi từ điện thế thấp hơn sang điện thế cao hơn tương ứng với chuyển động ngược với hướng của trường.Trong một cấu trúc phức tạp hơn, điện trường có thể không đồng nhất ở mọi nơi và để xác định hiệu điện thế giữa hai điểm, cần phải sử dụng lại phương trình U = E NS e.

Khoảng cách giữa các điểm quan tâm đối với chúng tôi được chia thành nhiều phần, mỗi phần đủ nhỏ để trường đồng nhất trong đó. Phương trình này sau đó được áp dụng liên tiếp cho từng đoạn U = E NS e và hiệu điện thế cho từng đoạn được cộng lại. Do đó, đối với bất kỳ sự phân bố điện tích và điện trường nào, bạn có thể tìm thấy hiệu điện thế giữa hai điểm bất kỳ.

Khi xác định hiệu điện thế, không chỉ cần chỉ ra độ lớn của hiệu điện thế giữa hai điểm mà còn phải chỉ ra điểm nào có điện thế cao nhất. Tuy nhiên, trong các mạch điện chứa nhiều phần tử khác nhau, không phải lúc nào cũng có thể xác định trước điểm nào có điện thế cao nhất. Để tránh nhầm lẫn, cần chấp nhận điều kiện có biển báo (Hình 2).

Cơm. 2… Xác định cực điện áp (điện áp có thể dương hoặc âm).

Phần tử mạch lưỡng cực được biểu diễn bằng một hộp có hai cực (Hình 2, a). Các đường dây dẫn từ hộp đến các cực được coi là vật dẫn điện lý tưởng. Một thiết bị đầu cuối được đánh dấu bằng dấu cộng, thiết bị đầu cuối còn lại có dấu trừ. Các ký tự này cố định cực tính tương đối. Điện áp U trong hình. 2, và được xác định bởi điều kiện U = (thế của cực «+») — (thế của cực «-«).

Trong bộ lễ phục. 2b, các tấm tích điện được kết nối với các cực sao cho cực «+» được nối với tấm có điện thế cao hơn. Ở đây điện áp U là một số dương. Trong bộ lễ phục. 2, đầu cuối «+» được kết nối với tấm điện thế thấp hơn. Kết quả là, chúng ta nhận được một điện áp âm.

Điều quan trọng cần nhớ là dạng đại số của biểu diễn ứng suất. Khi đã xác định được cực tính, điện áp dương nghĩa là cực «+» có (điện thế cao hơn) và điện áp âm nghĩa là cực «-» có điện thế cao hơn.

Hiện hành

Ở trên đã lưu ý rằng các hạt mang điện tích dương di chuyển từ vùng có điện thế cao đến vùng có điện thế thấp, trong khi các hạt mang điện tích âm di chuyển từ vùng có điện thế thấp đến vùng có điện thế cao. Mọi chuyển phí có nghĩa là hết hạn điện.

Trong bộ lễ phục. Hình 3 chỉ ra một số trường hợp đơn giản của dòng điện chạy qua, bề mặt được chọn C và chiều dương danh nghĩa được chỉ ra. Nếu trong khoảng thời gian dt qua tiết diện S, điện tích toàn phần Q truyền theo hướng đã chọn thì cường độ dòng điện I qua S sẽ bằng I = dV/dT. Đơn vị đo cường độ dòng điện là ampe (A) (1A = 1C/s).

Cơm. 3… Mối liên hệ giữa chiều dòng điện và chiều chuyển động của các điện tích.Dòng điện dương (a và b) nếu dòng điện tích dương chảy qua một số bề mặt C trùng với hướng đã chọn. Dòng điện âm (b và d) nếu dòng điện tích dương chạy qua bề mặt ngược với hướng đã chọn.

Khó khăn thường phát sinh trong việc xác định dấu hiệu của Iz hiện tại. Nếu các hạt mang điện di động là dương, thì dòng dương mô tả chuyển động thực tế của các hạt mang điện di động theo hướng đã chọn, trong khi dòng điện âm mô tả dòng các hạt mang điện di động ngược với hướng đã chọn.

Nếu các nhà khai thác di động là tiêu cực, bạn phải cẩn thận khi xác định hướng của dòng điện. Xem xét hình. 3d trong đó các hạt mang điện tích âm đi qua S theo hướng đã chọn. Giả sử rằng mỗi sóng mang có điện tích -q và tốc độ dòng chảy qua S là n sóng mang mỗi giây. Trong thời gian dt là tổng quãng đường đi qua của các điện tích C theo hướng đã chọn sẽ là dV = -n NS q NS dt, tương ứng với dòng điện I = dV/ dT.

Do đó, dòng điện trong Fig.3d là âm. Ngoài ra, dòng điện này trùng với dòng điện được tạo ra bởi chuyển động của các hạt mang điện dương có điện tích + q qua bề mặt S với tốc độ n hạt mang điện mỗi giây theo hướng ngược lại với hạt tải điện đã chọn (Hình 3, b). Do đó, điện tích hai chữ số được phản ánh trong dòng điện hai chữ số. Đối với hầu hết các trường hợp trong mạch điện tử, dấu của dòng điện là có ý nghĩa và việc hạt mang điện nào (dương hay âm) mang dòng điện đó không quan trọng. Do đó, thường khi nói về dòng điện, họ cho rằng các hạt mang điện tích dương (xem - Chiều của dòng điện).

Tuy nhiên, trong các thiết bị bán dẫn, sự khác biệt giữa các hạt mang điện tích dương và âm là rất quan trọng đối với hoạt động của thiết bị.Một cuộc kiểm tra chi tiết về hoạt động của các thiết bị này sẽ giúp phân biệt rõ ràng các dấu hiệu của các hãng sạc di động. Khái niệm dòng điện chạy qua một khu vực nhất định có thể dễ dàng được khái quát thành dòng điện chạy qua một phần tử mạch.

Trong bộ lễ phục. 4 cho thấy một yếu tố lưỡng cực. Hướng của dòng điện tích cực được hiển thị bằng một mũi tên.

Cơm. 4. Dòng điện qua một phần tử mạch điện. Các điện tích đi vào ô qua đầu A với tốc độ i (coulomb trên giây) và rời ô qua đầu A' với cùng tốc độ.

Nếu một dòng điện dương chạy qua một phần tử mạch, thì một điện tích dương sẽ đi vào đầu A với tốc độ i coulomb mỗi giây. Tuy nhiên, như đã lưu ý, vật liệu (và các phần tử mạch) thường trung hòa về điện. (Ngay cả ô "đã tích điện" trong Hình 1 cũng có tổng điện tích bằng không.) Do đó, nếu điện tích chảy vào ô qua đầu A, thì một lượng điện tích bằng nhau phải đồng thời chảy ra khỏi ô qua đầu A'. Tính liên tục của dòng điện chạy qua phần tử mạch xuất phát từ tính trung lập của toàn bộ phần tử.

Quyền lực

Bất kỳ phần tử lưỡng cực nào trong mạch đều có thể có điện áp giữa các cực của nó và dòng điện có thể chạy qua nó. Các dấu hiệu của dòng điện và điện áp có thể được xác định độc lập, nhưng có một mối quan hệ vật lý quan trọng giữa các cực của điện áp và dòng điện, để làm rõ một số điều kiện bổ sung thường được thực hiện.

Trong bộ lễ phục. Hình 4 cho thấy cách xác định các cực tương đối của điện áp và dòng điện. Khi hướng hiện tại được chọn, nó sẽ chảy vào đầu cuối «+». Khi điều kiện bổ sung này được đáp ứng, một đại lượng điện quan trọng—công suất điện—có thể được xác định. Xem xét phần tử mạch trong hình. 4.

Nếu điện áp và dòng điện dương, thì có một dòng điện tích dương liên tục di chuyển từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp. Để duy trì dòng chảy này, cần phải tách các điện tích dương khỏi điện tích âm và đưa chúng vào cực «+». Sự phân tách liên tục này đòi hỏi phải tiêu hao năng lượng liên tục.

Khi các điện tích đi qua phần tử, chúng giải phóng năng lượng này. Và vì năng lượng phải được lưu trữ, nên nó được giải phóng trong phần tử mạch dưới dạng nhiệt (ví dụ: trong máy nướng bánh mì) hoặc được lưu trữ trong đó (ví dụ: khi sạc pin ô tô). Tốc độ chuyển đổi năng lượng này xảy ra được gọi là quyền lực và được xác định bởi biểu thức P = U NS Az (oát = vôn x ampe).

Đơn vị đo công suất là oát (W), tương ứng với việc chuyển đổi 1 J năng lượng thành 1 s. Công suất bằng tích của điện áp và dòng điện với các cực được xác định trong hình. 4 là một đại lượng.

Nếu P > 0, như trong trường hợp trên, năng lượng bị tiêu tán hoặc hấp thụ trong phần tử. Nếu P < 0, thì trong trường hợp này, phần tử cung cấp năng lượng cho mạch mà nó được kết nối.

yếu tố điện trở

Đối với mỗi phần tử mạch, bạn có thể viết một mối quan hệ cụ thể giữa điện áp đầu cuối và dòng điện qua phần tử. Phần tử điện trở là phần tử có thể vẽ biểu đồ quan hệ giữa điện áp và dòng điện. Biểu đồ này được gọi là đặc tính dòng điện-điện áp. Một ví dụ về tính năng như vậy được hiển thị trong hình. 5.

Cơm. 5. Đặc tính dòng điện-điện áp của phần tử điện trở

Nếu biết điện áp ở các cực của phần tử D, thì đồ thị có thể xác định dòng điện qua phần tử D.Tương tự như vậy, nếu biết dòng điện, điện áp có thể được xác định.

Sức đề kháng hoàn hảo

Điện trở lý tưởng (hoặc điện trở) là phần tử điện trở tuyến tính… Theo định nghĩa về tuyến tính, mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong một phần tử điện trở tuyến tính sao cho khi dòng điện tăng gấp đôi thì điện áp cũng tăng gấp đôi. Nói chung, điện áp phải tỷ lệ thuận với dòng điện.

Mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa điện áp và dòng điện được gọi là Định luật Ôm cho một đoạn mạch và được viết theo hai cách: U = I NS R, trong đó R là điện trở của phần tử và I = G NS U, trong đó G = I / R là độ dẫn điện của phần tử. Đơn vị của điện trở là ôm (ohm) và đơn vị của độ dẫn điện là siemens (cm).

Đặc tính điện áp hiện tại của điện trở lý tưởng được thể hiện trong hình. 6. Đồ thị là một đường thẳng qua gốc tọa độ có hệ số góc bằng Az/R.

Cơm. 6. Ký hiệu (a) và đặc tính dòng điện-điện áp (b) của điện trở lý tưởng.

Sức mạnh với sức đề kháng hoàn hảo

Biểu thị công suất hấp thụ bởi điện trở lý tưởng:

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

Giống như công suất hấp thụ, trong một điện trở lý tưởng, phụ thuộc vào bình phương cường độ dòng điện (hoặc điện áp), dấu của công suất hấp thụ v trong một điện trở lý tưởng phụ thuộc vào dấu của R. Mặc dù đôi khi giá trị điện trở âm được sử dụng khi mô phỏng một số loại thiết bị hoạt động ở một số chế độ nhất định, tất cả các điện trở thực thường là dương. Đối với các điện trở này, công suất hấp thụ luôn dương.

Năng lượng điện được hấp thụ bởi điện trở, acc định luật bảo toàn năng lượng, Phải NSbiến đổi thành loài khác.Thông thường, năng lượng điện được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt, được gọi là nhiệt Joule. tỷ lệ bài tiết nhiệt joule về điện trở, nó phù hợp với tốc độ hấp thụ năng lượng điện. Các trường hợp ngoại lệ là những phần tử điện trở (ví dụ: bóng đèn hoặc loa), trong đó một phần năng lượng hấp thụ được chuyển đổi thành các dạng khác (năng lượng ánh sáng và âm thanh).

Mối tương quan của các đại lượng điện chính

Đối với dòng điện một chiều, các đơn vị cơ bản được hiển thị trong hình. 7.

Cơm. 7. Mối tương quan của các đại lượng điện chính

Bốn đơn vị cơ bản — dòng điện, điện áp, điện trở và công suất — được kết nối với nhau bằng các mối quan hệ được thiết lập đáng tin cậy, cho phép chúng ta thực hiện không chỉ các phép đo trực tiếp mà cả các phép đo gián tiếp hoặc tính toán các giá trị chúng ta cần từ các phép đo khác. Vì vậy, để đo điện áp trong một phần của mạch, bạn phải có vôn kế, nhưng ngay cả khi không có vôn kế, biết cường độ dòng điện trong mạch và điện trở dòng điện trong phần này, bạn có thể tính được giá trị của điện áp.