Grandezze elettriche fondamentali: carica, tensione, corrente, potenza, resistenza

Grandezze elettriche di base: corrente, tensione, resistenza e potenza.

Ricarica

Il fenomeno fisico più importante nei circuiti elettrici è il movimento carica elettrica… Ci sono due tipi di cariche in natura: positive e negative. Come le cariche si attraggono, come le cariche si respingono. Ciò porta al fatto che vi è la tendenza a raggruppare gli oneri positivi con quelli negativi in ​​​​uguali quantità.

Un atomo è costituito da un nucleo caricato positivamente circondato da una nuvola di elettroni caricati negativamente. La carica negativa totale in valore assoluto è uguale alla carica positiva del nucleo. Pertanto, l'atomo ha una carica totale nulla, si dice anche che sia elettricamente neutro.

In materiali che possono contenere elettricità, alcuni elettroni sono separati dagli atomi e hanno la capacità di muoversi in un materiale conduttore. Questi elettroni sono chiamati cariche mobili o portatori di carica.

Poiché ogni atomo nello stato iniziale è neutro, dopo la separazione dell'elettrone caricato negativamente, diventa uno ione caricato positivamente.Gli ioni positivi non possono muoversi liberamente e formare un sistema di cariche stazionarie e fisse (vedi — Quali sostanze conducono l'elettricità).

Nei semiconduttoricostituendo un'importante classe di materiali, gli elettroni mobili possono muoversi in due modi: oppure gli elettroni si comportano semplicemente come portatori di carica negativa. Oppure un insieme complesso di molti elettroni si muove come se nel materiale ci fossero portatori mobili caricati positivamente. Gli oneri fissi possono essere di entrambi i caratteri.

I materiali conduttivi possono essere pensati come materiali contenenti portatori di carica mobili (che possono avere uno dei due segni) e cariche fisse di polarità opposta.

Ci sono anche materiali chiamati isolanti che non conducono elettricità. Tutte le cariche nell'isolatore sono fisse. Esempi di isolanti sono l'aria, la mica, il vetro, i sottili strati di ossidi che si formano sulle superfici di molti metalli e, naturalmente, il vuoto (in cui non ci sono cariche).

La carica è misurata in coulomb (C) ed è generalmente indicata con Q.

La quantità di carica o la quantità di elettricità negativa per elettrone è stata stabilita attraverso numerosi esperimenti e trovata essere 1.601 × 10-19 CL o 4.803 x 10-10 cariche elettrostatiche.

Un'idea del numero di elettroni che fluiscono attraverso un filo anche a correnti relativamente basse può essere ottenuta come segue. Poiché la carica dell'elettrone è 1,601 • 10-19 CL, allora il numero di elettroni che creano una carica pari al coulomb è il reciproco del dato, cioè è approssimativamente uguale a 6 • 1018.

Una corrente di 1 A corrisponde a un flusso di 1 C al secondo, e con una corrente di soli 1 μmka (10-12 A) attraverso la sezione trasversale del filo, circa 6 milioni di elettroni al secondo.Correnti di tale entità sono allo stesso tempo così piccole che la loro rilevazione e misurazione sono associate a notevoli difficoltà sperimentali.

La carica su uno ione positivo è un multiplo intero della carica su un elettrone, ma ha il segno opposto. Per particelle ionizzate singolarmente, la carica risulta essere uguale alla carica dell'elettrone.

La densità del nucleo è molto più alta della densità dell'elettrone.La maggior parte del volume occupato dall'atomo nel suo insieme è vuoto.

Il concetto di fenomeni elettrici

Strofinando insieme due corpi diversi, oltre che per induzione, ai corpi possono essere conferite proprietà speciali: elettriche. Tali corpi sono chiamati elettrificati.

Vengono chiamati i fenomeni associati all'interazione di corpi elettrizzati fenomeni elettrici.

L'interazione tra corpi elettrificati è determinata dal cosiddetto Forze elettriche che differiscono dalle forze di altra natura in quanto fanno sì che i corpi carichi si respingano e si attraggano a vicenda, indipendentemente dalla velocità del loro movimento.

In questo modo l'interazione tra corpi carichi si differenzia, ad esempio, da quella gravitazionale, che è caratterizzata solo dall'attrazione dei corpi, o dalle forze di origine magnetica, che dipendono dalla velocità relativa di movimento delle cariche, provocando magneti fenomeni.

L'ingegneria elettrica studia principalmente le leggi della manifestazione esterna delle proprietà corpi elettrificati — leggi dei campi elettromagnetici.

Voltaggio

A causa della forte attrazione tra cariche opposte, la maggior parte dei materiali è elettricamente neutra. Ci vuole energia per separare le cariche positive e negative.

Nella fig. 1 mostra due piastre conduttrici, inizialmente scariche, distanziate l'una dall'altra a una distanza d.Si presume che lo spazio tra le piastre sia riempito con un isolante, come l'aria, o che siano nel vuoto.

Riso. 1. Due piastre conduttive, inizialmente scariche: a — le piastre sono elettricamente neutre; b - la carica -Q viene trasferita alla piastra inferiore (c'è una differenza di potenziale e un campo elettrico tra le piastre).

Nella fig. 1, entrambe le piastre sono neutre e la carica zero totale sulla piastra superiore può essere rappresentata dalla somma delle cariche +Q e -Q. Nella fig. 1b, la carica -Q viene trasferita dalla piastra superiore alla piastra inferiore. Se nella fig. 1b, colleghiamo le piastre con un filo, quindi le forze di attrazione delle cariche opposte faranno sì che la carica si ritrasferisca rapidamente e torneremo alla situazione mostrata in fig. 1, un. Le cariche positive si sposterebbero sulla piastra caricata negativamente e le cariche negative sulla piastra caricata positivamente.

Diciamo che tra le piastre cariche mostrate in Fig. 1b, c'è una differenza di potenziale e che sulla piastra superiore caricata positivamente il potenziale è maggiore che sulla piastra inferiore caricata negativamente. In generale, c'è una potenziale differenza tra due punti se la conduzione tra quei punti comporta un trasferimento di carica.

Le cariche positive si spostano da un punto di alto potenziale a un punto di basso potenziale, la direzione del movimento delle cariche negative è opposta, da un punto di basso potenziale a un punto di alto potenziale.

L'unità di misura della differenza di potenziale è il volt (V). La differenza di potenziale è chiamata tensione ed è solitamente indicata dalla lettera U.

Per quantificare la tensione tra due punti, viene utilizzato il concetto campo elettrico… Nel caso di fig.1b, c'è un campo elettrico uniforme tra le piastre diretto dalla regione a potenziale maggiore (dalla piastra positiva) alla regione a potenziale inferiore (alla piastra negativa).

L'intensità di questo campo, espressa in volt per metro, è proporzionale alla carica sulle piastre e può essere calcolata dalle leggi della fisica se si conosce la distribuzione delle cariche. La relazione tra l'intensità del campo elettrico e la tensione U tra le piastre ha la forma U = E NS e (volt = volt / metro x metro).

Quindi, la transizione da un potenziale inferiore a uno superiore corrisponde al movimento contro la direzione del campo.In una struttura più complessa, il campo elettrico potrebbe non essere uniforme ovunque, e per determinare la differenza di potenziale tra due punti, è necessario utilizzare ripetutamente l'equazione U = E NS e.

L'intervallo tra i punti che ci interessano è diviso in molte sezioni, ciascuna delle quali è abbastanza piccola perché il campo sia uniforme al suo interno. L'equazione viene quindi applicata successivamente a ciascun segmento U = E NS e e vengono sommate le differenze di potenziale per ciascuna sezione. Pertanto, per qualsiasi distribuzione di cariche e campi elettrici, puoi trovare la differenza potenziale tra due punti qualsiasi.

Quando si determina la differenza di potenziale, è necessario indicare non solo l'entità della tensione tra due punti, ma anche quale punto ha il potenziale più elevato. Tuttavia, nei circuiti elettrici contenenti più elementi diversi, non è sempre possibile determinare in anticipo quale punto ha il potenziale più alto. Per evitare confusione, è necessario accettare la condizione per i segni (Fig. 2).

Riso. 2… Determinazione della polarità della tensione (la tensione può essere positiva o negativa).

Un elemento circuitale bipolare è rappresentato da una scatola dotata di due terminali (Fig. 2, a). Si presume che le linee che portano dalla scatola ai terminali siano conduttori ideali di corrente elettrica. Un terminale è contrassegnato da un segno più, l'altro da un segno meno. Questi caratteri fissano la polarità relativa. Tensione U in fig. 2, ed è determinato dalla condizione U = (potenziale del terminale «+») — (potenziale del terminale «-«).

Nella fig. 2b, le piastre cariche sono collegate ai terminali in modo che il terminale «+» sia collegato alla piastra a potenziale maggiore. Qui la tensione U è un numero positivo. Nella fig. 2, il terminale «+» è collegato alla piastra di potenziale inferiore. Di conseguenza, otteniamo una tensione negativa.

È importante ricordare la forma algebrica della rappresentazione dello stress. Una volta determinata la polarità, una tensione positiva significa che il terminale «+» ha un (potenziale maggiore) e una tensione negativa significa che il terminale «-» ha un potenziale maggiore.

Attuale

È stato notato in precedenza che i portatori di carica positivi si spostano dalla regione ad alto potenziale a quella a basso potenziale, mentre i portatori di carica negativi si spostano dalla regione a basso potenziale a quella ad alto potenziale. Qualsiasi trasferimento di tasse comporta la scadenza elettricità.

Nella fig. 3 mostra alcuni semplici casi di flusso di corrente elettrica, la superficie è scelta C e viene mostrata la direzione positiva teorica. Se nel tempo dt attraverso la sezione S, la carica totale Q passerà nella direzione scelta, allora la corrente I attraverso S sarà uguale a I = dV/dT. L'unità di misura della corrente è l'ampere (A) (1A = 1C/s).

Riso. 3… La relazione tra la direzione della corrente e la direzione del flusso delle cariche mobili.La corrente è positiva (a e b) se il flusso risultante di cariche positive attraverso una superficie C coincide con la direzione scelta. La corrente è negativa (b e d) se il flusso risultante di cariche positive attraverso la superficie è opposto alla direzione scelta.

Spesso sorgono difficoltà nel determinare il segno dell'attuale Iz. Se i portatori di carica mobili sono positivi, allora la corrente positiva descrive il movimento effettivo dei portatori mobili nella direzione scelta, mentre la corrente negativa descrive il flusso dei portatori di carica mobili opposto alla direzione scelta.

Se gli operatori mobili sono negativi, devi fare attenzione quando determini la direzione della corrente. Considera la fig. 3d in cui i portatori di carica mobili negativi incrociano S nella direzione prescelta. Supponiamo che ogni portante abbia carica -q e che la portata attraverso S sia n portanti al secondo. Durante dt is il passaggio totale delle cariche C nella direzione prescelta sarà dV = -n NS q NS dt, che corrisponde alla corrente I = dV/ dT.

Pertanto, la corrente in Fig.3d è negativa. Inoltre, questa corrente coincide con la corrente creata dal movimento di portatori positivi con carica + q attraverso la superficie S ad una velocità di n portatori al secondo nella direzione opposta a quella prescelta (Fig. 3, b). Pertanto, gli addebiti a due cifre si riflettono nella corrente a due cifre. Nella maggior parte dei casi nei circuiti elettronici, il segno della corrente è significativo e non importa quali portatori di carica (positivi o negativi) portano quella corrente. Pertanto, spesso quando parlano di corrente elettrica, presumono che i portatori di carica siano positivi (vedi — Direzione della corrente elettrica).

Nei dispositivi a semiconduttore, tuttavia, la differenza tra portatori di carica positivi e negativi è fondamentale per il funzionamento del dispositivo.Un esame dettagliato del funzionamento di questi dispositivi dovrebbe distinguere chiaramente i segni dei vettori di ricarica mobile. Il concetto di una corrente che scorre attraverso una certa area può essere facilmente generalizzato a una corrente attraverso un elemento circuitale.

Nella fig. 4 mostra un elemento bipolare. La direzione della corrente positiva è indicata da una freccia.

Riso. 4. Corrente attraverso un elemento del circuito. Le cariche entrano nella cella attraverso il terminale A ad una velocità i (coulomb al secondo) ed escono dalla cella attraverso il terminale A' alla stessa velocità.

Se una corrente positiva scorre attraverso un elemento del circuito, una carica positiva entra nel terminale A ad una velocità di i coulomb al secondo. Ma, come già notato, i materiali (e gli elementi del circuito) di solito rimangono elettricamente neutri. (Anche una cella "carica" ​​in Fig. 1 ha una carica totale nulla.) Pertanto, se la carica fluisce nella cella attraverso il terminale A, un'uguale quantità di carica deve fluire simultaneamente fuori dalla cella attraverso il terminale A'. Questa continuità del flusso di corrente elettrica attraverso l'elemento circuitale deriva dalla neutralità dell'elemento nel suo insieme.

Energia

Qualsiasi elemento bipolare in un circuito può avere una tensione tra i suoi terminali e la corrente può fluire attraverso di esso. I segni di corrente e tensione possono essere determinati indipendentemente, ma esiste un'importante relazione fisica tra le polarità di tensione e corrente, per il chiarimento della quale vengono solitamente prese alcune condizioni aggiuntive.

Nella fig. 4 mostra come vengono determinate le polarità relative di tensione e corrente. Quando viene selezionata la direzione corrente, scorre nel terminale «+». Quando questa condizione aggiuntiva è soddisfatta, è possibile determinare un'importante quantità elettrica, l'energia elettrica. Si consideri l'elemento circuitale in Fig. 4.

Se la tensione e la corrente sono positive, allora c'è un flusso continuo di cariche positive da un punto ad alto potenziale ad un punto a basso potenziale. Per mantenere questo flusso è necessario separare le cariche positive da quelle negative e introdurle nel terminale «+». Questa continua separazione richiede un continuo dispendio di energia.

Quando le cariche passano attraverso l'elemento, rilasciano questa energia. E poiché l'energia deve essere immagazzinata, viene rilasciata nell'elemento del circuito sotto forma di calore (ad esempio, in un tostapane) o immagazzinata in esso (ad esempio, durante la ricarica di una batteria per auto). Viene chiamata la velocità con cui avviene questa conversione di energia energia ed è determinato dall'espressione P = U NS Az (watt = volt x ampere).

L'unità di misura della potenza è il watt (W), che corrisponde alla conversione di 1 J di energia in 1 s. Potenza pari al prodotto di tensione e corrente con le polarità definite in fig. 4 è una quantità algebrica.

Se P > 0, come nel caso precedente, la potenza viene dissipata o assorbita nell'elemento. Se P <0, in questo caso l'elemento fornisce alimentazione al circuito in cui è collegato.

Elementi resistivi

Per ogni elemento del circuito è possibile scrivere una relazione specifica tra la tensione del terminale e la corrente attraverso l'elemento. Un elemento resistivo è un elemento per il quale è possibile tracciare la relazione tra tensione e corrente.Questo grafico è chiamato caratteristica corrente-tensione. Un esempio di tale caratteristica è mostrato in fig. 5.

Riso. 5. Caratteristica corrente-tensione di un elemento resistivo

Se la tensione ai terminali dell'elemento D è nota, il grafico può determinare la corrente attraverso l'elemento D.Allo stesso modo, se la corrente è nota, la tensione può essere determinata.

Resistenza perfetta

La resistenza (o resistore) ideale è elemento resistivo lineare… Per definizione di linearità, la relazione tra tensione e corrente in un elemento resistivo lineare è tale che quando la corrente è raddoppiata, anche la tensione è raddoppiata. In generale, la tensione dovrebbe essere proporzionale alla corrente.

Viene chiamata la relazione proporzionale tra tensione e corrente Legge di Ohm per una sezione di un circuito ed è scritto in due modi: U = I NS R, dove R è la resistenza dell'elemento, e I = G NS U, dove G = I / R è la conducibilità dell'elemento. L'unità di resistenza è l'ohm (ohm) e l'unità di conducibilità è il siemens (cm).

La caratteristica corrente-tensione della resistenza ideale è mostrata in Fig. 6. Il grafico è una retta passante per l'origine con pendenza pari a Az/R.

Riso. 6. Designazione (a) e caratteristica corrente-tensione (b) di un resistore ideale.

Potenza con resistenza perfetta

Esprimendo la potenza assorbita dalla resistenza ideale:

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

Così come la potenza assorbita, in una resistenza ideale, dipende dal quadrato della corrente (o tensione), il segno della potenza assorbita v in una resistenza ideale dipende dal segno di R. Anche se a volte vengono utilizzati valori di resistenza negativi quando si simulano determinati tipi di dispositivi operanti in determinate modalità, tutte le resistenze reali sono generalmente positive. Per queste resistenze la potenza assorbita è sempre positiva.

L'energia elettrica assorbita dalla resistenza, acc legge di conservazione dell'energia, Deve NStrasformarsi in altre specie.Molto spesso, l'energia elettrica viene convertita in energia termica, chiamata calore Joule. Tasso di escrezione calore joule in termini di resistenza corrisponde al tasso di assorbimento di energia elettrica. Fanno eccezione quegli elementi resistivi (ad esempio una lampadina o un altoparlante), in cui parte dell'energia assorbita viene convertita in altre forme (energia luminosa e sonora).

Interrelazione delle principali grandezze elettriche

Per la corrente continua, le unità di base sono mostrate in fig. 7.

Riso. 7. Interrelazione delle principali grandezze elettriche

Quattro unità di base - corrente, tensione, resistenza e potenza - sono interconnesse da relazioni stabilite in modo affidabile, che ci consentono di effettuare misurazioni non solo dirette, ma anche indirette o di calcolare i valori di cui abbiamo bisogno da altri misurati. Quindi, per misurare la tensione in una parte del circuito, è necessario disporre di un voltmetro, ma anche in sua assenza, conoscendo la corrente nel circuito e l'attuale resistenza in questa sezione, è possibile calcolare il valore della tensione.