الكميات الكهربائية الأساسية: الشحنة ، الجهد ، التيار ، الطاقة ، المقاومة

الكميات الكهربائية الأساسية: التيار والجهد والمقاومة والطاقة.

الشحن

أهم ظاهرة فيزيائية في الدوائر الكهربائية هي الحركة الشحنة الكهربائية... هناك نوعان من الشحنات في الطبيعة - موجبة وسالبة. مثل جذب الرسوم ، مثل صد الشحنات. هذا يؤدي إلى حقيقة أن هناك ميلًا لتجميع الشحنات الموجبة مع الشحنات السالبة بكميات متساوية.

تتكون الذرة من نواة موجبة الشحنة محاطة بسحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة. إجمالي الشحنة السالبة بالقيمة المطلقة يساوي الشحنة الموجبة للنواة. لذلك ، تحتوي الذرة على صفر شحنة إجمالية ، ويقال أيضًا أنها متعادلة كهربائيًا.

في المواد التي يمكن أن تحمل كهرباء، يتم فصل بعض الإلكترونات عن الذرات ولديها القدرة على التحرك في مادة موصلة. تسمى هذه الإلكترونات بالشحنات المحمولة أو ناقلات الشحن.

نظرًا لأن كل ذرة في الحالة الأولية محايدة ، بعد فصل الإلكترون سالب الشحنة ، فإنها تصبح أيونًا موجب الشحنة.لا يمكن للأيونات الموجبة أن تتحرك بحرية وتشكل نظامًا من الشحنات الثابتة والثابتة (انظر - ما هي المواد التي توصل الكهرباء).

في أشباه الموصلاتتشكل الإلكترونات المتنقلة فئة مهمة من المواد ، ويمكن أن تتحرك بطريقتين: أو تتصرف الإلكترونات ببساطة كحاملات سالبة الشحنة. أو تتحرك مجموعة معقدة من العديد من الإلكترونات بطريقة كما لو كانت هناك ناقلات متحركة موجبة الشحنة في المادة. يمكن أن تكون الرسوم الثابتة من أي حرف.

يمكن اعتبار المواد الموصلة على أنها مواد تحتوي على ناقلات شحن متنقلة (يمكن أن يكون لها إحدى علامتين) وشحنات ثابتة ذات قطبية معاكسة.

هناك أيضًا مواد تسمى العوازل التي لا توصل الكهرباء. تم إصلاح جميع الرسوم في العازل. من أمثلة العوازل الهواء ، والميكا ، والزجاج ، وطبقات رقيقة من الأكاسيد التي تتكون على أسطح العديد من المعادن ، وبالطبع الفراغ (الذي لا توجد فيه أي شحنات على الإطلاق).

تُقاس الشحنة بوحدة كولوم (C) ويُشار إليها عادةً بالرمز Q.

تم تحديد مقدار الشحنة أو كمية الكهرباء السالبة لكل إلكترون من خلال العديد من التجارب ووجد أنها 1.601 × 10-19 CL أو 4.803 × 10-10 شحنة كهروستاتيكية.

يمكن الحصول على فكرة عن عدد الإلكترونات التي تتدفق عبر سلك حتى في التيارات المنخفضة نسبيًا على النحو التالي. نظرًا لأن شحنة الإلكترون هي 1.601 • 10-19 CL ، فإن عدد الإلكترونات التي تولد شحنة مساوية للكولوم هو مقلوب المعطى ، أي أنه يساوي تقريبًا 6 • 1018.

يقابل تيار 1 A تدفقًا قدره 1 درجة مئوية في الثانية ، وبتيار قدره 1 ميكرومتر فقط (10-12 أمبير) عبر المقطع العرضي للسلك ، ما يقرب من 6 ملايين إلكترون في الثانية.التيارات بمثل هذا الحجم في نفس الوقت صغيرة جدًا بحيث يرتبط اكتشافها وقياسها بصعوبات تجريبية كبيرة.

الشحنة الموجودة على أيون موجب هي عدد صحيح مضاعف لشحنة الإلكترون ، ولكن لها علامة معاكسة. بالنسبة للجسيمات المتأينة منفردة ، يتبين أن الشحنة تساوي شحنة الإلكترون.

كثافة النواة أعلى بكثير من كثافة الإلكترون ، فمعظم الحجم الذي تشغله الذرة ككل فارغ.

مفهوم الظواهر الكهربائية

عن طريق فرك جسمين مختلفين معًا ، وكذلك عن طريق الحث ، يمكن إعطاء الأجسام خصائص خاصة - كهربائية. تسمى هذه الهيئات مكهربة.

تسمى الظواهر المرتبطة بتفاعل الأجسام المكهربة الظواهر الكهربائية.

يتم تحديد التفاعل بين الأجسام المكهربة من خلال ما يسمى تختلف القوى الكهربائية عن قوى ذات طبيعة أخرى من حيث أنها تتسبب في تنافر الأجسام المشحونة وجذب بعضها البعض ، بغض النظر عن سرعة حركتها.

بهذه الطريقة ، يختلف التفاعل بين الأجسام المشحونة ، على سبيل المثال ، عن الجاذبية ، التي تتميز فقط بجاذبية الأجسام ، أو عن قوى الأصل المغناطيسي ، والتي تعتمد على السرعة النسبية لحركة الشحنات ، مما يتسبب في المغناطيسية. الظواهر.

تدرس الهندسة الكهربائية بشكل أساسي قوانين المظاهر الخارجية للخصائص الهيئات المكهربة - قوانين المجالات الكهرومغناطيسية.

الجهد االكهربى

بسبب التجاذب القوي بين الشحنات المتقابلة ، فإن معظم المواد محايدة كهربائيًا. يتطلب الأمر طاقة لفصل الشحنات الموجبة والسالبة.

في التين. يوضح الشكل 1 لوحين موصلين ، غير مشحنتين في البداية ، متباعدتين على مسافة d.من المفترض أن المساحة بين الألواح مليئة بعازل ، مثل الهواء ، أو أنها في فراغ.

أرز. 1. لوحان موصلين ، غير مشحنتين في البداية: أ - الألواح متعادلة كهربائيًا ؛ ب - يتم نقل الشحنة -Q إلى اللوحة السفلية (يوجد فرق جهد ومجال كهربائي بين الألواح).

في التين. 1 ، كلا الصفيحتين محايدتان ، ويمكن تمثيل إجمالي الشحنة الصفرية على اللوحة العلوية بمجموع الشحنات + Q و -Q. في التين. 1 ب ، يتم نقل الشحنة- Q من اللوحة العلوية إلى اللوحة السفلية. إذا كان في التين. في الشكل 1 ب ، نقوم بتوصيل الألواح بسلك ، ثم ستؤدي قوى جذب الشحنات المعاكسة إلى عودة الشحنة بسرعة وسنعود إلى الحالة الموضحة في الشكل. 1 ، أ. ستنتقل الشحنات الموجبة إلى اللوحة سالبة الشحنة والشحنات السالبة إلى اللوحة الموجبة الشحنة.

نقول ذلك بين اللوحات المشحونة الموضحة في الشكل. في الشكل 1 ب ، هناك فرق محتمل وأنه على اللوحة العلوية موجبة الشحنة ، تكون الإمكانات أعلى من تلك الموجودة على اللوحة السالبة الشحنة السفلية. بشكل عام ، هناك فرق محتمل بين نقطتين إذا أدى التوصيل بين هاتين النقطتين إلى نقل الشحنة.

تنتقل الشحنات الموجبة من نقطة ذات إمكانات عالية إلى نقطة ذات إمكانات منخفضة ، ويكون اتجاه حركة الشحنات السالبة عكسًا - من نقطة ذات إمكانات منخفضة إلى نقطة ذات إمكانات عالية.

وحدة قياس فرق الجهد هي الفولت (V). يسمى فرق الجهد بالجهد وعادة ما يشار إليه بالحرف U.

لتقدير التوتر بين نقطتين ، يتم استخدام المفهوم الحقل الكهربائي... في الحالة الموضحة في الشكل.في الشكل 1 ب ، يوجد مجال كهربائي موحد بين الألواح الموجهة من المنطقة ذات الجهد العالي (من اللوحة الموجبة) إلى المنطقة ذات الجهد المنخفض (إلى اللوحة السلبية).

تتناسب قوة هذا المجال ، معبرًا عنها بالفولت لكل متر ، مع شحنة الألواح ويمكن حسابها من قوانين الفيزياء إذا كان توزيع الشحنات معروفًا. العلاقة بين حجم المجال الكهربائي والجهد U بين الألواح لها الشكل U = E NS e (فولت = فولت / متر × متر).

لذلك ، فإن الانتقال من جهد منخفض إلى جهد أعلى يتوافق مع الحركة عكس اتجاه المجال. في بنية أكثر تعقيدًا ، قد لا يكون المجال الكهربائي موحدًا في كل مكان ، ومن أجل تحديد فرق الجهد بين نقطتين ، من الضروري تكرار استخدام المعادلة U = E NS e.

تنقسم الفترة الفاصلة بين النقاط التي تهمنا إلى عدة أقسام ، كل منها صغير بما يكفي ليكون الحقل موحدًا فيه. ثم يتم تطبيق المعادلة على التوالي على كل مقطع U = E NS e ويتم جمع الفروق المحتملة لكل قسم. وهكذا ، في أي توزيع للشحنات والمجالات الكهربائية ، يمكنك إيجاد فرق الجهد بين أي نقطتين.

عند تحديد فرق الجهد ، من الضروري الإشارة ليس فقط إلى حجم الجهد بين نقطتين ، ولكن أيضًا إلى النقطة التي لها أعلى جهد. ومع ذلك ، في الدوائر الكهربائية التي تحتوي على عدة عناصر مختلفة ، ليس من الممكن دائمًا التحديد المسبق للنقطة ذات الإمكانات الأعلى. لتجنب الالتباس ، من الضروري قبول شرط العلامات (الشكل 2).

أرز. 2 ... تحديد قطبية الجهد (الجهد يمكن أن يكون موجبًا أو سالبًا).

يتم تمثيل عنصر الدائرة ثنائي القطب بصندوق مجهز بطرفين (الشكل 2 ، أ). يُفترض أن الخطوط المؤدية من الصندوق إلى المحطات هي موصلات مثالية للتيار الكهربائي. يتم تمييز أحد الطرفين بعلامة زائد ، والآخر بعلامة ناقص. هذه الشخصيات تحدد القطبية النسبية. الجهد U في الشكل. 2 ، ويتم تحديده من خلال الشرط U = (احتمال المحطة «+») - (احتمال المحطة «-«).

في التين. في الشكل 2 ب ، يتم توصيل الألواح المشحونة بالأطراف بحيث يتم توصيل الطرف «+» باللوحة ذات الجهد العالي. هنا الجهد U هو رقم موجب. في التين. 2 ، الطرفية «+» متصلة باللوحة السفلية المحتملة. نتيجة لذلك ، نحصل على جهد سالب.

من المهم أن نتذكر الشكل الجبري لتمثيل الضغط. بمجرد تحديد القطبية ، فإن الجهد الموجب يعني أن الطرف «+» له (احتمال أعلى) والجهد السالب يعني أن الطرف «-» لديه إمكانات أعلى.

حاضِر

لقد لوحظ أعلاه أن ناقلات الشحنة الموجبة تنتقل من المنطقة ذات الإمكانات العالية إلى المنطقة ذات الإمكانات المنخفضة ، بينما تنتقل حاملات الشحنة السالبة من المنطقة ذات الإمكانات المنخفضة إلى المنطقة ذات الإمكانات العالية. أي تحويل للرسوم يعني انتهاء الصلاحية كهرباء.

في التين. يوضح الشكل 3 بعض الحالات البسيطة لتدفق التيار الكهربائي ، ويتم اختيار السطح C ويظهر الاتجاه الإيجابي النظري. إذا بمرور الوقت dt خلال القسم S ، سوف تمر الشحنة الإجمالية Q في الاتجاه المختار ، فإن التيار I عبر S سيكون مساويًا لـ I = dV / dT. وحدة قياس التيار هي الأمبير (A) (1A = 1C / s).

أرز. 3 ... العلاقة بين اتجاه التيار واتجاه تدفق الشحنات المتنقلة.يكون التيار موجبًا (أ و ب) إذا كان التدفق الناتج من الشحنات الموجبة عبر بعض الأسطح C يتزامن مع الاتجاه المختار. يكون التيار سالبًا (ب و د) إذا كان التدفق الناتج للشحنات الموجبة عبر السطح معاكسًا للاتجاه المختار.

غالبًا ما تنشأ صعوبات في تحديد علامة Iz الحالية. إذا كانت حاملات الشحنة المتنقلة موجبة ، فإن التيار الموجب يصف الحركة الفعلية لشركات الاتصالات المتنقلة في الاتجاه المختار ، بينما يصف التيار السالب تدفق حاملات الشحنة المتنقلة عكس الاتجاه المختار.

إذا كانت عوامل تشغيل الهاتف المحمول سلبية ، فيجب أن تكون حذرًا عند تحديد اتجاه التيار. النظر في الشكل. ثلاثي الأبعاد حيث تعبر حاملات الشحنة السالبة للهاتف المحمول S في الاتجاه المختار. افترض أن كل ناقل لديه شحنة -q ومعدل التدفق عبر S هو n حاملات في الثانية. خلال dt ، سيكون إجمالي مرور الرسوم C في الاتجاه المختار dV = -n NS q NS dt ، والذي يتوافق مع التيار I = dV / dT.

لذلك ، فإن التيار في الشكل ثلاثي الأبعاد سلبي. علاوة على ذلك ، يتزامن هذا التيار مع التيار الناتج عن حركة الموجات الحاملة ذات الشحنة + q عبر السطح S بسرعة n ناقلات في الثانية في الاتجاه المعاكس للحامل المختار (الشكل 3 ، ب). وبالتالي ، تنعكس الشحنات المكونة من رقمين في التيار المكون من رقمين. بالنسبة لمعظم الحالات في الدوائر الإلكترونية ، تكون علامة التيار مهمة ولا يهم أي حاملات شحن (موجبة أو سالبة) تحمل هذا التيار. لذلك ، غالبًا عندما يتحدثون عن التيار الكهربائي ، يفترضون أن حاملات الشحنة موجبة (انظر - اتجاه التيار الكهربائي).

ومع ذلك ، في أجهزة أشباه الموصلات ، يعد الفرق بين حاملات الشحنة الموجبة والسالبة أمرًا بالغ الأهمية لتشغيل الجهاز.يجب أن يميز الفحص التفصيلي لتشغيل هذه الأجهزة بوضوح علامات ناقلات الشحن المتنقلة. يمكن بسهولة تعميم مفهوم تدفق التيار عبر منطقة معينة على تيار من خلال عنصر دائرة.

في التين. 4 يظهر عنصر ثنائي القطب. يظهر اتجاه التيار الموجب بواسطة سهم.

أرز. 4. التيار من خلال عنصر الدائرة. تدخل الشحنات إلى الخلية من خلال المحطة A بمعدل i (كولوم في الثانية) وتترك الخلية عبر المحطة A 'بنفس المعدل.

إذا كان تيار موجب يتدفق عبر عنصر دائرة ، فإن الشحنة الموجبة تدخل المحطة A بمعدل i كولوم في الثانية. ولكن ، كما لوحظ بالفعل ، تظل المواد (وعناصر الدائرة) محايدة كهربائياً. (حتى الخلية "المشحونة" في الشكل 1 ليس لها إجمالي شحنة.) لذلك ، إذا كانت الشحنة تتدفق إلى الخلية عبر المحطة A ، فيجب أن تتدفق كمية متساوية من الشحنة في نفس الوقت خارج الخلية عبر المحطة A '. إن استمرارية تدفق التيار الكهربائي عبر عنصر الدائرة تأتي من حيادية العنصر ككل.

قوة

يمكن أن يكون لأي عنصر ثنائي القطب في الدائرة جهد بين أطرافه ويمكن للتيار أن يتدفق خلاله. يمكن تحديد علامات التيار والجهد بشكل مستقل ، ولكن هناك علاقة فيزيائية مهمة بين قطبي الجهد والتيار ، لتوضيح بعض الشروط الإضافية التي تؤخذ عادة.

في التين. يوضح الشكل 4 كيف يتم تحديد الأقطاب النسبية للجهد والتيار. عندما يتم تحديد الاتجاه الحالي ، فإنه يتدفق إلى محطة «+». عند استيفاء هذا الشرط الإضافي ، يمكن تحديد كمية كهربائية مهمة - الطاقة الكهربائية. ضع في اعتبارك عنصر الدائرة في الشكل. 4.

إذا كان الجهد والتيار موجبين ، فسيكون هناك تدفق مستمر للشحنات الموجبة من نقطة ذات إمكانات عالية إلى نقطة ذات جهد منخفض. للحفاظ على هذا التدفق ، من الضروري فصل الشحنات الموجبة عن السالبة وإدخالها في الطرف «+». يتطلب هذا الفصل المستمر إنفاقًا مستمرًا للطاقة.

عندما تمر الشحنات عبر العنصر ، فإنها تطلق هذه الطاقة. وبما أنه يجب تخزين الطاقة ، فإنها إما تُطلق في عنصر الدائرة كحرارة (على سبيل المثال ، في محمصة خبز) أو تُخزن فيها (على سبيل المثال ، عند شحن بطارية السيارة). يتم استدعاء المعدل الذي يحدث به تحويل الطاقة هذا قوة ويتحدد بالتعبير P = U NS Az (وات = فولت × أمبير).

وحدة قياس القدرة هي الواط (W) ، والذي يتوافق مع تحويل 1 J من الطاقة إلى 1 ثانية. قوة مساوية لمنتج الجهد والتيار مع الأقطاب المحددة في الشكل. 4 هي كمية جبرية.

إذا كانت P> 0 ، كما في الحالة أعلاه ، تتبدد الطاقة أو تمتص في العنصر. إذا كانت P <0 ، ففي هذه الحالة يزود العنصر بالطاقة إلى الدائرة التي يتصل بها.

عناصر مقاومة

لكل عنصر دائرة ، يمكنك كتابة علاقة محددة بين الجهد الطرفي والتيار من خلال العنصر. عنصر المقاومة هو عنصر يمكن من أجله رسم العلاقة بين الجهد والتيار ، ويطلق على هذا الرسم البياني خاصية التيار-الجهد. يظهر مثال على هذه الميزة في الشكل. 5.

أرز. 5. خاصية التيار-الجهد لعنصر مقاوم

إذا كان الجهد عند أطراف العنصر D معروفًا ، فيمكن للرسم البياني تحديد التيار من خلال العنصر D.وبالمثل ، إذا كان التيار معروفًا ، فيمكن تحديد الجهد.

مقاومة مثالية

المقاومة المثالية (أو المقاوم) هي عنصر مقاوم خطي... من خلال تعريف الخطية ، فإن العلاقة بين الجهد والتيار في عنصر مقاومة خطي هي أنه عندما يتضاعف التيار ، يتضاعف الجهد أيضًا. بشكل عام ، يجب أن يكون الجهد متناسبًا مع التيار.

العلاقة التناسبية بين الجهد والتيار تسمى قانون أوم لقسم من الدائرة ويتم كتابته بطريقتين: U = I NS R ، حيث R هي مقاومة العنصر ، و I = G NS U ، حيث G = I / R هي موصلية العنصر. وحدة المقاومة هي أوم (أوم) ، ووحدة التوصيل هي سيمنز (سم).

تظهر خاصية الجهد الحالي للمقاومة المثالية في الشكل. 6. الرسم البياني عبارة عن خط مستقيم يمر عبر نقطة الأصل بميل يساوي Az / R.

أرز. 6. التعيين (أ) وخاصية الجهد الحالي (ب) لمقاوم مثالي.

قوة مع مقاومة مثالية

التعبير عن القوة التي تمتصها المقاومة المثالية:

P = U NS I = I2NS R ، P = U2 / R.

مثلما تعتمد القدرة الممتصة ، في مقاومة مثالية ، على مربع التيار (أو الجهد) ، فإن علامة القوة الممتصة v في المقاومة المثالية تعتمد على علامة R. على الرغم من استخدام قيم المقاومة السالبة أحيانًا عند محاكاة أنواع معينة من الأجهزة التي تعمل في أوضاع معينة ، فعادة ما تكون جميع المقاومات الحقيقية إيجابية. بالنسبة لهذه المقاومات ، تكون القوة الممتصة إيجابية دائمًا.

تمتص الطاقة الكهربائية بواسطة المقاومة ، acc قانون حفظ الطاقة، يجب أن نتحول إلى أنواع أخرى.في أغلب الأحيان ، يتم تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية تسمى حرارة الجول. معدل الإطراح جول الحرارة من حيث المقاومة ، فإنه يطابق معدل امتصاص الطاقة الكهربائية. الاستثناءات هي تلك العناصر المقاومة (على سبيل المثال ، مصباح كهربائي أو مكبر صوت) ، حيث يتم تحويل جزء من الطاقة الممتصة إلى أشكال أخرى (طاقة ضوئية وصوتية).

الترابط بين الكميات الكهربائية الرئيسية

بالنسبة للتيار المباشر ، تظهر الوحدات الأساسية في الشكل. 7.

أرز. 7. الترابط بين الكميات الكهربائية الرئيسية

أربع وحدات أساسية - التيار ، والجهد ، والمقاومة ، والطاقة - مترابطة ببعضها البعض من خلال علاقات راسخة بشكل موثوق ، مما يسمح لنا ليس فقط بإجراء قياسات مباشرة ، ولكن أيضًا غير مباشرة أو لحساب القيم التي نحتاجها من القياسات الأخرى المقاسة. لذلك ، لقياس الجهد في جزء من الدائرة ، يجب أن يكون لديك مقياس الفولتميتر ، ولكن حتى في حالة عدم وجوده ، يمكنك حساب قيمة الجهد بمعرفة التيار في الدائرة والمقاومة الحالية في هذا القسم.