Mikä on sähkövirta fysiikan määritelmässä. Mikä on sähkövirta? Sähkön luonne

Jos eristetty johdin asetetaan sähkökenttään \(\overrightarrow(E)\), niin voima \(\overrightarrow(F) = q\overrightarrow(E)\) vaikuttaa vapaisiin varauksiin \(q\) Tämän seurauksena, kapellimestari, tapahtuu lyhytaikaista ilmaisten varausten liikettä. Tämä prosessi päättyy, kun johtimen pinnalle syntyneiden varausten oma sähkökenttä kompensoi täysin ulkoisen kentän. Tuloksena oleva sähköstaattinen kenttä johtimen sisällä on nolla.

Johtimissa voi kuitenkin tietyissä olosuhteissa tapahtua vapaiden sähkövarauksen kantajien jatkuvaa järjestettyä liikettä.

Varautuneiden hiukkasten suunnattua liikettä kutsutaan sähkövirraksi.

Positiivisten vapaiden varausten liikesuunta otetaan sähkövirran suunnaksi. Sähkövirran olemassaoloa varten johtimessa on välttämätöntä luoda sähkökenttä.

Sähkövirran määrällinen mitta on nykyinen vahvuus\(I\) on skalaarinen fyysinen suure, joka on yhtä suuri kuin johtimen poikkileikkauksen (kuva 1.8.1) läpi aikavälillä \(\Delta t\) siirtyneen varauksen \(\Delta q\) suhde. , tälle aikavälille:

$$I = \frac(\Delta q)(\Delta t) $$

Jos virran voimakkuus ja sen suunta eivät muutu ajan myötä, niin tällaista virtaa kutsutaan pysyvä .

Kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä SI virta mitataan ampeereina (A). Virtayksikkö 1 A asetetaan kahden rinnakkaisen johtimen magneettisella vuorovaikutuksella virran kanssa.

Vakio sähkövirta voidaan tuottaa vain sisään suljettu virtapiiri , jossa vapaat varauksenkantajat kiertävät suljettuja polkuja pitkin. Sähkökenttä tällaisen piirin eri kohdissa on vakio ajan myötä. Näin ollen DC-piirin sähkökentällä on jäädytetyn sähköstaattisen kentän luonne. Mutta kun sähkövarausta siirretään sähköstaattisessa kentässä suljettua polkua pitkin, sähkövoimien työ on nolla. Siksi tasavirran olemassaoloon sähköpiirissä on oltava laite, joka voi luoda ja ylläpitää potentiaalieroja piirin osissa voimien työstä johtuen ei-sähköstaattinen alkuperä. Tällaisia ​​laitteita kutsutaan tasavirtalähteet . Kutsutaan ei-sähköstaattista alkuperää olevia voimia, jotka vaikuttavat virrallisten lähteiden vapaisiin varauksenkantoaineisiin ulkopuoliset voimat .

Ulkopuolisten voimien luonne voi olla erilainen. Galvaanikennoissa tai akuissa ne syntyvät sähkökemiallisten prosessien seurauksena, tasavirtageneraattoreissa ulkoisia voimia syntyy, kun johtimet liikkuvat magneettikentässä. Virtalähteellä sähköpiirissä on sama rooli kuin pumpulla, jota tarvitaan nesteen pumppaamiseen suljetussa hydraulijärjestelmässä. Ulkoisten voimien vaikutuksesta sähkövaraukset liikkuvat virtalähteen sisällä vastaan sähköstaattisen kentän voimat, joiden ansiosta vakio sähkövirta voidaan ylläpitää suljetussa piirissä.

Kun sähkövaraukset liikkuvat DC-piiriä pitkin, virtalähteiden sisällä vaikuttavat ulkoiset voimat toimivat.

Fysikaalinen suure, joka on yhtä suuri kuin ulkoisten voimien työn \ (A_ (st) \) suhde siirrettäessä varaus \ (q \) virtalähteen negatiivisesta navasta positiiviseen tämän varauksen arvoon, kutsutaan lähde sähkömotorinen voima (EMF):

$$EMF=\varepsilon=\frac(A_(st))(q). $$

Siten EMF määräytyy ulkoisten voimien tekemän työn perusteella siirrettäessä yhtä positiivista varausta. Sähkömotorinen voima, kuten potentiaaliero, mitataan volttia (V).

Kun yksittäinen positiivinen varaus liikkuu suljettua tasavirtapiiriä pitkin, ulkoisten voimien työ on yhtä suuri kuin tässä piirissä vaikuttavan EMF:n summa, ja sähköstaattisen kentän työ on nolla.

DC-piiri voidaan jakaa erillisiin osiin. Niitä osia, joihin ulkoiset voimat eivät vaikuta (eli kohdat, jotka eivät sisällä virtalähteitä), kutsutaan ns. homogeeninen . Alueita, jotka sisältävät virtalähteitä, kutsutaan heterogeeninen .

Kun yksikköpositiivinen varaus liikkuu pitkin piirin tiettyä osaa, sekä sähköstaattiset (Coulomb) että ulkoiset voimat toimivat. Sähköstaattisten voimien työ on yhtä suuri kuin potentiaaliero \(\Delta \phi_(12) = \phi_(1) - \phi_(2)\) epähomogeenisen osan alkupisteen (1) ja loppupisteen (2) välillä. . Ulkoisten voimien työ on määritelmän mukaan tähän osaan vaikuttava sähkömotorinen voima \(\mathcal(E)\). Kokonaistyö on siis

$$U_(12) = \phi_(1) - \phi_(2) + \mathcal(E)$$

arvo U 12 kutsutaan Jännite ketjun osassa 1-2. Homogeenisen osan tapauksessa jännite on yhtä suuri kuin potentiaaliero:

$$U_(12) = \phi_(1) - \phi_(2)$$

Saksalainen fyysikko G. Ohm vuonna 1826 totesi kokeellisesti, että homogeenisen metallijohtimen (eli johtimen, jossa ei vaikuta ulkoisia voimia) läpi kulkevan virran voimakkuus \ (I \) on verrannollinen jännitteeseen \ (U \) johtimen päät:

$$I = \frac(1)(R)U; \: U = IR$$

missä \(R\) = vakio.

arvo R nimeltään sähkövastus . Johtajaa, jolla on sähkövastus, kutsutaan vastus . Tämä suhde ilmaisee Ohmin laki ketjun homogeeninen osa: Johtimen virta on suoraan verrannollinen syötettyyn jännitteeseen ja kääntäen verrannollinen johtimen resistanssiin.

SI:ssä johtimien sähkövastuksen yksikkö on Ohm (Ohm). 1 ohmin resistanssilla on piirin osa, jossa 1 V:n jännitteellä tapahtuu 1 A virta.

Ohmin lakia noudattavia johtimia kutsutaan lineaarinen . Virran voimakkuuden \ (I \) graafinen riippuvuus jännitteestä \ (U \) (sellaisia ​​käyriä kutsutaan ns. volttiampeerin ominaisuudet , lyhennetty VAC) edustaa origon kautta kulkevaa suoraa. On huomattava, että on monia materiaaleja ja laitteita, jotka eivät noudata Ohmin lakia, kuten puolijohdediodi tai kaasupurkauslamppu. Jopa metallijohtimissa riittävän suurilla virroilla havaitaan poikkeama Ohmin lineaarisesta laista, koska metallijohtimien sähkövastus kasvaa lämpötilan noustessa.

EMF:n sisältävälle piiriosalle Ohmin laki kirjoitetaan seuraavassa muodossa:

$$IR = U_(12) = \phi_(1) - \phi_(2) + \mathcal(E) = \Delta \phi_(12) + \mathcal(E)$$
$$\väri(sininen)(I = \frac(U)(R))$$

Tätä suhdetta kutsutaan yleistetty Ohmin laki tai Ohmin laki epähomogeeniselle ketjuosuudelle.

Kuvassa 1.8.2 näyttää suljetun tasavirtapiirin. Ketjun osa ( CD) on homogeeninen.

Ohmin laki

$$IR = \Delta\phi_(cd)$$

Juoni ( ab) sisältää virtalähteen, jonka EMF on yhtä suuri kuin \(\mathcal(E)\).

Ohmin lain mukaan heterogeeniselle alueelle

$$Ir = \Delta \phi_(ab) + \mathcal(E)$$

Lisäämällä molemmat yhtäläisyydet, saamme:

$$I(R+r) = \Delta\phi_(cd) + \Delta \phi_(ab) + \mathcal(E)$$

Mutta \(\Delta\phi_(cd) = \Delta \phi_(ba) = -\Delta \phi_(ab)\).

$$\väri(sininen)(I=\frac(\mathcal(E))(R + r))$$

Tämä kaava ilmaisee Ohmin laki täydelliselle piirille : virran voimakkuus täydellisessä piirissä on yhtä suuri kuin lähteen sähkömotorinen voima jaettuna piirin homogeenisten ja epähomogeenisten osien vastusten summalla (sisäinen lähteen vastus).

Resistanssi r heterogeeninen alue kuvassa. 1.8.2 voidaan nähdä muodossa virtalähteen sisäinen vastus . Tässä tapauksessa juoni ( ab) kuvassa. 1.8.2 on lähteen sisäinen osa. Jos pisteet a ja b sulje johtimella, jonka resistanssi on pieni verrattuna lähteen sisäiseen resistanssiin (\ (R\ \ll r\)), niin piiri virtaa oikosulkuvirta

$$I_(kz)=\frac(\mathcal(E))(r)$$

Oikosulkuvirta on suurin virta, joka voidaan saada tietystä lähteestä sähkömoottorivoimalla \(\mathcal(E)\) ja sisäisellä resistanssilla \(r\). Alhaisen sisäisen resistanssin lähteissä oikosulkuvirta voi olla erittäin suuri ja aiheuttaa sähköpiirin tai lähteen tuhoutumisen. Esimerkiksi autoissa käytettyjen lyijyakkujen oikosulkuvirta voi olla useita satoja ampeeria. Erityisen vaarallisia ovat oikosulut sähköasemilla (tuhansia ampeeria) saavissa valaistusverkoissa. Tällaisten suurten virtojen tuhoisan vaikutuksen välttämiseksi piiriin on sisällytetty sulakkeet tai erityiset katkaisijat.

Joissakin tapauksissa oikosulkuvirran vaarallisten arvojen estämiseksi jokin ulkoinen vastus on kytketty sarjaan lähteeseen. Sitten vastustusta r on yhtä suuri kuin lähteen sisäisen resistanssin ja ulkoisen vastuksen summa, ja oikosulun sattuessa virran voimakkuus ei ole liian suuri.

Jos ulkoinen piiri on auki, niin \(\Delta \phi_(ba) = -\Delta \phi_(ab) = \mathcal(E)\, eli avoimen akun napojen potentiaaliero on yhtä suuri kuin sen EMF.

Jos ulkoinen kuormitusvastus R kytketty päälle ja virta kulkee akun läpi minä, sen napojen potentiaaliero tulee yhtä suureksi

$$\Delta \phi_(ba) = \mathcal(E) - Ir$$

Kuvassa 1.8.3 on kaavamainen esitys tasavirtalähteestä, jonka EMF on yhtä suuri kuin \(\mathcal(E)\) ja sisäinen vastus r kolmessa tilassa: "tyhjäkäynti", työ kuormituksella ja oikosulkutila (oikosulku). Akun sisällä olevan sähkökentän intensiteetti \(\overrightarrow(E)\) ja positiivisiin varauksiin vaikuttavat voimat näytetään: \(\overrightarrow(F)_(e)\) - sähkövoima ja \(\overrightarrow( F)_(st )\) on kolmannen osapuolen voima. Oikosulkutilassa akun sisällä oleva sähkökenttä katoaa.

Tasavirtapiirien jännitteiden ja virtojen mittaamiseen käytetään erityisiä laitteita - volttimittarit ja ampeerimittarit.

Volttimittari suunniteltu mittaamaan sen liittimiin kohdistuvaa potentiaalieroa. Hän yhdistää rinnakkain piirin osa, jolla potentiaalieron mittaus tehdään. Jokaisella volttimittarilla on sisäinen resistanssi \(R_(V)\). Jotta volttimittari ei aiheuttaisi havaittavaa virtojen uudelleenjakoa, kun se on kytketty mitattuun piiriin, sen sisäisen resistanssin on oltava suuri verrattuna sen piirin osan resistanssiin, johon se on kytketty. Kuvassa esitetylle piirille. 1.8.4, tämä ehto kirjoitetaan seuraavasti:

$$R_(B) \gg R_(1)$$

Tämä ehto tarkoittaa, että volttimittarin läpi virtaava virta \(I_(V) = \Delta \phi_(cd) / R_(V)\) on paljon pienempi kuin virta \(I = \Delta \phi_(cd) / R_ (1 )\), joka virtaa piirin testatun osan läpi.

Koska volttimittarin sisällä ei vaikuta ulkopuolisia voimia, sen napojen potentiaaliero on määritelmän mukaan sama kuin jännite. Siksi voimme sanoa, että volttimittari mittaa jännitettä.

Ampeerimittari suunniteltu mittaamaan virtapiirissä olevaa virtaa. Ampeerimittari on kytketty sarjaan sähköpiirin katkaisuun siten, että koko mitattu virta kulkee sen läpi. Ampeerimittarissa on myös sisäistä vastusta \(R_(A)\). Toisin kuin volttimittarissa, ampeerimittarin sisäisen resistanssin on oltava riittävän pieni verrattuna koko piirin kokonaisresistanssiin. Kuvan piirille. 1.8.4 ampeerimittarin resistanssin on täytettävä ehto

$$R_(A) \ll (r + R_(1) + R(2))$$

niin, että kun ampeerimittari kytketään päälle, virtapiirissä ei muutu.

Mittauslaitteita - volttimittareita ja ampeerimittareita - on kahta tyyppiä: osoitin (analoginen) ja digitaalinen. Digitaaliset sähkömittarit ovat monimutkaisia ​​elektronisia laitteita. Yleensä digitaaliset laitteet tarjoavat suuremman mittaustarkkuuden.

Edellytykset virran esiintymiselle

Nykyaikainen tiede on luonut teorioita, jotka selittävät luonnollisia prosesseja. Monet prosessit perustuvat yhteen atomin rakenteen malleista, ns. planetaariseen malliin. Tämän mallin mukaan atomi koostuu positiivisesti varautuneesta ytimestä ja ydintä ympäröivästä negatiivisesti varautuneesta elektronipilvestä. Erilaiset atomeista koostuvat aineet ovat pääosin stabiileja ja ominaisuuksiltaan muuttumattomia muuttumattomissa ympäristöolosuhteissa. Mutta luonnossa on prosesseja, jotka voivat muuttaa aineiden stabiilia tilaa ja aiheuttaa näissä aineissa ilmiön, jota kutsutaan sähkövirraksi.

Tällainen luonnon perusprosessi on kitka. Monet tietävät, että jos kampaat hiuksesi tietyntyyppisestä muovista valmistetulla kammalla tai käytät tietyntyyppisistä kankaista valmistettuja vaatteita, seurauksena on tarttuva vaikutus. Hiukset houkuttelevat kampaa ja tarttuvat siihen, ja sama tapahtuu vaatteiden kanssa. Tämä vaikutus selittyy kitkalla, joka rikkoo kamman tai kankaan materiaalin vakautta. Elektronipilvi voi liikkua suhteessa ytimeen tai osittain romahtaa. Ja seurauksena aine saa sähkövarauksen, jonka merkin määrää tämän aineen rakenne. Kitkasta syntyvää sähkövarausta kutsutaan sähköstaattiseksi.

Osoittautuu pari ladattua ainetta. Jokaisella aineella on tietty sähköpotentiaali. Sähkökenttä, tässä tapauksessa sähköstaattinen kenttä, vaikuttaa kahden varautuneen aineen väliseen tilaan. Sähköstaattisen kentän tehokkuus riippuu potentiaalien suuruudesta ja määritellään potentiaalieroksi tai jännitteeksi.

• Kun jännite syntyy, potentiaalien välisessä tilassa ilmenee aineiden varautuneiden hiukkasten suunnattu liike - sähkövirta.

Missä sähkövirta kulkee?

Tässä tapauksessa potentiaalit pienenevät, jos kitka lakkaa. Ja lopulta potentiaalit katoavat ja aineet palautuvat stabiiliksi.

Mutta jos potentiaalien ja jännitteen muodostumisprosessi jatkuu niiden kasvun suuntaan, virta kasvaa myös potentiaalien välisen tilan täyttävien aineiden ominaisuuksien mukaisesti. Selvin osoitus tällaisesta prosessista on salama. Nousevien ja laskevien ilmavirtojen kitka toisiaan vastaan ​​johtaa valtavan jännityksen ilmaantumiseen. Seurauksena on, että yksi potentiaali muodostuu taivaalla olevista ilmavirroista ja toinen maanpinnasta. Ja loppujen lopuksi ilman ominaisuuksien vuoksi sähkövirta syntyy salaman muodossa.

• Ensimmäinen sähkövirran syy on jännite.
• Toinen syy sähkövirran esiintymiseen on tila, jossa jännite toimii - sen mitat ja millä se on täytetty.

Jännitys tulee muustakin kuin vain kitkasta. Myös muut fysikaaliset ja kemialliset prosessit, jotka häiritsevät aineen atomien tasapainoa, johtavat stressin ilmaantumiseen. Jännitys syntyy myös vain vuorovaikutuksen seurauksena

• yksi aine toisen aineen kanssa;
• yksi tai useampi aine, jolla on kenttä tai säteily.

Stressi voi johtua:

• kemiallinen reaktio, joka tapahtuu aineessa, kuten kaikissa paristoissa ja akuissa, sekä kaikissa elävissä olennoissa;
• sähkömagneettinen säteily, kuten aurinkopaneeleissa ja lämpövoimageneraattoreissa;
• sähkömagneettinen kenttä, kuten esimerkiksi kaikissa dynamoissa.

Sähkövirralla on luonne, joka vastaa ainetta, jossa se virtaa. Siksi se eroaa:

• metalleissa;

• nesteissä ja kaasuissa;

• puolijohteissa

Metalleissa sähkövirta koostuu vain elektroneista, nesteissä ja kaasuissa - ioneista, puolijohteissa - elektroneista ja "rei'istä".

Tasa- ja vaihtovirta

Jännite suhteessa sen potentiaaliin, jonka merkit pysyvät muuttumattomina, voi muuttua vain suuruusluokkaa.

• Tässä tapauksessa tulee vakio tai pulssimainen sähkövirta.

Sähkövirta riippuu tämän muutoksen kestosta ja potentiaalien välisen aineella täytetyn tilan ominaisuuksista.

• Mutta jos potentiaalien merkit muuttuvat ja tämä johtaa muutokseen virran suunnassa, sitä kutsutaan muuttuvaksi, kuten sen määräävä jännite.

Elämä ja sähkövirta

Sähkövirran kvantitatiivisiin ja laadullisiin arviointeihin nykyaikaisessa tieteessä ja tekniikassa käytetään tiettyjä lakeja ja suureita. Tärkeimmät lait ovat:

• Coulombin laki;
• Ohmin laki.

Charles Coulomb 1700-luvun 80-luvulla määritti jännitteen ulkonäön ja Georg Ohm 1800-luvun 20-luvulla sähkövirran ulkonäön.

Luonnossa ja ihmissivilisaatiossa sitä käytetään pääasiassa energian ja tiedon kantajana, ja sen tutkimuksen ja käytön aihe on yhtä laaja kuin elämä itse. Esimerkiksi tutkimukset ovat osoittaneet, että kaikki elävät organismit elävät, koska sydämen lihakset supistuvat kehossa syntyvien sähkövirtapulssien vaikutuksesta. Kaikki muut lihakset toimivat samalla tavalla. Jakaessaan solu käyttää sähkövirtaan perustuvaa tietoa erittäin korkeilla taajuuksilla. Luetteloa vastaavista tosiasioista selvennyksineen voidaan jatkaa kirjan osassa.

Sähkövirtaan liittyviä löytöjä on jo tehty paljon, ja paljon on vielä tehtävää. Siksi uusien tutkimusvälineiden myötä ilmestyy uusia lakeja, materiaaleja ja muita tuloksia tämän ilmiön käytännön käyttöön.

Sähkö

Vastaanottaja kategoria:

Nosturinkuljettajat ja nosturit

Sähkö

Mitä kutsutaan sähkövirraksi?

Varautuneiden hiukkasten järjestettyä (suunnattua) liikettä kutsutaan sähkövirraksi. Lisäksi sähkövirtaa, jonka voimakkuus ei muutu ajan myötä, kutsutaan vakioksi. Jos virran liikkeen suunta muuttuu ja muuttuu. suuruus ja suunta toistuvat samassa järjestyksessä, silloin tällaista virtaa kutsutaan vaihtuvaksi.

Mikä aiheuttaa ja ylläpitää varautuneiden hiukkasten järjestäytynyttä liikettä?

Aiheuttaa ja ylläpitää varautuneiden hiukkasten säännöllistä liikettä sähkökentän. Onko sähkövirralla tietty suunta?
Sillä on. Sähkövirran suuntaa pidetään positiivisesti varautuneiden hiukkasten liikkeenä.

Onko mahdollista tarkkailla suoraan varautuneiden hiukkasten liikettä johtimessa?

Ei. Mutta sähkövirran läsnäolo voidaan arvioida toimien ja ilmiöiden perusteella, joihin se liittyy. Esimerkiksi johdin, jota pitkin varautuneet hiukkaset liikkuvat, kuumennetaan, ja johdinta ympäröivään tilaan muodostuu magneettikenttä ja magneettineula johtimen lähellä kääntyy sähkövirralla. Lisäksi kaasujen läpi kulkeva virta saa ne hehkumaan, ja kulkiessaan suolojen, alkalien ja happojen liuosten läpi se hajottaa ne aineosiksi.

Mikä määrittää sähkövirran voimakkuuden?

Sähkövirran voimakkuus määräytyy johtimen poikkileikkauksen läpi aikayksikköä kohti kulkevan sähkön määrällä.
Piirin virranvoimakkuuden määrittämiseksi on tarpeen jakaa virtaavan sähkön määrä sillä ajalla, jonka aikana se on virrannut.

Mikä on virran yksikkö?

Virran voimakkuuden yksikkönä pidetään muuttumattoman virran voimakkuutta, joka kulkiessaan kahden rinnakkaisen, jopa pienen poikkileikkauksen omaavan äärettömän pituisen suoraviivaisen johtimen läpi, jotka sijaitsevat 1 m etäisyydellä toisistaan ​​tyhjiössä näiden johtimien välinen voima, joka on 2 newtonia metriä kohti. Tämä yksikkö nimettiin Ampereksi ranskalaisen tiedemiehen Ampèren kunniaksi.

Mikä on sähkön määrän yksikkö?

Coulomb (Ku) on sähkön yksikkö, joka kulkee sekunnissa 1 ampeerin (A) virranvoimakkuudella.

Mitä laitetta käytetään sähkövirran mittaamiseen?

Sähkövirran voimakkuutta mitataan laitteilla, joita kutsutaan ampeerimittariksi. Ampeerimittarin asteikko on jaettu ampeereina ja ampeerin murtoina tarkkojen standardiinstrumenttien lukemien mukaan. Virran voimakkuus lasketaan nuolen osoitteiden mukaan, joka liikkuu asteikolla nollajaosta. Ampeerimittari on kytketty sarjaan sähköpiiriin käyttämällä kahta laitteessa olevaa liitintä tai puristinta. Mikä on sähköjännite?
Sähkövirran jännite on sähkökentän kahden pisteen välinen potentiaaliero. Se on yhtä suuri kuin sähkökentän voimien tekemä työ siirrettäessä yksikköä vastaavaa positiivista varausta kentän pisteestä toiseen.

Jännitteen mittauksen perusyksikkö on voltti (V).

Mikä laite mittaa sähkövirran jännitettä?

Laite mittaa sähkövirran jännitteen; rommia, jota kutsutaan volttimittariksi. Volttimittari on kytketty rinnan sähköpiiriin. Muotoile Ohmin laki piiriosalle.

Mikä on johtimen vastus?

Johtimen resistanssi on fysikaalinen suure, joka kuvaa johtimen ominaisuuksia. Resistanssin yksikkö on ohmi. Lisäksi 1 ohmin resistanssissa on johto, jossa 1 A virta on asetettu 1 V:n jännitteeseen.

Riippuuko johtimien resistanssi niiden läpi kulkevan sähkövirran suuruudesta?

Tietyn pituisen ja poikkileikkauksen omaavan homogeenisen metallijohtimen vastus ei riipu sen läpi kulkevan virran suuruudesta.

Mikä määrää sähköjohtimien resistanssin?

Sähkövirran johtimien resistanssi riippuu johtimen pituudesta, poikkileikkausalasta ja johtimen materiaalityypistä (materiaaliresistanssi).

Lisäksi vastus on suoraan verrannollinen johtimen pituuteen, kääntäen verrannollinen poikkileikkausalaan ja riippuu, kuten edellä mainittiin, johtimen materiaalista.

Riippuuko johtimien resistanssi lämpötilasta?

Kyllä, se riippuu. Metallijohtimen lämpötilan nousu lisää hiukkasten lämpöliikkeen nopeutta. Tämä johtaa vapaiden elektronien törmäysten lukumäärän lisääntymiseen ja sen seurauksena keskimääräisen vapaan reitin pienenemiseen, minkä seurauksena ominaisjohtavuus pienenee ja materiaalin ominaisvastus kasvaa.

Puhtaiden metallien lämpötilavastuskerroin on noin 0,004 °C, mikä tarkoittaa niiden kestävyyden lisääntymistä 4 % lämpötilan noustessa 10 °C.

Elektrolyyttihiilen lämpötilan noustessa myös keskimääräinen vapaa reitti pienenee, kun taas varauksenkuljettajien pitoisuus kasvaa, minkä seurauksena niiden ominaisvastus pienenee lämpötilan noustessa.

Muotoile Ohmin laki suljetulle piirille.

Virran voimakkuus suljetussa piirissä on yhtä suuri kuin piirin sähkömotorisen voiman suhde sen kokonaisresistanssiin.

Tämä kaava osoittaa, että virran voimakkuus riippuu kolmesta suureesta: sähkömotorisesta voimasta E, ulkoisesta resistanssista R ja sisäisestä resistanssista r. Sisäinen vastus ei vaikuta merkittävästi virranvoimakkuuteen, jos se on pieni verrattuna ulkoiseen vastukseen. Tässä tapauksessa jännite virtalähteen navoissa on suunnilleen yhtä suuri kuin sähkömotorinen voima (EMF).

Mikä on sähkömotorinen voima (EMF)?

Sähkömotorinen voima on ulkoisten voimien työn suhde varauksen siirtämiseen piiriä pitkin varaukseen. Kuten potentiaaliero, sähkömotorinen voima mitataan voltteina.

Mitä voimia kutsutaan ulkoisiksi voimiksi?

Kaikkia sähköisesti varautuneisiin hiukkasiin vaikuttavia voimia, lukuun ottamatta sähköstaattista alkuperää olevia potentiaalisia voimia (eli Coulombia), kutsutaan vieraiksi voimiksi. Näiden voimien työstä johtuen varautuneet hiukkaset hankkivat energiaa ja luovuttavat sitä sitten liikkuessaan sähköpiirin johtimissa.

Kolmannen osapuolen voimat panevat liikkeelle varautuneita hiukkasia virtalähteen, generaattorin, akun jne. sisällä.

Tämän seurauksena virtalähteen liittimiin ilmaantuu päinvastaisen etumerkin varauksia ja tietty potentiaaliero napojen välillä. Lisäksi kun piiri suljetaan, pintavarausten muodostuminen alkaa toimia luoden sähkökentän koko piiriin, mikä ilmenee seurauksena siitä, että kun piiri suljetaan, pintavaraus syntyy lähes välittömästi koko pinnalle. kapellimestari. Lähteen sisällä varaukset liikkuvat ulkoisten voimien vaikutuksesta sähköstaattisen kentän voimia vastaan ​​(positiivisesta miinuksesta plussaan), ja koko muualla piirissä sähkökenttä saa ne liikkeelle.

Riisi. 1. Sähköpiiri: 1- lähde, sähkö (akku); 2 - ampeerimittari; 3 - energian seuraaja (hehkulamppu); 4 - sähköjohdot; 5 - yksinapainen peräsin; 6 - sulakkeet

Mikä on sähkövirta

Sähköisesti varautuneiden hiukkasten suunnattu liike vaikutuksen alaisena. Tällaisia ​​hiukkasia voivat olla: johtimissa - elektroneja, elektrolyyteissä - ioneja (kationeja ja anioneja), puolijohteissa - elektroneja ja niin sanottuja "reikiä" ("elektroni-reikäjohtavuus"). On myös "esivirta", jonka virtaus johtuu kapasitanssin latausprosessista, ts. levyjen välisen potentiaalieron muutos. Levyjen välillä ei tapahdu hiukkasten liikettä, vaan virta kulkee kondensaattorin läpi.

Sähköpiirien teoriassa virran katsotaan olevan varauksenkuljettajien suunnattua liikettä johtavassa väliaineessa sähkökentän vaikutuksesta.

Johtovirta (yksinkertaisesti virta) sähköpiirien teoriassa on sähkön määrä, joka virtaa aikayksikköä kohti johtimen poikkileikkauksen läpi: i \u003d q / t, missä i on virta. MUTTA; q \u003d 1,6 10 9 - elektronin varaus, C; t - aika, s.

Tämä lauseke pätee DC-piireille. Vaihtovirtapiireissä käytetään niin kutsuttua hetkellistä virran arvoa, joka on yhtä suuri kuin latauksen muutosnopeus ajan kuluessa: i (t) \u003d dq / dt.

Sähkövirta syntyy, kun sähkökenttä tai potentiaaliero johtimen kahden pisteen välillä ilmenee sähköpiirin osassa. Kahden pisteen välistä potentiaalieroa kutsutaan jännitteeksi tai jännitehäviö tässä piirin osassa.

Termin "virta" ("virtaarvo") sijasta käytetään usein termiä "virtavoimakkuus". Jälkimmäistä ei kuitenkaan voida kutsua onnistuneeksi, koska virran voimakkuus ei ole mikään voima sanan kirjaimellisessa merkityksessä, vaan vain sähkövarausten liikkeen intensiteetti johtimessa, sähkön määrä, joka kulkee aikayksikköä kohti ristin läpi. -johtimen poikkipinta-ala.
Virralle on tunnusomaista, joka SI-järjestelmässä mitataan ampeereina (A), ja virrantiheydelle, joka SI-järjestelmässä mitataan ampeereina neliömetriä kohti.
Yksi ampeeri vastaa yhden riipuksen (C) sähkövarauksen liikettä johtimen poikkileikkauksen läpi yhden sekunnin ajan:

1A = 1 C/s.

Yleisessä tapauksessa merkitsemällä virtaa kirjaimella i ja varausta kirjaimella q, saamme:

i = dq / dt.

Virran yksikköä kutsutaan ampeeriksi (A). Johtimen virta on 1 A, jos sähkövaraus, joka vastaa 1 riippuvuutta, kulkee johtimen poikkileikkauksen läpi 1 sekunnissa.

Jos jännite vaikuttaa johtimeen, syntyy sähkökenttä johtimen sisällä. Kun kentänvoimakkuus E, elektroneihin, joilla on varaus e, vaikuttaa voima f = Ee. Arvot f ja E ovat vektoreita. Vapaan polun aikana elektronit saavat suunnatun liikkeen kaoottisen liikkeen ohella. Jokaisella elektronilla on negatiivinen varaus ja se vastaanottaa nopeuskomponentin, joka on suunnattu vastapäätä vektoria E (kuva 1). Järjestetty liike, jolle on tunnusomaista jokin keskimääräinen elektronin nopeus vcp, määrittää sähkövirran virran.

Elektroneilla voi olla myös suunnattua liikettä harvinaisissa kaasuissa. Elektrolyyteissä ja ionisoiduissa kaasuissa virran virtaus johtuu pääasiassa ionien liikkeestä. Sen tosiasian mukaisesti, että elektrolyyteissä positiivisesti varautuneet ionit siirtyvät positiivisesta napasta negatiiviseen napaan, historiallisesti virran suunnaksi on otettu elektronien suunnan vastainen.

Virran suunnaksi katsotaan suunta, johon positiivisesti varautuneet hiukkaset liikkuvat, ts. elektronien liikettä vastakkaiseen suuntaan.
Sähköpiirien teoriassa positiivisesti varautuneiden hiukkasten liikesuunta korkeammasta potentiaalista pienempään otetaan virran suunnaksi passiivisessa piirissä (ulkopuoliset energialähteet). Tämä suunta otettiin heti sähkötekniikan kehityksen alussa ja se on ristiriidassa varauksenkuljettajien todellisen liikesuunnan kanssa - elektronit liikkuvat johtavissa väliaineissa miinuksesta plussaan.

Arvoa, joka on yhtä suuri kuin virran suhde poikkipinta-alaan S, kutsutaan virrantiheydeksi (merkitty δ): δ= ON

Oletetaan, että virta jakautuu tasaisesti johtimen poikkileikkaukselle. Johtojen virrantiheys mitataan yleensä A/mm2.

Sähkövarausten kantajien tyypin ja niiden liikkumisvälineen mukaan niitä on johtavuusvirrat ja siirtymävirrat. Johtavuus jaetaan elektroniseen ja ioniseen. Tasaisissa tiloissa erotetaan kahden tyyppisiä virtoja: suora ja vaihtuva.

Sähkövirran siirto kutsutaan ilmiöksi, jossa sähkövaraukset siirtyvät vapaassa tilassa liikkuvien varautuneiden hiukkasten tai kappaleiden toimesta. Sähkövirransiirron päätyyppi on liike varauksellisten alkuainehiukkasten tyhjiössä (vapaiden elektronien liike elektroniputkissa), vapaiden ionien liike kaasupurkauslaitteissa.

Sähköinen siirtymävirta (polarisaatiovirta) kutsutaan sidottujen sähkövarausten kantajien järjestetyksi liikkeeksi. Tällainen virta voidaan havaita dielektrikissä.
Täysi sähkövirta on skalaariarvo, joka on yhtä suuri kuin sähkönjohtavuusvirran, sähköisen siirtovirran ja sähköisen siirtymävirran summa tarkasteltavan pinnan läpi.

Vakiovirta on virta, jonka suuruus voi vaihdella, mutta joka ei muuta etumerkkiään mielivaltaisen pitkään. Lue tästä lisää täältä:

Vaihtovirta on virta, joka muuttuu määräajoin sekä suuruusluokkaa että etumerkkiä.Vaihtovirtaa kuvaava suure on taajuus (SI-järjestelmässä se mitataan hertseinä), jos sen voimakkuus muuttuu ajoittain. Korkeataajuinen vaihtovirta työnnetään ulos johtimen pintaan. Suurtaajuisia virtoja käytetään koneenrakennuksessa osien pintojen lämpökäsittelyyn ja hitsaukseen, metallurgiassa metallien sulatukseen.Vaihtovirrat jaetaan sinimuotoisiin ja ei-sinimuotoinen. Sinimuotoinen virta on virta, joka muuttuu harmonisen lain mukaan:

i = Im sin ωt,

Vaihtovirran muutosnopeudelle on tunnusomaista se, joka määritellään täydellisten toistuvien värähtelyjen lukumääränä aikayksikköä kohti. Taajuus on merkitty kirjaimella f ja mitataan hertseinä (Hz). Joten virran taajuus verkossa 50 Hz vastaa 50 täydellistä värähtelyä sekunnissa. Kulmataajuus ω on virran muutosnopeus radiaaneina sekunnissa ja se liittyy taajuuteen yksinkertaisella suhteella:

ω = 2πf

Tasa- ja vaihtovirtojen tasaiset (kiinteät) arvot merkitse isolla I-kirjaimella epävakaat (hetkelliset) arvot - kirjaimella i. Virran ehdollisesti positiivista suuntaa pidetään positiivisten varausten liikesuuntana.

Tämä on virta, joka muuttuu sinilain mukaan ajan myötä.

Vaihtovirralla tarkoitetaan myös perinteisten yksi- ja kolmivaiheverkkojen virtaa. Tässä tapauksessa vaihtovirtaparametrit muuttuvat harmonisen lain mukaan.

Koska vaihtovirta vaihtelee ajan myötä, yksinkertaisia ​​tasavirtapiireihin soveltuvia ongelmanratkaisumenetelmiä ei voida suoraan soveltaa tässä. Erittäin korkeilla taajuuksilla varaukset voivat värähdellä - virrata piirin paikasta toiseen ja takaisin. Tässä tapauksessa, toisin kuin tasavirtapiireissä, sarjaan kytkettyjen johtimien virrat eivät välttämättä ole samat. AC-piireissä olevat kapasitanssit vahvistavat tätä vaikutusta. Lisäksi virran muuttuessa tulee esiin itseinduktioilmiöitä, jotka tulevat merkittäviksi myös matalilla taajuuksilla, jos käytetään korkean induktanssin keloja. Suhteellisen matalilla taajuuksilla AC-piirit voidaan edelleen laskea käyttämällä , jota on kuitenkin muutettava vastaavasti.

Erilaisia ​​vastuksia, induktoreja ja kondensaattoreita sisältävää piiriä voidaan pitää ikään kuin se koostuisi yleisestä vastuksesta, kondensaattorista ja induktorista, jotka on kytketty sarjaan.

Harkitse sellaisen piirin ominaisuuksia, jotka on kytketty sinimuotoiseen laturiin. Jotta voit muotoilla säännöt, joiden avulla voit suunnitella vaihtovirtapiirejä, sinun on löydettävä jännitteen pudotuksen ja virran välinen suhde tällaisen piirin kullekin komponentille.

Sillä on täysin erilaiset roolit AC- ja DC-piireissä. Jos esimerkiksi sähkökemiallinen elementti on kytketty piiriin, kondensaattori alkaa latautua, kunnes sen yli oleva jännite on yhtä suuri kuin elementin EMF. Sitten lataus pysähtyy ja virta putoaa nollaan. Jos piiri on kytketty laturiin, niin yhdessä puolijaksossa elektronit virtaavat kondensaattorin vasemmalta puolelta ja kerääntyvät oikealle ja päinvastoin toisessa. Nämä liikkuvat elektronit ovat vaihtovirtaa, jonka voimakkuus on sama kondensaattorin molemmilla puolilla. Niin kauan kuin vaihtovirran taajuus ei ole kovin korkea, myös vastuksen ja induktorin läpi kulkeva virta on sama.

Vaihtovirtaa käyttävissä laitteissa vaihtovirta tasataan usein tasasuuntaajilla DC:n tuottamiseksi.

Sähköjohtimet

Materiaalia, jossa virta kulkee, kutsutaan. Jotkut materiaalit muuttuvat suprajohtaviksi matalissa lämpötiloissa. Tässä tilassa ne eivät juurikaan vastusta virtaa, niiden vastus on yleensä nolla. Kaikissa muissa tapauksissa johdin vastustaa virran virtausta ja sen seurauksena osa sähköhiukkasten energiasta muuttuu lämmöksi. Virran voimakkuus voidaan laskea piirin osalle ja Ohmin laki koko piirille.

Hiukkasten nopeus johtimissa riippuu johtimen materiaalista, hiukkasen massasta ja varauksesta, ympäristön lämpötilasta, käytetystä potentiaalierosta ja on paljon pienempi kuin valon nopeus. Tästä huolimatta todellisen sähkövirran etenemisnopeus on yhtä suuri kuin valon nopeus tietyssä väliaineessa, eli sähkömagneettisen aallon etuosan etenemisnopeus.

Miten virta vaikuttaa ihmiskehoon

Ihmisen tai eläimen kehon läpi kulkeva virta voi aiheuttaa palovammoja, värinää tai kuoleman. Toisaalta tehohoidossa sähkövirtaa käytetään psyykkisten sairauksien, erityisesti masennuksen, hoitoon, tiettyjen aivoalueiden sähköstimulaatiolla hoidetaan sairauksia, kuten Parkinsonin tauti ja epilepsia, sydämentahdistin, joka stimuloi sydänlihasta. pulssivirralla käytetään bradykardiaan. Ihmisillä ja eläimillä virtaa käytetään välittämään hermoimpulsseja.

Turvallisuusmääräysten mukaan pienin havaittava virta on 1 mA. Virta muuttuu ihmishengelle vaaralliseksi noin 0,01 A:n voimakkuudesta alkaen. Virta tulee ihmiselle kohtalokkaaksi noin 0,1 A:n voimakkuudesta alkaen. Alle 42 V:n jännite katsotaan turvalliseksi.

Ensinnäkin on syytä selvittää, mikä on sähkövirta. Sähkövirta on varautuneiden hiukkasten järjestettyä liikettä johtimessa. Sen syntymiseksi on ensin luotava sähkökenttä, jonka vaikutuksesta edellä mainitut varautuneet hiukkaset alkavat liikkua.

Ensimmäinen tieto sähköstä, joka ilmestyi vuosisatoja sitten, liittyi kitkan kautta saatuihin sähköisiin "varauksiin". Jo muinaisina aikoina ihmiset tiesivät, että villan päällä käytetty meripihka saa kyvyn houkutella kevyitä esineitä. Mutta vasta 1500-luvun lopulla englantilainen lääkäri Gilbert tutki tätä ilmiötä yksityiskohtaisesti ja huomasi, että monilla muilla aineilla on täsmälleen samat ominaisuudet. Hän kutsui kehoja, jotka pystyvät, kuten meripihka, hankaamisen jälkeen houkuttelemaan kevyitä esineitä. Tämä sana on johdettu kreikkalaisesta elektronista - "meripihka". Tällä hetkellä sanomme, että tässä tilassa olevissa kappaleissa on sähkövarauksia, ja itse kappaleita kutsutaan "varautuneiksi".

Sähkövarauksia syntyy aina, kun eri aineet ovat läheisessä kosketuksessa. Jos kappaleet ovat kiinteitä, niiden pinnalla olevat mikroskooppiset ulkonemat ja epätasaisuudet estävät niiden läheisen kosketuksen. Puristamalla ja hankaamalla niitä yhteen saamme niiden pinnat yhteen, jotka ilman painetta koskettaisivat vain muutamassa kohdassa. Joissakin kappaleissa sähkövaraukset voivat liikkua vapaasti eri osien välillä, kun taas toisissa tämä ei ole mahdollista. Ensimmäisessä tapauksessa kappaleita kutsutaan "johtimiksi" ja toisessa "dielektreiksi tai eristeiksi". Johtimia ovat kaikki metallit, suolojen ja happojen vesiliuokset jne. Esimerkkejä eristeistä ovat meripihka, kvartsi, eboniitti ja kaikki kaasut, jotka ovat normaaleissa olosuhteissa.

Siitä huolimatta on huomattava, että kappaleiden jako johtimiin ja eristeisiin on hyvin mielivaltaista. Kaikki aineet johtavat sähköä enemmän tai vähemmän. Sähkövaraukset ovat joko positiivisia tai negatiivisia. Tällainen virta ei kestä kauan, koska sähköistetty runko tyhjenee. Sähkövirran jatkuvaa olemassaoloa varten johtimessa on välttämätöntä ylläpitää sähkökenttää. Näihin tarkoituksiin käytetään sähkövirtalähteitä. Yksinkertaisin tapaus sähkövirran esiintymisestä on, kun johdon toinen pää on kytketty sähköistettyyn runkoon ja toinen maahan.

Sähköpiirit, jotka syöttävät virtaa lamppuihin ja sähkömoottoreihin, ilmestyivät vasta paristojen keksimisen jälkeen, joka juontaa juurensa noin 1800-luvulle. Sen jälkeen sähköopin kehitys eteni niin nopeasti, että alle vuosisadassa siitä ei tullut vain osa fysiikkaa, vaan se muodosti uuden sähköisen sivilisaation perustan.

Sähkövirran päämäärät

Sähkön määrä ja virran voimakkuus. Sähkövirran vaikutukset voivat olla voimakkaita tai heikkoja. Sähkövirran voimakkuus riippuu varauksen määrästä, joka virtaa piirin läpi tietyssä aikayksikössä. Mitä enemmän elektroneja siirtyy lähteen napasta toiseen, sitä suurempi on elektronien kantama kokonaisvaraus. Tätä kokonaisvarausta kutsutaan johtimen läpi kulkevan sähkön määräksi.

Sähkön määrä riippuu erityisesti sähkövirran kemiallisesta vaikutuksesta, eli mitä suurempi varaus kulkee elektrolyyttiliuoksen läpi, sitä enemmän aine laskeutuu katodille ja anodille. Tässä suhteessa sähkön määrä voidaan laskea punnitsemalla elektrodille kerrostetun aineen massa ja tuntemalla tämän aineen yhden ionin massa ja varaus.

Virran voimakkuus on suuruus, joka on yhtä suuri kuin johtimen poikkileikkauksen läpi kulkeneen sähkövarauksen suhde sen virtausaikaan. Varauksen yksikkö on kuloni (C), aika mitataan sekunneissa (s). Tässä tapauksessa virranvoimakkuuden yksikkö ilmaistaan ​​C/s. Tätä yksikköä kutsutaan ampeeriksi (A). Virran voimakkuuden mittaamiseksi piirissä käytetään sähköistä mittauslaitetta, jota kutsutaan ampeerimittariksi. Piiriin sisällyttämistä varten ampeerimittari on varustettu kahdella liittimellä. Se sisältyy piiriin sarjassa.

sähköjännite. Tiedämme jo, että sähkövirta on varattujen hiukkasten - elektronien - järjestetty liike. Tämä liike syntyy sähkökentän avulla, joka tekee tietyn määrän työtä. Tätä ilmiötä kutsutaan sähkövirran työksi. Voidakseen siirtää enemmän varausta sähköpiirin läpi 1 sekunnissa, sähkökentän on tehtävä enemmän työtä. Tämän perusteella käy ilmi, että sähkövirran työn tulisi riippua virran voimakkuudesta. Mutta on toinenkin arvo, josta virran toiminta riippuu. Tätä arvoa kutsutaan jännitteeksi.

Jännite on sähköpiirin tietyssä osassa olevan virran työn suhde piirin saman osan läpi virtaavaan varaukseen. Nykyinen työ mitataan jouleina (J), varaus mitataan riipuksilla (C). Tässä suhteessa jännitteen mittausyksikkö on 1 J/C. Tätä yksikköä kutsutaan voltiksi (V).

Jotta jännite ilmestyisi sähköpiiriin, tarvitaan virtalähde. Kun virtapiiri on auki, vain virtalähteen liittimissä on jännite. Jos tämä virtalähde sisältyy piiriin, jännite näkyy myös tietyissä piirin osissa. Tässä suhteessa piirissä on myös virta. Eli lyhyesti voidaan sanoa seuraavaa: jos piirissä ei ole jännitettä, ei ole virtaa. Jännitteen mittaamiseen käytetään sähköistä mittauslaitetta, jota kutsutaan volttimittariksi. Ulkonäöltään se muistuttaa aiemmin mainittua ampeerimittaria, sillä ainoa ero on, että V-kirjain on volttimittarin asteikolla (ampeerimittarin A:n sijaan). Volttimittarissa on kaksi napaa, joiden avulla se on kytketty rinnan sähköpiirin kanssa.

Sähkövastus. Kaikenlaisten johtimien ja ampeerimittarin kytkemisen jälkeen sähköpiiriin voit huomata, että eri johtimia käytettäessä ampeerimittari antaa erilaisia ​​lukemia, eli tässä tapauksessa sähköpiirissä käytettävissä oleva virranvoimakkuus on erilainen. Tämä ilmiö voidaan selittää sillä, että eri johtimilla on erilainen sähkövastus, joka on fysikaalinen suure. Saksalaisen fyysikon kunniaksi hänet nimettiin Ohmiksi. Fysiikassa käytetään pääsääntöisesti suurempia yksiköitä: kiloohmi, megaohmi jne. Johtimen resistanssi merkitään yleensä kirjaimella R, johtimen pituus on L, poikkipinta-ala S. Tällöin vastus voi olla kirjoitettu kaavana:

R = R*L/S

jossa kerrointa p kutsutaan resistiiviseksi. Tämä kerroin ilmaisee 1 m pitkän johtimen resistanssin, jonka poikkipinta-ala on 1 m2. Resistanssi ilmaistaan ​​ohmeina x m. Koska johtojen poikkileikkaus on yleensä melko pieni, ilmaistaan ​​niiden pinta-alat yleensä neliömillimetreinä. Tässä tapauksessa resistiivisyyden yksikkö on Ohm x mm2/m. Alla olevassa taulukossa. Kuvassa 1 on esitetty joidenkin materiaalien ominaisvastus.

Taulukon mukaan. 1, käy selväksi, että kuparilla on pienin sähkövastus ja metalliseoksella on suurin. Lisäksi eristeillä (eristimillä) on korkea ominaisvastus.

Sähköinen kapasitanssi. Tiedämme jo, että kaksi toisistaan ​​eristettyä johdinta voivat kerätä sähkövarauksia. Tälle ilmiölle on ominaista fysikaalinen suure, jota kutsutaan sähkökapasitanssiksi. Kahden johtimen sähköinen kapasitanssi ei ole muuta kuin yhden johtimen varauksen suhde tämän ja viereisen johtimen väliseen potentiaalieroon. Mitä pienempi jännite johtimien vastaanottaessa varauksen, sitä suurempi on niiden kapasitanssi. Farad (F) otetaan sähköisen kapasitanssin yksikkönä. Käytännössä käytetään tämän yksikön fraktioita: mikrofaradia (µF) ja pikofaradia (pF).

Jos otat kaksi toisistaan ​​eristettyä johdinta, aseta ne pienelle etäisyydelle toisistaan, saat kondensaattorin. Kondensaattorin kapasitanssi riippuu sen levyjen paksuudesta ja eristeen paksuudesta ja sen läpäisevyydestä. Pienentämällä kondensaattorin levyjen välisen eristeen paksuutta on mahdollista lisätä huomattavasti jälkimmäisen kapasitanssia. Kaikissa kondensaattoreissa on niiden kapasitanssin lisäksi ilmoitettava jännite, jolle nämä laitteet on suunniteltu.

Sähkövirran toiminta ja teho. Edellä olevan perusteella on selvää, että sähkövirta tekee tietyn määrän työtä. Kun sähkömoottorit kytketään, sähkövirta saa kaikenlaiset laitteet toimimaan, liikuttaa junia kiskoilla, valaisee katuja, lämmittää kodin ja tuottaa myös kemiallisen vaikutuksen, eli mahdollistaa elektrolyysin jne. Voimme sanoa, että virran työ piirin tietyssä osassa on yhtä suuri kuin tulovirta, jännite ja aika, jonka aikana työ tehtiin. Työ mitataan jouleina, jännite voltteina, virta ampeereina ja aika sekunneissa. Tässä suhteessa 1 J = 1 V x 1 A x 1 s. Tästä käy ilmi, että sähkövirran toiminnan mittaamiseksi tulisi käyttää kolmea laitetta kerralla: ampeerimittaria, volttimittaria ja kelloa. Mutta tämä on raskasta ja tehotonta. Siksi yleensä sähkövirran työ mitataan sähkömittareilla. Tämän laitteen laite sisältää kaikki yllä mainitut laitteet.

Sähkövirran teho on yhtä suuri kuin virran työn suhde aikaan, jonka aikana se suoritettiin. Teho on merkitty kirjaimella "P" ja se ilmaistaan ​​watteina (W). Käytännössä käytetään kilowattia, megawattia, hektowattia jne. Piirin tehon mittaamiseksi on otettava wattimittari. Sähkötyöt ilmaistaan ​​kilowattitunteina (kWh).

Sähkövirran peruslait

Ohmin laki. Jännitettä ja virtaa pidetään sähköpiirien kätevimpinä ominaisuuksina. Yksi sähkön käytön pääpiirteistä on energian nopea kuljetus paikasta toiseen ja siirtyminen kuluttajalle halutussa muodossa. Potentiaalieron ja virranvoimakkuuden tulo antaa tehon eli piirissä aikayksikköä kohden vapautuvan energian määrän. Kuten edellä mainittiin, sähköpiirin tehon mittaamiseen tarvitaan 3 laitetta. Onko mahdollista tehdä yhdellä ja laskea teho sen lukemista ja joistakin piirin ominaisuuksista, kuten sen vastus? Monet ihmiset pitivät tästä ideasta, he pitivät sitä hedelmällisenä.

Joten mikä on johdon tai piirin kokonaisvastus? Onko johdolla, kuten vesiputkilla tai tyhjiöjärjestelmän putkilla, jatkuva ominaisuus, jota voitaisiin kutsua vastukseksi? Esimerkiksi putkissa virtauksen muodostavan paine-eron suhde jaettuna virtausnopeudella on yleensä putken vakioominaisuus. Samalla tavalla langan lämpövirtaan liittyy yksinkertainen suhde, joka sisältää lämpötilaeron, langan poikkileikkausalan ja sen pituuden. Tällaisen suhteen löytäminen sähköpiireille oli onnistuneen etsintätulos.

1820-luvulla saksalainen opettaja Georg Ohm oli ensimmäinen, joka alkoi etsiä yllä olevaa suhdetta. Ensinnäkin hän tavoitteli mainetta ja mainetta, jonka ansiosta hän voisi opettaa yliopistossa. Tämä oli ainoa syy, miksi hän valitsi opintoalan, joka tarjosi erityisiä etuja.

Om oli lukkosepän poika, joten hän osasi vetää eripaksuisia metallilankoja, joita hän tarvitsi kokeisiin. Koska noina aikoina oli mahdotonta ostaa sopivaa lankaa, Om teki sen omin käsin. Kokeiden aikana hän kokeili eri pituuksia, eri paksuuksia, eri metalleja ja jopa eri lämpötiloja. Kaikki nämä tekijät hän vaihteli vuorotellen. Ohmin aikana akut olivat vielä heikkoja, mikä antoi vaihtelevan suuruuden virran. Tässä suhteessa tutkija käytti generaattorina termoparia, jonka kuuma liitos asetettiin liekkiin. Lisäksi hän käytti raakaa magneettista ampeerimittaria ja mittasi potentiaalieroja (Ohm kutsui niitä "jännitteiksi") muuttamalla lämpötilaa tai lämpöliitosten lukumäärää.

Sähköpiirejä koskeva oppi on juuri saanut kehitystä. Akkujen keksimisen jälkeen noin vuonna 1800 se alkoi kehittyä paljon nopeammin. Erilaisia ​​laitteita suunniteltiin ja valmistettiin (melko usein käsin), löydettiin uusia lakeja, syntyi käsitteitä ja termejä jne. Kaikki tämä johti sähköisten ilmiöiden ja tekijöiden syvempään ymmärtämiseen.

Sähkötiedon uudistuminen toisaalta aiheutti uuden fysiikan alan syntymisen, toisaalta oli perusta sähkötekniikan nopealle kehitykselle eli akuille, generaattoreille, valaistuksen tehonsyöttöjärjestelmille ja sähkökäyttö, sähköuunit, sähkömoottorit jne. keksittiin, muut.

Ohmin löydöillä oli suuri merkitys sekä sähköteorian että soveltavan sähkötekniikan kehitykselle. Niiden avulla oli helppo ennustaa sähköisten piirien ominaisuuksia tasavirralle ja myöhemmin vaihtovirralle. Vuonna 1826 Ohm julkaisi kirjan, jossa hän esitti teoreettiset johtopäätökset ja kokeelliset tulokset. Mutta hänen toiveensa eivät olleet perusteltuja, kirja kohtasi pilkan. Tämä tapahtui, koska karkean kokeilun menetelmä ei vaikuttanut kovin houkuttelevalta aikakaudella, jolloin monet ihmiset pitivät filosofiasta.

Omulla ei ollut muuta vaihtoehtoa kuin jättää opettajan tehtävänsä. Hän ei saanut nimitystä yliopistoon samasta syystä. 6 vuoden ajan tiedemies eli köyhyydessä ilman luottamusta tulevaisuuteen ja koki katkeran pettymyksen tunteen.

Mutta vähitellen hänen teoksensa saivat mainetta ensin Saksan ulkopuolella. Omia arvostettiin ulkomailla, hänen tutkimustaan ​​käytettiin hyväksi. Tältä osin maanmiehensä pakotettiin tunnustamaan hänet kotimaassaan. Vuonna 1849 hän sai professuurin Münchenin yliopistossa.

Ohm löysi yksinkertaisen lain, joka määrittää virran ja jännitteen välisen suhteen johdonpalalle (piirin osalle, koko piirille). Lisäksi hän teki säännöt, joiden avulla voit määrittää, mikä muuttuu, jos otat erikokoisen langan. Ohmin laki on muotoiltu seuraavasti: virran voimakkuus piirin osassa on suoraan verrannollinen tämän osan jännitteeseen ja kääntäen verrannollinen osan resistanssiin.

Joule-Lenzin laki. Sähkövirta missä tahansa piirin osassa suorittaa tietyn työn. Otetaan esimerkiksi jokin osa piiristä, jonka päiden välissä on jännite (U). Sähköjännitteen määritelmän mukaan työ, joka tehdään siirrettäessä varausyksikköä kahden pisteen välillä, on yhtä suuri kuin U. Jos virranvoimakkuus piirin tietyssä osassa on i, niin varaus kulkee ajassa t, ja siksi sähkövirran työ tässä osassa on:

A = Uit

Tämä lauseke pätee joka tapauksessa tasavirralle, mille tahansa piirin osalle, joka voi sisältää johtimia, sähkömoottoreita jne. Virtateho, eli työ aikayksikköä kohti, on yhtä suuri:

P \u003d A / t \u003d Ui

Tätä kaavaa käytetään SI-järjestelmässä määrittämään jännitteen yksikkö.

Oletetaan, että piirin osa on kiinteä johdin. Tässä tapauksessa kaikki työ muuttuu lämmöksi, joka vapautuu tässä johtimessa. Jos johdin on homogeeninen ja noudattaa Ohmin lakia (tämä sisältää kaikki metallit ja elektrolyytit), niin:

U=ir

missä r on johtimen vastus. Tässä tapauksessa:

A = rt2i

Tämän lain johti ensin empiirisesti E. Lenz ja hänestä riippumatta Joule.

On huomattava, että johtimien lämmityksellä on useita sovelluksia tekniikassa. Yleisimmät ja tärkeimmät niistä ovat hehkulamput.

Sähkömagneettisen induktion laki. 1800-luvun ensimmäisellä puoliskolla englantilainen fyysikko M. Faraday löysi magneettisen induktion ilmiön. Tämä tosiasia, joka on tullut monien tutkijoiden omaisuudeksi, antoi voimakkaan sysäyksen sähkö- ja radiotekniikan kehitykselle.

Kokeiden aikana Faraday sai selville, että kun suljetun silmukan rajaaman pinnan läpäisevien magneettisten induktiolinjojen lukumäärä muuttuu, siihen syntyy sähkövirta. Tämä on perusta ehkä tärkeimmälle fysiikan laille - sähkömagneettisen induktion laille. Piirissä esiintyvää virtaa kutsutaan induktiiviseksi. Koska piirissä esiintyy sähkövirtaa vain vapaisiin varauksiin vaikuttavien ulkoisten voimien tapauksessa, suljetun piirin pinnan yli kulkevalla muuttuvalla magneettivuolla ilmaantuu samat ulkoiset voimat siihen. Ulkoisten voimien toimintaa fysiikassa kutsutaan sähkömoottorivoimaksi tai induktio-EMF:ksi.

Sähkömagneettista induktiota esiintyy myös avoimissa johtimissa. Siinä tapauksessa, että johdin ylittää magneettikenttäviivat, sen päissä näkyy jännite. Syy tällaisen jännitteen esiintymiseen on induktio-EMF. Jos suljetun piirin läpi kulkeva magneettivuo ei muutu, induktiivinen virta ei näy.

"Induktion EMF"-käsitettä käyttämällä voidaan puhua sähkömagneettisen induktion laista, eli suljetun silmukan induktion EMF on absoluuttisesti yhtä suuri kuin magneettivuon muutosnopeus pinnan rajaaman pinnan läpi. silmukka.

Lenzin sääntö. Kuten jo tiedämme, johtimessa esiintyy induktiivinen virta. Sen ulkonäön olosuhteista riippuen sillä on eri suunta. Tässä yhteydessä venäläinen fyysikko Lenz muotoili seuraavan säännön: suljetussa piirissä esiintyvällä induktiovirralla on aina sellainen suunta, että sen luoma magneettikenttä ei salli magneettivuon muuttumista. Kaikki tämä aiheuttaa induktiovirran esiintymisen.

Induktiovirralla, kuten kaikilla muillakin, on energiaa. Tämä tarkoittaa, että induktiovirran sattuessa ilmaantuu sähköenergiaa. Energian säilymis- ja muunnoslain mukaan edellä mainittu energia voi syntyä vain jonkin muun energiatyypin energiamäärästä johtuen. Siten Lenzin sääntö vastaa täysin energian säilymisen ja muuntamisen lakia.

Induktion lisäksi kelassa voi esiintyä ns. itseinduktio. Sen olemus on seuraava. Jos kelaan ilmaantuu virta tai sen voimakkuus muuttuu, muuttuu magneettikenttä. Ja jos kelan läpi kulkeva magneettivuo muuttuu, siinä syntyy sähkömotorinen voima, jota kutsutaan itseinduktion EMF:ksi.

Lenzin säännön mukaan itseinduktion EMF, kun piiri on suljettu, häiritsee virran voimakkuutta eikä anna sen kasvaa. Kun EMF-piiri on kytketty pois päältä, itseinduktio vähentää virran voimakkuutta. Jos virran voimakkuus kelassa saavuttaa tietyn arvon, magneettikenttä lakkaa muuttumasta ja itseinduktio-EMF muuttuu nollaan.