Elektrilaeng: millise automaatse reaktsiooni see fraas seda lugedes tekitab? Võib-olla kipitav tunne või pilt taevast lõhestavast valgustuspoldist? Vilkuvate värvitoonide ekraan sellises linnas nagu Pariis või Las Vegas? Võib-olla isegi putukas, mis kuidagi pimedas hõõgub, kui ta teie kämpingusse sirutab?
Kuni viimaste sajanditeni ei olnud teadlastel mitte ainult võimalust valguse kiirust mõõta, vaid neil polnud aimugi, millised füüsikalised nähtused on tänapäeval nn elektri aluseks. 1800-ndatel aastatel said füüsikud kõigepealt aru vooluvoolus osalevatest väikestest osakestest (vabad elektronid) ning neid liikuma sundivate jõudude olemusest. Oli selge, et elekter võib teha märkimisväärset head, kui seda saab ohutult "teha" või "kinni püüda" ja elektrienergiat kasutatakse töö tegemiseks.
Elektrilaengu voog toimub kergesti ainetes, mis klassifitseeritaksejuhtivad materjalid, samas kui see on takistatud nendel, kes on tuntud kuiisolaatorid. Näiteks metalltraadis, näiteks vasktraadis, on võimalik luua apotentsiaalne erinevusüle juhtme otste, põhjustades laengu voogu ja tekitades voolu.
Elektrivoolu määratlus
Elektrivoolon elektrilaengu (st laeng ajaühikus) keskmine voolukiirus mööda ruumi punkti. Selle tasu kannabelektronidliikudes läbi juhtme elektriahelas. Mida suurem on sellest punktist sekundis mööda liikuvate elektronide arv, seda suurem on voolu suurus.
Voolu SI ühik on ampr (A), mida sageli nimetatakse mitteametlikult "ampriks". Elektrilaengut ise mõõdetakse kulonites (C).
- Ühe elektroni laeng on -1,60 × 10-19 C, samal ajal kui aprootonon suuruselt võrdne, kuidpositiivnemärgis. Seda numbrit peetakse numbrikspõhimõtteline laeng e. Amprite põhiühik on seetõttu kulonid sekundis (C / s).
Kokkuleppelelektrivool voolab elektronide voolu vastupidises suunas. Seda seetõttu, et voolu suunda kirjeldati enne, kui teadlased teadsid, millised laengukandjad elektrivälja mõjul liikusid. Kõigil praktilistel eesmärkidel pakuvad positiivses suunas liikuvad positiivsed laengud sama füüsilist (arvutuslik) tulemus, kui negatiivsed laengud liiguvad negatiivses suunas, kui tegemist on elektriga praegune.
Elektronid liiguvad elektriahela positiivse klemmi suunas. Elektronvool ehk liikuv laeng on seetõttu negatiivsest terminalist eemal. Elektronide liikumine vasktraadis või muus juhtivas materjalis tekitab ka amagnetvälimille suund ja suurus on määratud elektrivoolu suuna ja sellest tulenevalt elektronide liikumisega; see on põhimõte, mille alusel anelektromagneton ehitatud.
Elektrivoolu valem
Traadi kaudu liikuva laengu tavapärase voolu põhistsenaariumi korral antakse voolu valem:
I = neAv_d
kusnon laengute arv kuupmeetris (m3), eon põhilaeng,Aon traadi ristlõikepindala javdontriivi kiirus.
Kuigi voolul on nii suurus kui ka suund, on see skalaarne suurus, mitte vektor, kuna see ei allu vektorite liitmise seadustele.
Ohmi seaduse valem
Ohmi seadusannab valemi juhi kaudu voolava voolu määramiseks:
I- \ frac {V} {R}
kusVonPingevõielektrilise potentsiaali erinevus, mõõdetuna voltides, jaRon elektrilinevastupanuvoolu vooluni, mõõdetunaoomi (Ω).
Mõelge pingest kui "tõmbejõust" (kuigi see "elektromotoorjõud" ei ole sõna otseses mõttes jõud), mis on omane elektrilaengutele. Vastupidiste laengute eraldamisel tõmbavad nad üksteist nii, et nende vaheline kaugus suureneb. See on lõdvalt analoogne klassikalise mehaanika gravitatsioonipotentsiaaliga; gravitatsioon "soovib", et kõrged asjad langeksid Maale, ja pinge "tahab", et eraldatud (vastas) laengud kokku kukuksid.
Pinge selgitatud
Voldid on samaväärsed džaulidega kulonki kohta ehk J / C. Seega on neil energiaühikud laenguühiku kohta. Pinge praegused korrad annavad seega (C / s) (J / C) = (J / s) ühikud, mis väljendavad (antud juhul elektri) võimsuse ühikut:
P = IV
Selle ühendamine Ohmi seadusega tekitab muid kasulikke matemaatilisi seoseid, mis hõlmavad voolu voogu: P = I2R ja P = V2/R. Need näitavad muu hulgas, et fikseeritud voolutasemel on võimsus proportsionaalne takistusega, samas kui pinge fikseerimisel on võimsustagurpidiproportsionaalne resistentsusega.
Kui liikuvad laengud (vool) indutseerivad magnetvälja, võib magnetväli ise tekitada traadis pinget.
Voolu tüübid
- Alalisvool (DC):See juhtub siis, kui kõik elektronid voolavad pidevalt samas suunas. Seda tüüpi vool on tavalise akuga ühendatud vooluahelas. Muidugi suudavad ja toovad patareid ainult energia kadumiseks vajaliku energia tsivilisatsioon, kuigi päikesepatareide valdkonnas pidevalt arenev tehnoloogia pakub parema potentsiaali lubadust energia salvestamine.
- Vahelduvvool (AC):Siin võnkuvad elektronid edasi-tagasi (mõnes mõttes "vingerdama") väga kiiresti. Seda tüüpi voolu on elektrijaamas sageli kergem tekitada ning see toob kaasa ka väiksema energiakadu suure vahemaa tagant, mistõttu on see tänapäeval kasutatav standard. Iga tavalise 21. sajandi alguse kodu lambipirn ja muud elektriseadmed on varustatud vahelduvvooluga.
Vahelduvvoolu korral varieeritakse pinget sinusoidsel viisil ja seda antakse igal ajaltavaldise V = V abil0patt (2πft), kusV0on algpinge jafon kogu sekundi pinge sagedus või täielike pingetsüklite arv (maksimaalsest kuni minimaalse väärtuseni).
Voolu mõõtmine
Ampermeeter on seade, mida kasutatakse voolu mõõtmiseks, ühendades see järjestikku - mitte kunagi paralleelselt - elektriskeemis. (Paralleelsel vooluringil on ristmike vahel mitu juhtmest - teisisõnu toiteallikal, kondensaatoritel ja takistitel - vooluahelas.) See töötab põhimõttel, et vool on kahe juhtme kõigi osade kaudu sama ristmikud.
Ampeerimõõturil on teadaolev madal sisetakistus ja see on seatud andma atäisskaala läbipainde(FSD) antud praegusel tasemel, sageli 0,015 A või 15 mA. Kui teate pinget ja manipuleerite takistusega, kasutades ampermeetri šunditakistuse funktsiooni, saate määrata voolu; teate, mis on praeguse voo väärtuspeakskasutama Ohmi seadust.
Näited elektrivoolust
1. Arvutage 15-A voolu kandva silindrikujulise vasktraadi elektronide triivimiskiirus 1 mm või 0,001 m raadiuses, arvestades, et vase puhul n = 8,342 × 1028 e / m3.
I = neAv_d \ tähendab v_d = \ frac {I} {neA}
PiirkondAtraadi ristlõikest on πr2või π (0,001)2 = 3.14 10-6 m2.
v_d = \ frac {I} {neA} = \ frac {15} {8.342 \ korda 10 ^ {28} \ korda -1.60 \ korda 10 ^ {- 19} \ korda 3.14 \ korda 10 ^ {- 6}} = -3,6 \ korda 10 ^ {- 4} \ tekst {m / s}
- Negatiivne märk näitab, et suund on voolu voolu suunaga vastuolus, nagu eeldatakse elektronide puhul.
2. Leidke vool I 120-V ahelast, millel on 2-Ω, 4-Ω ja 6-Ω takistid järjestikku.
Järjestikused takistid on lihtsalt aditiivsed (paralleelsetes ahelates on kogu takistuse summa üksikute takistuste väärtuste vastastikuste summa). Seega:
I = \ frac {V} {R} = \ frac {120} {2 + 4 + 6} = 10 \ tekst {A}
3. Vooluahela kogutakistus on 15 Ω ja voolu vool 20 A. Kui suur on voolu ja pinge selles vooluahelas?
P = I ^ 2R = 20 ^ 2 \ korda 15 = 6000 \ text {W} \ text {ja} V = IR = 20 \ korda 15 = 300 \ text {V}