Sähkövaraus: Mitä automaattista reaktiota tuo lause tuottaa lukiessasi? Pistävä tunne tai kenties kuva valaistuksesta, joka jakaa taivaan? Värikäs vilkkujen esitys Pariisin tai Las Vegasin kaltaisessa kaupungissa? Ehkä jopa hyönteinen, joka jotenkin loistaa pimeässä, kun se kulkee tiensä leirintäalueen poikki?
Viime vuosisatoihin saakka tiedemiehillä ei ollut vain tapaa mitata valon nopeutta, heillä ei ollut aavistustakaan, minkä fyysisten ilmiöiden taustalla on nykyään "sähkö". 1800-luvulla fyysikot saivat ensin käsityksen virran virtaukseen osallistuvista pienistä hiukkasista (vapaat elektronit) sekä heidän liikkumaan pakottavien voimien luonteesta. Oli selvää, että sähkö voi tehdä huomattavaa hyvää, jos se voidaan turvallisesti "valmistaa" tai "siepata" ja että sähköenergia käytetään työn tekemiseen.
Sähkövarausvirtaus tapahtuu helposti aineissa, jotka on luokiteltujohtavat materiaalit, kun sitä kutsutaan nimelläeristimet. Esimerkiksi metallilangassa, kuten kuparilangassa, on mahdollista luoda a
Määritelmä sähkövirta
Sähkövirtaon keskimääräinen sähkövarauksen (ts. lataus aikayksikköä kohti) virtausnopeus avaruuspisteen ohi. Tämän maksun suorittaaelektronitliikkuu langan läpi sähköpiirissä. Mitä suurempi elektronien määrä liikkuu tämän pisteen ohi sekunnissa, sitä suurempi on virran suuruus.
Virran SI-yksikkö on ampeeri (A), jota kutsutaan usein epävirallisesti "ampeeriksi". Itse sähkövaraus mitataan kulmina (C).
- Yhden elektronin varaus on -1,60 × 10-19 C, kun taas aprotonion yhtä suuri, muttapositiivinenmerkissä. Tätä numeroa pidetäänperustavanlaatuinen maksu e. Ampeerin perusyksikkö on siis kulonkeja sekunnissa (C / s).
Sopimuksen mukaansähkövirta kulkee elektronien virtauksen vastakkaiseen suuntaan. Tämä johtuu siitä, että virran suunta kuvattiin ennen kuin tiedemiehet tiesivät, mitkä latauskantajat liikkuivat sähkökentän vaikutuksesta. Kaikissa käytännön tarkoituksissa positiiviseen suuntaan liikkuvat positiiviset varaukset tarjoavat saman fyysisen (laskennallinen) tulos negatiivisina varauksina, jotka liikkuvat negatiiviseen suuntaan, kun kyse on sähköstä nykyinen.
Elektronit liikkuvat kohti positiivista napaa sähköpiirissä. Elektronivirta eli liikkuva varaus on siis poissa negatiivisesta napasta. Elektronien liike kuparilangassa tai muussa johtavassa materiaalissa tuottaa myös amagneettikenttäjolla on suunta ja suuruus, jonka määrää sähkövirran suunta ja siten elektronien liike; tämän periaatteen mukaansähkömagneettion rakennettu.
Sähkövirran kaava
Johdon läpi liikkuvan varauksen tavanomaisessa perusskenaariossa virralle annetaan seuraava kaava:
I = neAv_d
missänon latausten määrä kuutiometriä kohti (m3), eon peruslataus,Aon langan poikkipinta-ala javdonajonopeus.
Vaikka virralla on sekä suuruus että suunta, se on skalaarinen määrä, ei vektorimäärä, koska se ei noudata vektorilisäyksen lakeja.
Ohmin lain kaava
Ohmin lakiantaa kaavan johtimen läpi virtaavan virran määrittämiseksi:
I- \ frac {V} {R}
missäVonJännitetaisähköpotentiaaliero, mitattuna voltteina, jaRon sähköinenvastusnykyiseen virtaukseen mitattunaohmia (Ω).
Ajattele jännitettä "varaavaksi voimaksi" (vaikka tämä "sähkömoottorivoima" ei ole kirjaimellisesti voima), joka on ominaista sähkövarauksiin. Kun vastakkaiset varaukset erotetaan, ne houkuttelevat toisiinsa tavalla, joka vähenee niiden välisen etäisyyden kasvaessa. Se on löysästi analoginen gravitaatiopotentiaalienergialle klassisessa mekaniikassa; painovoima "haluaa" korkeiden asioiden putoavan maahan, ja jännite "haluaa" erotettujen (vastakkaisten) varausten kaatuvan yhteen.
Jännite selitetty
Volttit vastaavat joulea kulmaa kohti tai J / C. Niillä on siten energiayksiköitä latausyksikköä kohti. Virta-aikojen jännite antaa siten yksiköt (C / s) (J / C) = (J / s), mikä tarkoittaa (tässä tapauksessa sähkö) tehoyksiköitä:
P = IV
Yhdistämällä tämä Ohmin lakiin syntyy muita hyödyllisiä matemaattisia suhteita, joihin liittyy virran virtaus: P = I2R ja P = V2/R. Nämä osoittavat muun muassa, että kiinteällä virtatasolla teho on verrannollinen vastukseen, kun taas jos jännite on kiinteä, teho onkäänteisestiverrannollinen vastustukseen.
Vaikka liikkuvat varaukset (virta) indusoivat magneettikentän, magneettikenttä voi itse aiheuttaa jännitteen langassa.
Virran tyypit
- Tasavirta (DC):Tämä tapahtuu, kun kaikki elektronit virtaavat jatkuvasti samaan suuntaan. Tämä on virtatyyppi piirissä, joka on kytketty tavalliseen akkuun. Paristot voivat tietysti tuottaa ja kuljettavat vain katoavan pienen määrän energiaa, joka tarvitaan ihmisen voimaan antamiseen vaikka jatkuvasti kehittyvä tekniikka aurinkokennojen alalla tarjoaa lupauksen paremmasta potentiaalista energia varasto.
- Vaihtovirta (AC):Täällä elektronit värähtelevät edestakaisin ("heiluttaen" tietyssä mielessä) hyvin nopeasti. Tämän tyyppistä virtaa on usein helpompi tuottaa voimalaitoksessa, ja se johtaa myös vähemmän energiahäviöön suurella etäisyydellä, minkä vuoksi sitä käytetään nykyään. Jokainen hehkulamppu ja muu sähkölaite tavallisessa 2000-luvun alkupuolen kodissa saa virtansa vaihtovirrasta.
Vaihtovirralla jännite vaihtelee sinimuotoisella tavalla ja se annetaan milloin tahansatilmaisulla V = V0synti (2πft), missäV0on alkujännite jafon taajuus tai täydellisten jännitesyklien lukumäärä (maksimista pienimpään takaisin maksimiarvoon) sekunnissa.
Virran mittaus
Ampeerimittari on laite, jota käytetään virran mittaamiseen kytkemällä se sarjaan - eikä koskaan rinnakkain - sähköpiiriin. (Rinnakkaispiirissä on useita johtoja liitosten välillä - toisin sanoen virtalähteessä, kondensaattoreissa ja vastuksissa - virtapiirissä.) Se toimii periaatteella, että virta on sama kaikissa kahden johtimen osissa risteyksissä.
Ampeerimittarilla on tunnettu, alhainen luonnollinen vastus, ja se on asetettu antamaan atäysimittainen taipuma(FSD) tietyllä virtatasolla, usein 0,015 A tai 15 mA. Jos tiedät jännitteen ja manipuloit vastusta ampeerimittarin shunttivastustoiminnolla, voit määrittää virran; tiedät mikä nykyisen virtauksen arvopitäisikäyttää Ohmin lakia.
Esimerkkejä sähkövirrasta
1. Laske elektronien siirtymisnopeus sylinterimäisessä kuparilangassa, jonka säde on 1 mm tai 0,001 m ja joka kuljettaa 15 A: n virtaa, kun otetaan huomioon, että kuparin osalta n = 8,342 × 1028 e / m3.
I = neAv_d \ merkitsee v_d = \ frac {I} {neA}
AlueAjohtimen poikkileikkauksesta on πr2tai π (0,001)2 = 3.14 10-6 m2.
v_d = \ frac {I} {neA} = \ frac {15} {8.342 \ kertaa 10 ^ {28} \ kertaa -1.60 \ kertaa 10 ^ {- 19} \ kertaa 3.14 \ kertaa 10 ^ {- 6}} = -3,6 \ kertaa 10 ^ {- 4} \ teksti {m / s}
- Negatiivinen merkki osoittaa, että suunta on virran suuntaan nähden, kuten elektroneille odotetaan.
2. Etsi virta I 120 V: n piiristä, jossa on sarjassa 2-Ω, 4-Ω ja 6-Ω vastuksia.
Sarjassa olevat vastukset ovat yksinkertaisesti additiivisia (rinnakkaisissa piireissä kokonaisresistanssin summa on yksittäisten vastusarvojen vastavuorojen summa). Täten:
I = \ frac {V} {R} = \ frac {120} {2 + 4 + 6} = 10 \ teksti {A}
3. Piirin kokonaisresistanssi on 15 Ω ja virtavirta 20 A. Mikä on tämän piirin teho ja jännite?
P = I ^ 2R = 20 ^ 2 \ kertaa 15 = 6000 \ teksti {W} \ teksti {ja} V = IR = 20 kertaa 15 = 300 \ teksti {V}
