Električno punjenje: Kakvu automatsku reakciju proizvede ta fraza kad je pročitate? Osjećaj bockanja, možda, ili slika jakog svjetla koje cijepa nebo? Šareni zaslon trepćućih svjetala u gradu poput Pariza ili Las Vegasa? Možda čak i insekt koji nekako svijetli u mraku dok prolazi kroz vaš kamp?
Do posljednjih stoljeća, ne samo da znanstvenici nisu imali načina izmjeriti brzinu svjetlosti, nisu ni slutili koji su fizički fenomeni u osnovi onoga što je danas uopće poznato kao "električna energija". U 1800-ima fizičari su prvi put stekli razumijevanje sićušnih čestica uključenih u protok struje (slobodni elektroni), kao i prirodu sila koje ih prisiljavaju na kretanje. Bilo je jasno da električna energija može učiniti dobro ako se može sigurno "izraditi" ili "uhvatiti", a električna energija koristiti za rad.
Protok električnog naboja lako se javlja u tvarima klasificiranim kaovodljivi materijali, dok je zaprečena onima koji su poznati kaoizolatori. Na primjer, u metalnoj žici kao što je bakrena žica moguće je stvoriti
potencijalna razlikapreko krajeva žice, uzrokujući protok naboja i stvarajući struju.Definicija električne struje
Električna strujaje prosječna brzina protoka električnog naboja (tj. naboja u jedinici vremena) nakon točke u prostoru. Ovu optužbu snosielektronikrećući se kroz žicu u električnom krugu. Što je veći broj elektrona koji se kreću iza ove točke u sekundi, to je veća veličina struje.
SI jedinica struje je amper (A), često neformalno nazvan "pojačala". Sam električni naboj mjeri se u kulonima (C).
- Naboj na jednom elektronu je -1,60 × 10-19 C, dok je to na aprotonje jednak po veličini alipozitivanu znak. Ovaj se broj smatratemeljni naboj e. Osnovna jedinica ampera su dakle kuloni u sekundi (C / s).
Prema dogovoru,električna struja teče u suprotnom smjeru od protoka elektrona. To je zato što je smjer struje opisan prije nego što su znanstvenici znali koji su nositelji naboja oni koji se kreću pod utjecajem električnog polja. U sve praktične svrhe, pozitivni naboji koji se kreću u pozitivnom smjeru nude iste fizičke (računski) rezultat su negativni naboji koji se kreću u negativnom smjeru kada je riječ o električnom Trenutno.
Elektroni se kreću prema pozitivnom priključku u električnom krugu. Stoga je protok elektrona ili pokretni naboj udaljen od negativnog terminala. Kretanje elektrona u bakrenoj žici ili drugom vodljivom materijalu također stvara amagnetsko poljekoja ima smjer i veličinu određenu smjerom električne struje, a time i kretanjem elektrona; ovo je princip na kojem anelektromagnetje izgrađena.
Formula električne struje
Za osnovni uobičajeni scenarij struje naboja koji se kreće kroz žicu, formula za struju dana je:
I = neAv_d
gdjenje broj naboja po kubičnom metru (m3), eje osnovni naboj,Aje površina presjeka žice ivdjebrzina zanošenja.
Iako struja ima i veličinu i smjer, ona je skalarna veličina, a ne vektorska veličina, jer se ne pokorava zakonima dodavanja vektora.
Ohmova formula zakona
Ohmov zakondaje formulu za određivanje struje koja će teći kroz vodič:
I- \ frac {V} {R}
gdjeVjenapon, ilirazlika električnog potencijala, izmjereno u voltima, iRje električnaotpornostna trenutni protok, izmjeren uoma (Ω).
Zamislite napon kao "vučnu silu" (iako ta "elektromotorna sila" doslovno nije sila) specifična za električne naboje. Kad se odvoje suprotni naboji, privlače ih jedan na drugi na način koji se smanjuje s povećanjem udaljenosti između njih. Slabo je analogna gravitacijskoj potencijalnoj energiji u klasičnoj mehanici; gravitacija "želi" da visoke stvari padnu na Zemlju, a napon "želi" da se odvojeni (suprotni) naboji sruše.
Objašnjeni napon
Volti su ekvivalentni džulima po kulonu ili J / C. Tako imaju jedinice energije po jedinici naboja. Strujni puta napon tako daje jedinice (C / s) (J / C) = (J / s), što prevodi u jedinice snage (u ovom slučaju električne):
P = IV
Kombinirajući ovo s Ohmovim zakonom nastaju i drugi korisni matematički odnosi koji uključuju protok struje: P = I2R i P = V2/R. Oni između ostalog pokazuju da je pri fiksnoj razini struje snaga proporcionalna otporu, dok je, ako je napon fiksan, snagaobrnutoproporcionalno otporu.
Dok pomični naboji (struja) induciraju magnetsko polje, magnetsko polje može samo po sebi inducirati napon u žici.
Vrste struje
- Istosmjerna struja (istosmjerna struja):To se događa kada svi elektroni kontinuirano teku u istom smjeru. Ovo je vrsta struje u krugu spojenom na standardnu bateriju. Baterije, naravno, mogu i daju samo nestajuće malu količinu energije potrebne za napajanje čovjeka civilizacija, iako tehnologija koja se sve više poboljšava na području solarnih ćelija nudi obećanje većeg potencijala za Pohrana energije.
- Izmjenična struja (AC):Ovdje elektroni osciliraju naprijed-natrag ("pomicanje", u određenom smislu) vrlo brzo. Ovu vrstu struje često je lakše generirati u elektrani, a rezultira i manjim gubicima energije na velikoj udaljenosti, zbog čega je danas standard. Sve žarulje i ostali električni uređaji u standardnom domu s početka 21. stoljeća napajaju se izmjeničnom strujom.
Kod izmjeničnog napona napon se mijenja na sinusni način i daje se u bilo kojem trenutkutizrazom V = V0sin (2πft), gdjeV0je početni napon ifje frekvencija ili broj cjelovitih ciklusa napona (od maksimalne do minimalne vrijednosti do maksimalne vrijednosti) u svakoj sekundi.
Mjerna struja
Ampermetar je uređaj koji se koristi za mjerenje struje spajanjem u seriju - i nikada paralelno - u električni krug. (Paralelni krug ima više žica između spojeva - drugim riječima, na izvoru energije, kondenzatorima i otpornicima - u krugu.) Djeluje na principu da je struja jednaka kroz sve dijelove žice između dva čvorišta.
Ampermetar ima poznati, mali unutarnji otpor i postavljen je da daje apuni otklon(FSD) na zadanoj trenutnoj razini, često 0,015 A ili 15 mA. Ako znate napon i manipulirate otporom pomoću funkcije otpornosti šanta ampermetra, možete odrediti struju; znate kolika je vrijednost trenutnog protokatrebakoristiti Ohmov zakon.
Primjeri električne struje
1. Izračunajte brzinu nanosa elektrona u cilindričnoj bakrenoj žici polumjera 1 mm ili 0,001 m) koji nose struju od 15 A, s obzirom da je za bakar n = 8,342 × 1028 e / m3.
I = neAv_d \ implicira v_d = \ frac {I} {neA}
PodručjeApresjeka žice je πr2, ili π (0,001)2 = 3.14 10-6 m2.
v_d = \ frac {I} {neA} = \ frac {15} {8.342 \ puta 10 ^ {28} \ puta -1.60 \ puta 10 ^ {- 19} \ puta 3.14 \ puta 10 ^ {- 6}} = -3,6 \ puta 10 ^ {- 4} \ text {m / s}
- Negativni znak pokazuje da je smjer suprotan smjeru strujanja, kao što se očekuje za elektrone.
2. Pronađite struju I u krugu od 120 V koji ima serijski otpornike 2-Ω, 4-Ω i 6-Ω.
Otpornici u seriji su jednostavno aditivni (u paralelnim krugovima zbroj ukupnog otpora zbroj je recipročnih vrijednosti pojedinačnih otpora). Tako:
I = \ frac {V} {R} = \ frac {120} {2 + 4 + 6} = 10 \ text {A}
3. Krug ima ukupni otpor 15 Ω i protok struje 20 A. Kolika su snaga i napon u ovom krugu?
P = I ^ 2R = 20 ^ 2 \ puta 15 = 6000 \ text {W} \ text {i} V = IR = 20 \ puta 15 = 300 \ text {V}