Elektromos töltés: Milyen automatikus reakciót vált ki ez a kifejezés, amikor elolvassa? Talán bizsergő érzék, vagy az égboltot megvilágító villanás képe? A villogó fények színes megjelenítése egy olyan városban, mint Párizs vagy Las Vegas? Talán még egy rovar is, amely valahogy a sötétben világít, miközben a kempingben halad keresztül?
Az utóbbi évszázadokig nemcsak a tudósoknak nem volt módjuk megmérni a fénysebességet, és fogalmuk sem volt arról, hogy milyen fizikai jelenségek állnak ma a "villany" néven. Az 1800-as években a fizikusok először megértették az áramlásban részt vevő apró részecskéket (szabad elektronok), valamint a mozgásra kényszerítő erők jellegét. Világos volt, hogy az áram jelentős hasznot hozhat, ha biztonságosan „előállítható” vagy „megfogható”, és az elektromos energiát munkára használják.
Az elektromos töltés áramlása könnyen bekövetkezik avezető anyagok, míg az úgynevezettek akadályozzákszigetelők. Fémhuzalban, például rézhuzalban, lehetséges alehetséges különbséga vezeték végein keresztül, ami töltésáramot okoz és áramot hoz létre.
Az elektromos áram meghatározása
Elektromos áramaz elektromos töltés átlagos áramlási sebessége (azaz időegységenkénti töltés) a tér egy pontján túl. Ezt a díjat az viselielektronokvezetéken keresztül haladva egy elektromos áramkörben. Minél nagyobb az ezen a ponton másodpercenként elmozduló elektronok száma, annál nagyobb az áram nagysága.
Az áram SI-egysége az amper (A), amelyet gyakran informálisan "ampereknek" neveznek. Magát az elektromos töltést coulombokban (C) mérjük.
- Egyetlen elektron töltése -1,60 × 10-19 C, míg az aprotonnagyságrendileg egyenlő, depozitívjelben. Ezt a számot aalapvető töltés e. Az amper alapegysége tehát coulombs per second (C / s).
Egyezményesen,az elektromos áram az elektronok áramlásával ellentétes irányban áramlik. Ennek oka, hogy az áram irányát még azelőtt írták le, hogy a tudósok tudták volna, melyek azok a töltéshordozók, amelyek elektromos mező hatására mozognak. Minden gyakorlati szempontból a pozitív irányban haladó pozitív töltések ugyanazt a fizikai elemet kínálják (számítási) eredmény, amikor negatív töltések negatív irányban mozognak, amikor elektromos jelenlegi.
Az elektronok az elektromos áramkör pozitív kapcsa felé mozognak. Az elektronáram vagy mozgó töltés tehát távol van a negatív termináltól. Az elektronok rézhuzalban vagy más vezető anyagban való mozgása szintén amágneses mezőamelynek irányát és nagyságát az elektromos áram iránya és így az elektronok mozgása határozza meg; ez az elv, amely alapján egyelektromágnesépül.
Elektromos áram képlet
A vezetéken keresztül mozgó töltés hagyományos hagyományos forgatókönyvéhez az áram képletét a következők adják meg:
I = neAv_d
holna köbméterenkénti töltések száma (m3), eaz alapvető töltés,Aa huzal keresztmetszeti területe, ésvdaz asodródási sebesség.
Bár az áramnak mind nagysága, mind iránya van, skaláris mennyiség, nem vektormennyiség, mivel nem engedelmeskedik a vektorösszeadás törvényeinek.
Ohm törvényének képlete
Ohm törvényeképletet ad a vezetőn átáramló áram meghatározásához:
I- \ frac {V} {R}
holVaz afeszültség, vagyelektromos potenciálkülönbség, voltban mérve, ésRaz elektromosellenállás-ig mért áramáramigohm (Ω).
Gondoljon a feszültségre, mint az elektromos töltésekre jellemző "húzóerőre" (bár ez az "elektromotoros erő" szó szerint nem erő). Ha az ellentétes töltések el vannak választva, akkor vonzódnak egymáshoz oly módon, hogy csökkenjen a távolság növekedésével. Lazán hasonlít a klasszikus mechanika gravitációs potenciáljára; a gravitáció "azt akarja", hogy magas dolgok essenek a Földre, és a feszültség "azt akarja", hogy az elválasztott (ellentétes) töltések összeomlanak.
Feszültség magyarázata
A feszültség ekvivalens a joulmonkénti coulombon, vagy J / C. Így egységnyi energiájuk van egységnyi töltésre. A feszültség aktuális idõpontja így (C / s) (J / C) = (J / s) egységeket ad, amelyek (ebben az esetben elektromos) teljesítmény mértékegységeire vonatkoznak:
P = IV
Ezt Ohm törvényével kombinálva más hasznos matematikai összefüggések keletkeznek, amelyek magukban foglalják az áram áramlását: P = I2R és P = V2/R. Ezek többek között azt mutatják, hogy rögzített áramszinten a teljesítmény arányos az ellenállással, míg ha a feszültség rögzített, akkor a teljesítményfordítvaarányos az ellenállással.
Míg a mozgó töltések (áram) mágneses teret indukálnak, a mágneses mező maga indukálhatja a feszültséget egy vezetékben.
Az áram típusai
- Egyenáram (DC):Ez akkor fordul elő, amikor az összes elektron folyamatosan ugyanabban az irányban áramlik. Ez a fajta áram az áramkörben, amely egy szabványos akkumulátorhoz van csatlakoztatva. Az akkumulátorok természetesen csak eltűnően kis mennyiségű energiát képesek szolgáltatni az emberi energiához a civilizáció, bár a napelemek területén folyamatosan fejlődő technológia a jobb potenciál ígéretét kínálja energia tároló.
- Váltakozó áram (AC):Itt az elektronok előre-hátra ingadoznak (bizonyos értelemben „ingadoznak”). Ezt a fajta áramot gyakran könnyebb előállítani egy erőműben, és kisebb energiaveszteséget eredményez nagy távolságban is, ezért ez a ma alkalmazott szabvány. A 21. század eleji szokásos ház minden villanykörtéjét és egyéb elektromos készülékét váltóáram táplálja.
AC esetén a feszültség szinuszos módon változik, és bármikor megadhatóta V = V kifejezéssel0bűn (2πft), aholV0a kezdeti feszültség ésfa frekvencia vagy a teljes feszültségciklusok száma (a maximumtól a minimumig a maximális értékig) másodpercenként.
Mérőáram
Az ampermérő olyan eszköz, amelyet az áram mérésére használnak soros - és soha nem párhuzamos - elektromos áramkörbe történő bekötésével. (Egy párhuzamos áramkörnek több vezetéke van a csomópontok között - más szóval, az áramforrásnál, a kondenzátoroknál és az ellenállásoknál - az áramkörben.) Azon az elven működik, hogy az áram azonos a kettő közötti vezeték minden részén csomópontok.
Az ampermérő ismert, alacsony belső ellenállással rendelkezik, és úgy van beállítva, hogy ateljes léptékű elhajlás(FSD) egy adott áramszinten, gyakran 0,015 A vagy 15 mA. Ha ismeri a feszültséget és manipulálja az ellenállást az ampermérő tolatásellenállás funkciójával, meghatározhatja az áramot; tudod, mi az aktuális áramlás értékekelleneOhm törvényét használja.
Példák elektromos áramra
1. Számítsa ki az elektronok sodródási sebességét egy hengeres rézdrótban, amelynek sugara 1 mm, vagy 0,001 m) 15 A-os áramot szállítanak, feltéve, hogy réz esetében n = 8,342 × 1028 e / m3.
I = neAv_d \ v_d = \ frac {I} {neA}
A területAa vezeték keresztmetszetének értéke πr2, vagy π (0,001)2 = 3.14 10-6 m2.
v_d = \ frac {I} {neA} = \ frac {15} {8.342 \ szor 10 ^ {28} \ szor -1.60 \ szor 10 ^ {- 19} \ szor 3.14 \ szor 10 ^ {- 6}} = -3,6 \ szor 10 ^ {- 4} \ text {m / s}
- A negatív előjel azt jelzi, hogy az irány ellentétes az áramlási áram irányával, ahogyan az az elektronok esetében várható.
2. Keresse meg az I áramot egy 120 V-os áramkörben, amelynek soros 2-Ω, 4-Ω és 6-Ω ellenállása van.
A soros ellenállások egyszerűen additívek (párhuzamos áramkörökben a teljes ellenállás összege az egyes ellenállási értékek reciprokjának összege). Így:
I = \ frac {V} {R} = \ frac {120} {2 + 4 + 6} = 10 \ szöveg {A}
3. Egy áramkör teljes ellenállása 15 Ω, áramárama 20 A. Mekkora az áram és a feszültség ebben az áramkörben?
P = I ^ 2R = 20 ^ 2 \ szor 15 = 6000 \ text {W} \ text {és} V = IR = 20 \ szor 15 = 300 \ text {V}