מטען חשמלי: איזו תגובה אוטומטית מייצר הביטוי הזה כשקוראים אותו? אולי תחושת עקצוץ או דימוי של בורג של תאורה שמפצל את השמיים? התצוגה הצבעונית של אורות מהבהבים בעיר כמו פריז או לאס וגאס? אולי אפילו חרק שאיכשהו זוהר בחושך כשהוא משתרע על פני אתר הקמפינג שלך?
עד למאות האחרונות, לא רק שלמדענים לא הייתה דרך למדוד את מהירות האור, הם לא ידעו אילו תופעות פיזיקליות עומדות בבסיסה של מה שמכונה כיום "חשמל" מלכתחילה. בשנות ה -18, הפיזיקאים קיבלו לראשונה הבנה של החלקיקים הזעירים המעורבים בזרימה הנוכחית (אלקטרונים חופשיים) וכן את טיב הכוחות המאלצים אותם לנוע. היה ברור שחשמל יכול להועיל במידה ניכרת אם ניתן יהיה "לייצר" אותו או "לתפוס" אותו והאנרגיה החשמלית הייתה משמשת לעבודה.
זרימת מטען חשמלית מתרחשת בקלות בחומרים המסווגים כחומרים מוליכים, בעוד שהוא מונע מאלו המכוניםמבודדים. בחוט מתכת כגון חוט נחושת, למשל, ניתן ליצור aהבדל פוטנציאליעל פני קצות החוט, גורם לזרימת מטען וליצור זרם.
הגדרת זרם חשמלי
זרם חשמליהוא קצב הזרימה הממוצע של מטען חשמלי (כלומר מטען ליחידת זמן) מעבר לנקודה בחלל. חיוב זה מתבצע על ידיאלקטרוניםנע דרך חוט במעגל חשמלי. ככל שמספר האלקטרונים שעובר מעבר לנקודה זו בשנייה, כך גודל הזרם גדול יותר.
יחידת ה- SI של הזרם היא אמפר (A), המכונה לעתים קרובות באופן לא רשמי "מגברים". המטען החשמלי עצמו נמדד בקולומבים (C).
- המטען באלקטרון יחיד הוא -11.60 × 10-19 C, בעוד זה על אפּרוֹטוֹןשווה בעוצמתו אךחִיוּבִיבסימן. מספר זה נחשב ל-מטען יסודי ה. יחידת הבסיס של האמפר היא אפוא קולומבים לשנייה (C / s).
לפי המוסכמה,זרם חשמלי זורם בכיוון ההפוך מזרימת האלקטרונים. הסיבה לכך היא שכיוון הזרם תואר לפני שהמדענים ידעו אילו מובילי מטען הם אלה שנעים בהשפעת שדה חשמלי. לכל מטרה מעשית, מטענים חיוביים הנעים לכיוון החיובי מציעים את אותו פיזי תוצאה (חישובית) כמטענים שליליים הנעים בכיוון השלילי כשמדובר בחשמל נוֹכְחִי.
אלקטרונים נעים לעבר מסוף חיובי במעגל חשמלי. לכן זרימת האלקטרונים, או המטען הנע, רחוקה מהמסוף השלילי. תנועת האלקטרונים בחוט נחושת או חומר מוליך אחר מייצרת גם אשדה מגנטישיש לו כיוון ועוצמה הנקבעים על ידי כיוון הזרם החשמלי ומכאן תנועת האלקטרונים; זהו העיקרון שעליואלקטרומגנטבנוי.
נוסחת זרם חשמלי
עבור התרחיש הבסיסי הנוכחי של מטען העובר דרך חוט, הנוסחה לזרם ניתנת על ידי:
אני = neAv_d
איפהנהוא מספר החיובים למטר מעוקב (מ '3), ההוא המטען הבסיסי,אהוא שטח החתך של החוט, וvדהאם המהירות סחיפה.
למרות שלזרם יש גם כיוון וגם כיוון, מדובר בכמות סקלרית ולא בכמות וקטורית, מכיוון שהוא אינו מציית לחוקי תוספת הווקטור.
נוסחת החוק של אוהם
חוק אוהםנותן נוסחה לקביעת הזרם שיזרום דרך מוליך:
אני- \ frac {V} {R}
איפהוהאם המתח, אוהבדל פוטנציאל חשמלי, נמדד בוולט, ורהוא החשמליהִתנַגְדוּתלזרם הנוכחי, נמדד באוהם (Ω).
חשוב על מתח כעל "כוח משיכה" (אם כי "כוח אלקטרומוטורי" זה אינו כוח ממש) ספציפי למטענים חשמליים. כאשר מטענים הפוכים מופרדים, הם נמשכים זה לזה באופן שמצטמצם ככל שהמרחק הולך וגובר ביניהם. זה מקביל באופן רופף לאנרגיה פוטנציאלית של כוח המשיכה במכניקה הקלאסית; כוח הכבידה "רוצה" שדברים גבוהים ייפלו לכדור הארץ, והמתח "רוצה" מטענים מופרדים (הפוכים) שיבואו יחד.
הסבר על מתח
וולט שווה ערך לג'אול לכל קולומב, או J / C. לפיכך יש להם יחידות אנרגיה לכל מטען יחידה. מתח הזמנים הנוכחי נותן לפיכך יחידות של (C / s) (J / C) = (J / s), המתורגמות ליחידות של (במקרה זה חשמל) כוח:
P = IV
שילוב זה עם חוק אוהם מוליד קשרים מתמטיים שימושיים אחרים הכרוכים בזרימת הזרם: P = I2R ו- P = V.2/R. אלה מראים, בין היתר, כי ברמה קבועה של זרם, ההספק הוא פרופורציונלי להתנגדות, ואילו אם המתח הוא קבוע, ההספק הואבְּיַחַס הָפוּךפרופורציונלי להתנגדות.
בזמן שמטענים נעים (זרם) גורמים לשדה מגנטי, שדה מגנטי יכול בעצמו לגרום למתח בחוט.
סוגי זרם
- זרם ישר (DC):זה קורה כאשר כל האלקטרונים זורמים ברציפות באותו כיוון. זהו סוג הזרם במעגל המחובר לסוללה רגילה. סוללות, כמובן, יכולות ומספקות רק כמות קטנה ונעלמת מהאנרגיה הנדרשת להנעת בני אדם הציוויליזציה, אם כי הטכנולוגיה המשתפרת תמיד בתחום תאי השמש מציעה הבטחה לפוטנציאל טוב יותר עבור אחסון אנרגיה.
- זרם חילופין (AC):כאן, אלקטרונים מתנדנדים קדימה ואחורה ("להתנועע", במובן מסוים) במהירות רבה. לעיתים קרובות קל יותר לייצר סוג זה של זרם בתחנת כוח, והוא גם גורם לאובדן אנרגיה פחות על פני מרחק גדול, ולכן זהו הסטנדרט הנהוג כיום. כל נורה ומכשירים חשמליים אחרים בבית רגיל בתחילת המאה ה -21 מופעלים על ידי זרם חילופין.
עם זרם חילופין, המתח משתנה באופן סינוסי, והוא ניתן בכל עתtעל ידי הביטוי V = V0חטא (2πft), איפהו0הוא המתח ההתחלתי וfהוא התדירות, או מספר המחזורים המלאים של המתח (מקסימום עד מינימום חזרה לערך המרבי) בכל שנייה.
מדידת זרם
מד זרם הוא מכשיר המשמש למדידת זרם על ידי חיבורו בסדרה - ולעולם לא במקביל - במעגל חשמלי. (במעגל מקביל יש חוטים מרובים בין הצמתים - במילים אחרות, במקור החשמל, בקבלים ובנגדים במעגל.) הוא פועל על פי העיקרון שהזרם זהה דרך כל חלקי החוט בין שניים צמתים.
למד זרם יש התנגדות פנימית ידועה ונמוכה והוא מוגדר לתתסטיה בקנה מידה מלא(FSD) ברמה הנוכחית הנתונה, לעתים קרובות 0.015 A או 15 mA. אם אתה יודע את המתח ומתפעל את ההתנגדות באמצעות פונקציית ההתנגדות של המד זרם, אתה יכול לקבוע את הזרם; אתה יודע מה הערך של הזרם הנוכחיצריךמשתמש בחוק אוהם.
דוגמאות לזרם חשמלי
1. חישוב מהירות הסחיפה של אלקטרונים בחוט נחושת גלילי ברדיוס של 1 מ"מ, או 0.001 מ ') הנושא זרם 15-A, בהתחשב בכך שנחושת, n = 8.342 × 1028 e / m3.
I = neAv_d \ מרמז v_d = \ frac {I} {neA}
האזוראשל חתך החוט הוא πr2, או π (0.001)2 = 3.14 10-6 M2.
v_d = \ frac {I} {neA} = \ frac {15} {8.342 \ times 10 ^ {28} \ times -1.60 \ times 10 ^ {- 19} \ times 3.14 \ times 10 ^ {- 6}} = -3.6 \ פעמים 10 ^ {- 4} \ text {m / s}
- הסימן השלילי מציין כי הכיוון הוא כנגד זרימת הזרם, כצפוי לאלקטרונים.
2. מצא את הזרם I במעגל 120 וולט שיש בו נגדים 2-Ω, 4-Ω ו- 6-Ω בסדרה.
נגדים בסדרה הם פשוט תוספים (במעגלים מקבילים סכום ההתנגדות הכוללת הוא סכום ההדדיות של ערכי ההתנגדות האינדיבידואליים). לכן:
I = \ frac {V} {R} = \ frac {120} {2 + 4 + 6} = 10 \ text {A}
3. למעגל התנגדות כוללת של 15 Ω וזרימת זרם של 20 A. מה הכוח והמתח במעגל זה?
P = I ^ 2R = 20 ^ 2 \ פעמים 15 = 6,000 \ טקסט {W} \ טקסט {ו} V = IR = 20 \ פעמים 15 = 300 \ טקסט {V}