Elektrinis krūvis: kokią automatinę reakciją sukelia ta frazė, kai ją skaitote? Tikriausiai dilgčiojantis pojūtis ar dangų skaldančio apšvietimo varžto vaizdas? Spalvingas mirksinčių šviesų demonstravimas tokiame mieste kaip Paryžius ar Las Vegasas? Galbūt net vabzdys, kuris kažkaip šviečia tamsoje, eidamas per jūsų stovyklavietę?
Iki pastarųjų šimtmečių mokslininkai ne tik negalėjo išmatuoti šviesos greičio, bet ir neįsivaizdavo, kokie fiziniai reiškiniai pirmiausia yra tai, kas dabar vadinama „elektra“. XIX a. Dešimtmetyje fizikai pirmą kartą įgijo supratimą apie mažas daleles, dalyvaujančias srovės sraute (laisvieji elektronai), taip pat jėgų, verčiančių jas judėti, pobūdį. Buvo aišku, kad elektra gali padaryti daug naudos, jei ji gali būti saugiai „pagaminta“ ar „sugaudyta“ ir elektros energija naudojama darbams atlikti.
Elektros krūvio srautas lengvai atsiranda medžiagose, klasifikuojamose kaiplaidžios medžiagos, o tai trukdo tiems, kurie žinomi kaipizoliatoriai. Pavyzdžiui, metalinėje vieloje, tokioje kaip varinė viela, galima sukurti a
Elektros srovės apibrėžimas
Elektros srovėyra vidutinis elektros krūvio (t. y. įkrovos per laiko vienetą) srauto greitis pro kosmoso tašką. Šį mokestį nešaelektronaijuda per laidą elektros grandinėje. Kuo didesnis elektronų skaičius, judantis pro šį tašką per sekundę, tuo didesnis srovės dydis.
SI srovės vienetas yra amperas (A), dažnai neoficialiai vadinamas „ampere“. Pats elektros krūvis matuojamas kulonomis (C).
- Vieno elektrono krūvis yra –1,60 × 10-19 C, tuo tarpu aprotonasyra vienodo dydžio, betteigiamasženkle. Šis skaičius laikomaspagrindinis mokestis e. Todėl pagrindinis ampero vienetas yra kulonai per sekundę (C / s).
Pagal susitarimą,elektros srovė teka priešinga elektronų srauto kryptimi. Taip yra todėl, kad srovės kryptis buvo aprašyta anksčiau, nei mokslininkai žinojo, kurie krūvininkai yra tie, kurie juda veikiami elektrinio lauko. Visais praktiniais tikslais teigiami krūviai, judantys teigiama linkme, siūlo tą patį fizinį (skaičiavimo) rezultatas, kai neigiami krūviai juda neigiama linkme, kai kalbama apie elektrinius srovė.
Elektronai juda link teigiamo elektros grandinės gnybto. Todėl elektronų srautas arba judantis krūvis yra toli nuo neigiamo terminalo. Elektronų judėjimas varine viela ar kita laidžia medžiaga taip pat sukuria amagnetinis laukaskuri turi kryptį ir dydį, nustatytą elektros srovės krypties, taigi ir elektronų judėjimo; tai yra principas, kuriuo vadovaujantiselektromagnetasyra pastatytas.
Elektros srovės formulė
Pagrindiniam įprastam srovės scenarijui, judančiam per laidą, srovės formulę pateikia:
Aš = neAv_d
kurnyra įkrovimų skaičius už kubinį metrą (m3), eyra pagrindinis mokestis,Ayra laido skerspjūvio plotas irvdyradreifo greitis.
Nors srovė turi ir dydį, ir kryptį, ji yra skaliarinis dydis, o ne vektorinis dydis, nes nepaklūsta vektorių dėsnių dėsniams.
Ohmo įstatymo formulė
Ohmo įstatymaspateikia formulę, skirtą srovei, tekančiai per laidininką, nustatyti:
Aš- \ frac {V} {R}
kurVyraĮtampaarbaelektrinio potencialo skirtumas, matuojamas voltais, irRyra elektrinispasipriešinimasiki srovės srauto, išmatuotoomai (Ω).
Pagalvokite apie įtampą kaip apie „krūvio jėgą“ (nors ši „elektromotorinė jėga“ nėra tiesioginė jėga), būdinga elektriniams krūviams. Atskyrus priešingus krūvius, jie traukia vienas kitą taip, kad mažėja didėjant atstumui tarp jų. Tai yra laisvai analogiška gravitacijos potencialo energijai klasikinėje mechanikoje; gravitacija „nori“, kad aukšti dalykai patektų į Žemę, o įtampa „nori“, kad atskiri (priešingi) krūviai sugriūtų kartu.
Įtampa paaiškinta
Voltai prilygsta džauliams kulonui arba J / C. Taigi jie turi energijos vienetus įkrovos vienetui. Taigi dabartinis įtampos laikas suteikia (C / s) (J / C) = (J / s) vienetus, kurie reiškia (šiuo atveju elektros) galios vienetus:
P = IV
Derinant tai su Ohmo dėsniu, atsiranda kiti naudingi matematiniai ryšiai, susiję su srovės srautu: P = I2R ir P = V2/R. Tai, be kita ko, rodo, kad esant fiksuotam srovės lygiui, galia yra proporcinga varžai, o jei įtampa yra fiksuota, galia yraatvirkščiaiproporcingas pasipriešinimui.
Judantys krūviai (srovė) sukelia magnetinį lauką, tačiau magnetinis laukas pats gali sukelti įtampą laide.
Srovės tipai
- Nuolatinė srovė (DC):Tai atsitinka, kai visi elektronai nuolat teka ta pačia kryptimi. Tai yra srovės tipas grandinėje, prijungtoje prie standartinės baterijos. Akumuliatoriai, be abejo, gali tiekti ir išnykti tik nedidelį energijos kiekį, reikalingą žmogui maitinti civilizacija, nors nuolat tobulėjančios technologijos saulės elementų srityje žada geresnį potencialą energijos kaupimas.
- Kintama srovė (AC):Čia elektronai labai greitai svyruoja pirmyn ir atgal ("tam tikra prasme" wiggle "). Tokio tipo srovę dažnai lengviau generuoti jėgainėje, be to, dėl to didesniu atstumu mažėja energijos nuostoliai, todėl šiandien tai yra standartas. Kiekviena elektros lemputė ir kiti elektros prietaisai standartiniame XXI amžiaus pradžios namuose yra maitinami kintamosios srovės.
Esant kintamajai srovei, įtampa keičiama sinusiniu būdu ir ji suteikiama bet kuriuo metutposakiu V = V0nuodėmė (2πft), kurV0yra pradinė įtampa irfyra dažnis arba užbaigtų įtampos ciklų skaičius (nuo didžiausios iki mažiausios iki didžiausios vertės) per kiekvieną sekundę.
Matavimo srovė
Ampermetras yra įtaisas, naudojamas srovei matuoti, jungiant jį nuosekliai ir niekada lygiagrečiai - elektros grandinėje. (Lygiagrečioje grandinėje yra keli laidai tarp jungčių - kitaip tariant, prie maitinimo šaltinio, kondensatorių ir rezistorių - grandinėje.) Jis veikia pagal principą, kad srovė yra vienoda per visas laido dalis tarp dviejų sankryžos.
Ampermetras turi žinomą, mažą vidinį atsparumą ir yra nustatytas taip, kad gautų aviso masto įlinkis(FSD) esant tam tikram srovės lygiui, dažnai 0,015 A arba 15 mA. Jei žinote įtampą ir manipuliuojate pasipriešinimu naudodamiesi ampermetro šunto pasipriešinimo funkcija, galite nustatyti srovę; jūs žinote, kokia yra dabartinio srauto vertėturėtųnaudoti Ohmo įstatymą.
Elektros srovės pavyzdžiai
1. Apskaičiuokite elektronų dreifo greitį cilindrinėje varinėje vieloje, kurios spindulys yra 1 mm arba 0,001 m), veikiančioje 15 A srovę, atsižvelgiant į tai, kad vario atveju n = 8,342 × 1028 e / m3.
I = neAv_d \ reiškia v_d = \ frac {I} {neA}
PlotasAlaido skerspjūvio yra πr2arba π (0,001)2 = 3.14 10-6 m2.
v_d = \ frac {I} {neA} = \ frac {15} {8,342 \ kartus 10 ^ {28} \ kartus -1,60 \ kartus 10 ^ {- 19} \ kartus 3,14 \ kartus 10 ^ {- 6}} = -3,6 \ karto 10 ^ {- 4} \ text {m / s}
- Neigiamas ženklas rodo, kad kryptis yra priešinga srovės srautui, kaip tikimasi elektronams.
2. Raskite srovę I 120 V grandinėje, kurioje nuosekliai yra 2-Ω, 4-Ω ir 6-Ω rezistoriai.
Rezistoriai nuosekliai yra tiesiog adityvūs (lygiagrečiose grandinėse viso pasipriešinimo suma yra atskirų pasipriešinimo verčių grįžtamųjų suma). Taigi:
I = \ frac {V} {R} = \ frac {120} {2 + 4 + 6} = 10 \ tekstas {A}
3. Grandinės bendra varža yra 15 Ω, o srovės srautas - 20 A. Kokia yra šios grandinės galia ir įtampa?
P = I ^ 2R = 20 ^ 2 \ kartus 15 = 6000 \ text {W} \ text {ir} V = IR = 20 \ times 15 = 300 \ text {V}