Elektriskais lādiņš: Kādu automātisku reakciju rada šī frāze, kad jūs to lasāt? Varbūt tirpšana vai apgaismojuma skrūves attēls, kas šķeļ debesis? Krāsains mirgojošu gaismu displejs pilsētā, piemēram, Parīzē vai Lasvegasā? Varbūt pat kukainis, kas kaut kā spīd tumsā, virzoties pāri jūsu kempingam?
Līdz pēdējiem gadsimtiem zinātniekiem bija ne tikai veids, kā izmērīt gaismas ātrumu, bet arī nebija ne jausmas, kādas fiziskas parādības pamatā ir tas, ko tagad sauc par "elektrību". 1800. gados fiziķi vispirms ieguva izpratni par sīkajām daļiņām, kas iesaistītas pašreizējā plūsmā (brīvie elektroni), kā arī par to spēku raksturu, kas viņus mudina kustēties. Bija skaidrs, ka elektrība var dot ievērojamu labumu, ja to var droši "izgatavot" vai "uztvert" un elektrisko enerģiju izmantot darbu veikšanai.
Elektriskā lādiņa plūsma viegli rodas vielās, kas klasificētas kāvadoši materiāli, kamēr to kavē tie, kas pazīstami kāizolatori. Piemēram, metāla stieplē, piemēram, vara stieplē, ir iespējams izveidotiespējamā atšķirībapāri stieples galiem, izraisot lādiņa plūsmu un radot strāvu.
Elektriskās strāvas definīcija
Elektriskā strāvair elektriskā lādiņa (t.i., lādiņa laika vienībā) vidējais plūsmas ātrums garām kosmosa punktam. Šo maksu neselektronipārvietojoties pa vadu elektriskajā ķēdē. Jo lielāks elektronu skaits, kas sekundē pārvietojas gar šo punktu, jo lielāks ir strāvas lielums.
SI strāvas vienība ir ampērs (A), ko bieži neoficiāli sauc par "ampēriem". Pats elektriskais lādiņš tiek mērīts kulonās (C).
- Viena elektrona lādiņš ir –1,60 × 10-19 C, bet uz aprotonsir vienāda pēc lieluma, betpozitīvszīmē. Šis skaitlis tiek uzskatīts parfundamentāla maksa e. Tāpēc ampēra pamatvienība ir kuloni sekundē (C / s).
Pēc vienošanāselektriskā strāva plūst pretējā virzienā elektronu plūsmai. Tas ir tāpēc, ka strāvas virziens tika aprakstīts, pirms zinātnieki zināja, kuri lādiņa nesēji ir tie, kas pārvietojas elektriskā lauka ietekmē. Visiem praktiskiem mērķiem pozitīvie lādiņi, kas virzās pozitīvajā virzienā, piedāvā to pašu fizisko (skaitļošanas) rezultāts, negatīviem lādiņiem virzoties negatīvā virzienā, kad runa ir par elektrisko pašreizējais.
Elektroni virzās uz pozitīvu spaili elektriskajā ķēdē. Tāpēc elektronu plūsma jeb kustīgais lādiņš atrodas prom no negatīvā gala. Elektronu kustība vara stieplē vai citā vadošā materiālā rada arī amagnētiskais laukskam ir virziens un lielums, ko nosaka elektriskās strāvas virziens un līdz ar to elektronu kustība; tas ir princips, pēc kuraelektromagnētsir uzcelta.
Elektriskās strāvas formula
Parastajam pašreizējam scenārijam, kad lādiņš pārvietojas pa vadu, strāvas formulu izsaka šādi:
Es = neAv_d
kurnir lādiņu skaits uz kubikmetru (m3), eir pamata maksa,Air stieples šķērsgriezuma laukums unvdirdreifēšanas ātrums.
Lai gan strāvai ir gan lielums, gan virziens, tas ir skalārs lielums, nevis vektora lielums, jo tas nepakļaujas vektoru pievienošanas likumiem.
Ohma likuma formula
Ohma likumsdod formulu strāvas noteikšanai, kas plūst caur vadītāju:
I- \ frac {V} {R}
kurVirspriegumsvaielektriskā potenciāla starpība, mērot voltos, unRir elektriskāpretestībalīdz pašreizējai plūsmai, mērotomi (Ω).
Iedomājieties spriegumu kā "vilkšanas spēku" (lai gan šis "elektromotora spēks" nav burtiski spēks), kas raksturīgs elektriskiem lādiņiem. Atdalot pretējus lādiņus, tie tiek piesaistīti viens otram tādā veidā, kas samazinās, palielinoties attālumam starp tiem. Tas ir brīvi līdzīgs gravitācijas potenciālajai enerģijai klasiskajā mehānikā; gravitācija "vēlas", lai augstas lietas nokristu uz Zemes, un spriegums "vēlas", lai atdalītie (pretējie) lādiņi sabruktu kopā.
Spriegums izskaidrots
Volti ir ekvivalenti džouliem uz kulona vai J / C. Tādējādi viņiem ir enerģijas vienības uz lādiņa vienību. Tādējādi pašreizējais spriegums dod (C / s) (J / C) = (J / s) vienības, kas nozīmē (šajā gadījumā elektriskās) jaudas vienības:
P = IV
Apvienojot to ar Ohma likumu, rodas citas noderīgas matemātiskas attiecības, kas saistītas ar strāvas plūsmu: P = I2R un P = V2/R. Tie cita starpā parāda, ka fiksētā strāvas līmenī jauda ir proporcionāla pretestībai, turpretī, ja spriegums ir fiksēts, jauda irapgrieztiproporcionāls pretestībai.
Kamēr kustīgi lādiņi (strāva) inducē magnētisko lauku, magnētiskais lauks pats var izraisīt spriegumu vadā.
Strāvas veidi
- Tiešā strāva (DC):Tas notiek, kad visi elektroni nepārtraukti plūst vienā virzienā. Šis ir strāvas veids ķēdē, kas savienota ar standarta akumulatoru. Baterijas, protams, var piegādāt un izdod tikai izzūdoši nelielu enerģijas daudzumu, kas vajadzīgs cilvēka darbināšanai civilizācija, kaut arī arvien labākas tehnoloģijas saules elementu jomā piedāvā solījumu par labāku potenciālu enerģijas uzkrāšana.
- Maiņstrāva (maiņstrāva):Šeit elektroni ļoti ātri svārstās uz priekšu un atpakaļ ("savā ziņā" grozās "). Šāda veida strāvu bieži ir vieglāk radīt spēkstacijā, kā arī tas rada mazāk enerģijas zudumu lielā attālumā, tāpēc tas ir mūsdienās izmantotais standarts. Katru spuldzi un citas elektroierīces standarta 21. gadsimta sākuma mājās darbina maiņstrāva.
Ar maiņstrāvu spriegums tiek mainīts sinusoidālā veidā un tiek dots jebkurā laikātar izteicienu V = V0grēks (2πft), kurV0ir sākotnējais spriegums unfir pilns sprieguma ciklu skaits vai skaits (maksimums līdz minimumam atpakaļ līdz maksimālajai vērtībai) katrā sekundē.
Mērot strāvu
Ammetrs ir ierīce, ko izmanto strāvas mērīšanai, savienojot to virknē - un nekad paralēli - elektriskajā ķēdē. (Paralēlajai ķēdei ir vairāki vadi starp krustojumiem - citiem vārdiem sakot, pie strāvas avota, kondensatoriem un rezistoriem - ķēdē.) Tas darbojas pēc principa, ka strāva ir vienāda caur visām stieples daļām starp divām krustojumi.
Ammetram ir zināma, zema iekšējā pretestība, un tas ir izveidots, lai iegūtu apilna mēroga novirze(FSD) noteiktā pašreizējā līmenī, bieži vien 0,015 A vai 15 mA. Ja jūs zināt spriegumu un manipulējat ar pretestību, izmantojot ampērmetra šunta pretestības funkciju, varat noteikt strāvu; jūs zināt, kāda ir pašreizējās plūsmas vērtībavajadzētuizmantojot Ohma likumu.
Elektriskās strāvas piemēri
1. Aprēķiniet elektronu novirzīšanās ātrumu cilindriskā vara stieplē ar 1 mm vai 0,001 m rādiusu, pārvadājot 15 A strāvu, ņemot vērā, ka vara gadījumā n = 8,342 × 1028 e / m3.
I = neAv_d \ nozīmē v_d = \ frac {I} {neA}
PlatībaAno stieples šķērsgriezuma ir πr2vai π (0,001)2 = 3.14 10-6 m2.
v_d = \ frac {I} {neA} = \ frac {15} {8,342 \ reizes 10 ^ {28} \ reizes -1,60 \ reizes 10 ^ {- 19} \ reizes 3,14 \ reizes 10 ^ {- 6}} = -3,6 \ reizes 10 ^ {- 4} \ teksts {m / s}
- Negatīvā zīme norāda, ka virziens ir pretrunā ar strāvas plūsmas virzienu, kā paredzēts elektroniem.
2. Atrodiet strāvu I 120 V ķēdē, kurai sērijveidā ir 2-Ω, 4-Ω un 6-Ω rezistori.
Rezistori virknē ir vienkārši papildinoši (paralēlās ķēdēs kopējās pretestības summa ir individuālo pretestības vērtību atgriezenisko summu summa). Tādējādi:
I = \ frac {V} {R} = \ frac {120} {2 + 4 + 6} = 10 \ teksts {A}
3. Ķēdes kopējā pretestība ir 15 Ω un strāvas plūsma ir 20 A. Kāda ir jauda un spriegums šajā ķēdē?
P = I ^ 2R = 20 ^ 2 \ reizes 15 = 6000 \ text {W} \ text {un} V = IR = 20 \ reizes 15 = 300 \ text {V}