Įtampa, srovė, varža ir omo įstatymas: 5 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:49

Apimta šioje pamokoje

Kaip elektros krūvis susijęs su įtampa, srove ir atsparumu.

Kokia yra įtampa, srovė ir varža.

Kas yra Omo dėsnis ir kaip jį naudoti norint suprasti elektrą.

Paprastas eksperimentas, parodantis šias sąvokas.

1 žingsnis: elektrinis įkrovimas

Elektros krūvis yra fizinė materijos savybė, dėl kurios ji patiria jėgą, kai patenka į elektromagnetinį lauką. Yra dviejų tipų elektros krūviai: teigiamas ir neigiamas (dažniausiai nešami atitinkamai protonų ir elektronų). Kaip ir mokesčiai atstumia ir skirtingai pritraukia. Grynojo mokesčio nebuvimas vadinamas neutraliu. Objektas yra neigiamai įkrautas, jei jame yra elektronų perteklius, ir kitaip teigiamai įkrautas arba neįkrautas. SI išvestinis elektros krūvio vienetas yra kulonas (C). Elektros inžinerijoje taip pat įprasta naudoti ampervalandę (Ah); chemijoje įprasta naudoti elementinį krūvį (e) kaip vienetą. Simbolis Q dažnai reiškia krūvį. Ankstyvos žinios apie įkrautų medžiagų sąveiką dabar vadinamos klasikine elektrodinamika ir vis dar tikslios problemoms, kurioms nereikia atsižvelgti į kvantinius efektus.

Elektros krūvis yra esminė išsaugota kai kurių subatominių dalelių savybė, lemianti jų elektromagnetinę sąveiką. Elektra įkrautas medžiagas veikia arba sukuria elektromagnetiniai laukai. Judančio krūvio ir elektromagnetinio lauko sąveika yra elektromagnetinės jėgos, kuri yra viena iš keturių pagrindinių jėgų, šaltinis (taip pat žiūrėkite: magnetinis laukas).

Dvidešimtojo amžiaus eksperimentai parodė, kad elektros krūvis yra kvantuojamas; tai yra, jis pateikiamas atskirų mažų vienetų, vadinamų elementariu krūviu, sveikųjų skaičių kartotiniais, e, maždaug lygus 1,602 × 10–19 kulonų (išskyrus daleles, vadinamas kvarkais, kurių krūviai yra sveiki 1/3e kartotiniai). Protono krūvis yra +e, o elektrono - −e. Įkrautų dalelių tyrimas ir tai, kaip jų sąveiką tarpininkauja fotonai, vadinamas kvantine elektrodinamika.

2 žingsnis: įtampa

Įtampa, elektrinio potencialo skirtumas, elektros slėgis arba elektrinė įtampa (oficialiai žymima ∆V arba ∆U, bet dažniau supaprastinta kaip V arba U, pavyzdžiui, atsižvelgiant į Ohmo ar Kirchhoffo grandinės įstatymus) yra elektros potencialios energijos skirtumas tarp dviejų taškų už elektros krūvio vienetą. Įtampa tarp dviejų taškų yra lygi darbui, atliktam vienam įkrovos vienetui prieš statinį elektrinį lauką, kad bandymo krūvis būtų perkeltas tarp dviejų taškų. Tai matuojama voltų vienetais (džaulis per kuloną).

Įtampa gali atsirasti dėl statinių elektrinių laukų, elektros srovės per magnetinį lauką, dėl laiko kintančių magnetinių laukų arba tam tikro šių trijų derinių. [1] [2] Voltmetru galima matuoti įtampą (arba potencialų skirtumą) tarp dviejų sistemos taškų; dažnai kaip vienas iš taškų naudojamas bendras atskaitos potencialas, pvz., sistemos pagrindas. Įtampa gali būti energijos šaltinis (elektromotorinė jėga) arba prarasta, panaudota ar kaupiama energija (potencialus kritimas)

Apibūdinant įtampą, srovę ir varžą, įprasta analogija yra vandens bakas. Šioje analogijoje krūvį vaizduoja vandens kiekis, įtampą - vandens slėgis, o srovę - vandens srautas. Taigi dėl šios analogijos prisiminkite:

Vanduo = mokestis

Slėgis = įtampa

Srautas = srovė

Apsvarstykite vandens rezervuarą tam tikrame aukštyje virš žemės. Šio rezervuaro apačioje yra žarna.

Taigi, srovė yra mažesnė rezervuare su didesniu atsparumu.

3 žingsnis: elektra

Elektra yra elektros krūvio buvimas ir srautas. Labiausiai žinoma jo forma yra elektronų srautas per laidininkus, tokius kaip variniai laidai.

Elektra yra energijos forma, kuri yra teigiama ir neigiama, kuri atsiranda natūraliai (kaip žaibas) arba gaminama (kaip generatorius). Tai yra energijos forma, kurią mes naudojame mašinoms ir elektros prietaisams maitinti. Kai krūviai nejuda, elektra vadinama statine. Kai krūviai juda, jie yra elektros srovė, kartais vadinama „dinamiška elektra“. Žaibas yra labiausiai žinoma ir pavojingiausia elektros rūšis gamtoje, tačiau kartais dėl statinės elektros susikabina daiktai.

Elektra gali būti pavojinga, ypač aplink vandenį, nes vanduo yra laidininkas. Nuo XIX amžiaus elektros energija buvo naudojama kiekviename mūsų gyvenimo etape. Iki tol tai buvo tik smalsumas, matomas perkūnijoje.

Elektra gali būti sukurta, jei magnetas praeina arti metalinės vielos. Tai yra generatoriaus naudojamas metodas. Didžiausi generatoriai yra elektrinėse. Elektra taip pat gali būti gaminama sujungiant chemines medžiagas į stiklainį su dviejų skirtingų tipų metaliniais strypais. Šis metodas naudojamas akumuliatoriuje. Statinė elektra susidaro dėl trinties tarp dviejų medžiagų. Pavyzdžiui, vilnonis dangtelis ir plastikinė liniuotė. Sutrinkite juos kartu, gali atsirasti kibirkštis. Elektra taip pat gali būti gaminama naudojant saulės energiją, kaip ir fotovoltiniuose elementuose.

Elektra į namus atkeliauja laidais iš tos vietos, kur ji gaminama. Jį naudoja elektros lempos, elektriniai šildytuvai ir kt. Daugelis buitinių prietaisų, tokių kaip skalbimo mašinos ir elektrinės viryklės, naudoja elektrą. Gamyklose yra elektros energijos mašinos. Žmonės, kurie mūsų namuose ir gamyklose užsiima elektra ir elektros prietaisais, vadinami „elektrikais“.

Tarkime, dabar turime dvi cisternas, kurių kiekviena su žarna ateina iš apačios. Kiekviename rezervuare yra lygiai toks pat vandens kiekis, tačiau vieno bako žarna yra siauresnė nei kitos žarnos.

Mes matuojame tą patį slėgį bet kurios žarnos gale, bet kai vanduo pradeda tekėti, vandens srautas bake su siauresne žarna bus mažesnis už vandens srautą bake su platesnė žarna. Elektros požiūriu srovė per siauresnę žarną yra mažesnė nei srovė per platesnę žarną. Jei norime, kad srautas būtų vienodas per abi žarnas, turime padidinti vandens (įkrovimo) kiekį bake su siauresne žarna.

4 žingsnis: elektrinė varža ir laidumas

Hidraulinėje analogijoje srovė, tekanti per laidą (arba rezistorių), yra kaip vanduo, tekantis per vamzdį, o įtampos kritimas per laidą yra kaip slėgio kritimas, kuris stumia vandenį per vamzdį. Laidumas yra proporcingas tam tikro slėgio srautui, o pasipriešinimas yra proporcingas tam, kiek slėgio reikia tam tikram srautui pasiekti. (Laidumas ir pasipriešinimas yra abipusiai.)

Įtampos kritimas (ty skirtumas tarp įtampos vienoje rezistoriaus pusėje ir kitoje), o ne pati įtampa, suteikia varomąją jėgą, stumiančią srovę per rezistorių. Hidraulika yra panaši: dviejų vamzdžio pusių slėgio skirtumas, o ne pats slėgis, lemia srautą per jį. Pavyzdžiui, virš vamzdžio gali būti didelis vandens slėgis, kuris bando stumti vandenį žemyn per vamzdį. Tačiau žemiau vamzdžio gali būti toks pat didelis vandens slėgis, kuris bando stumti vandenį atgal per vamzdį. Jei slėgis yra vienodas, vanduo neteka. (Dešinėje esančiame paveikslėlyje vandens slėgis žemiau vamzdžio yra lygus nuliui.)

Vielos, rezistoriaus ar kito elemento varžą ir laidumą dažniausiai lemia dvi savybės:

• geometrija (forma) ir
• medžiaga

Geometrija yra svarbi, nes vandenį per ilgą, siaurą vamzdį išstumti sunkiau nei platų, trumpą. Lygiai taip pat ilga, plona varinė viela turi didesnį atsparumą (mažesnį laidumą) nei trumpa, stora varinė viela.

Medžiagos taip pat yra svarbios. Vamzdis, pripildytas plaukų, labiau riboja vandens tekėjimą nei švarus tos pačios formos ir dydžio vamzdis. Panašiai elektronai gali laisvai ir lengvai tekėti per varinę vielą, bet negali tekėti taip lengvai per tos pačios formos ir dydžio plieninę vielą, ir jie iš esmės negali tekėti per izoliatorių, pavyzdžiui, gumą, nepriklausomai nuo jo formos. Skirtumas tarp vario, plieno ir gumos yra susijęs su jų mikroskopine struktūra ir elektronų konfigūracija ir yra kiekybiškai įvertinamas pagal savybę, vadinamą varžą.

Be geometrijos ir medžiagos, yra ir kitų veiksnių, turinčių įtakos atsparumui ir laidumui.

Savaime suprantama, kad mes negalime sutalpinti tiek tūrio per siaurą vamzdį, kaip ir platesnis tuo pačiu slėgiu. Tai yra pasipriešinimas. Siauras vamzdis „priešinasi“vandens srautui per jį, nors vanduo yra tokio paties slėgio kaip ir bakas su platesniu vamzdžiu.

Elektriniu požiūriu tai reiškia dvi grandinės, turinčios vienodą įtampą ir skirtingą varžą. Grandinė su didesniu pasipriešinimu leis tekėti mažiau įkrovimo, tai reiškia, kad grandinė su didesniu pasipriešinimu teka mažiau srovės.

5 žingsnis: Omo įstatymas

Omo dėsnis teigia, kad srovė per laidininką tarp dviejų taškų yra tiesiogiai proporcinga įtampai abiejuose taškuose. Pristatant proporcingumo konstantą, pasipriešinimą, prieinama prie įprastos matematinės lygties, apibūdinančios šį santykį:

kur I yra srovė per laidininką amperų vienetais, V yra įtampa, išmatuota per laidininką voltų vienetais, o R - laidininko varža omų vienetais. Tiksliau, Ohmo įstatymas teigia, kad R šiame santykyje yra pastovus, nepriklausomas nuo srovės.

Įstatymas buvo pavadintas vokiečių fiziko Georgo Ohmo garbei, kuris 1827 m. Paskelbtame traktate aprašė taikomos įtampos ir srovės matavimus per paprastas elektros grandines, kuriose buvo įvairaus ilgio viela. Ohmas savo eksperimentinius rezultatus paaiškino kiek sudėtingesne lygtimi nei aukščiau pateikta šiuolaikinė forma (žr. Istorija).

Fizikoje Ohmo dėsnio terminas taip pat vartojamas įvairiems teisės apibendrinimams, kuriuos iš pradžių suformulavo Ohmas, apibūdinti.