Što pokazuje struja. Napon i struja

Definicija 1

Struja je proces tijekom kojeg se (pod izravnim utjecajem električnog polja) počinje odvijati gibanje nekih nabijenih čestica.

Takve nabijene čestice mogu biti različiti elementi (sve će ovisiti o situaciji). U slučaju vodiča, na primjer, elektroni će djelovati kao takve čestice.

Pojam jakosti struje

Jakost električne struje predstavljat će veličinu koja karakterizira redoslijed kretanja električnih naboja, brojčano jednaku količini naboja $\delta q$, koji u ovom slučaju teče kroz određenu površinu $S$ (koja predstavlja presjek vodiča) po jedinici vremena:

$I=\frac(\delta q)(\delta t)$

Da bi se odredila jakost struje $I$, potrebno je električni naboj $\delta q$ koji prolazi poprečnim presjekom vodiča tijekom vremena $\delta t$ podijeliti s tim vremenom.

Jakost struje ovisit će o naboju svih čestica, brzini njihovog kretanja usmjerenog u određenom smjeru i površini poprečnog presjeka vodiča.

Promotrimo vodič s površinom poprečnog presjeka $S$. Naboj svih čestica označavamo s $q_o$. Volumen vodiča omeđenog s dva dijela sadrži $nS\delta l$ čestica, gdje $n$ predstavlja njihovu koncentraciju. Njihova ukupna naknada bit će:

$q=(q_o)(nS\delta I)$

Pod uvjetom gibanja čestica prosječnom brzinom $v$, tijekom vremena $\delta t=\frac(\delta I)(v)$ sve će čestice sadržane u razmatranom volumenu imati vremena proći kroz drugi križ odjeljak, što znači da strujna snaga odgovara izračunima prema ovoj formuli:

$I=(q_o)(nvS)$, gdje je:

$I$ - oznaka jakosti elektriciteta, mjerena u amperima (A) ili kulonima / sekundi;
$q$ - naboj koji prolazi kroz vodič, jedinica Coulomb (C);

U SI se jedinica za struju smatra glavnom jedinicom i naziva se amper (A). Mjerni uređaj je ampermetar, čiji se princip rada temelji na magnetskom djelovanju struje.

Napomena 1

Pri procjeni brzine uređenog kretanja elektrona unutar vodiča, izvedenog prema formuli za bakreni vodič s površinom poprečnog presjeka od jednog kvadratnog milimetra, dobivamo beznačajnu vrijednost (0,1 mm / s) .

Razlika između struje i napona

U fizici postoje koncepti kao što su "struja" i "napon". Među njima postoje neke razlike, čije je razmatranje važno za razumijevanje principa jakosti struje.

Pod "jačinom" se podrazumijeva određena količina električne energije, "napona", ujedno se smatra i mjera potencijalne energije. U isto vrijeme, ti su pojmovi prilično međusobno ovisni. Najvažniji čimbenici koji na njih utječu su:

materijal vodiča;
temperatura;
vanjski uvjeti.

Razlike se mogu uočiti i u načinu njihova dobivanja. Ako se u slučaju djelovanja na električne naboje stvori napon, struja će nastati već zbog djelovanja napona između točaka strujnog kruga. Postoji i razlika u usporedbi s konceptom kao što je "potrošnja energije". Bit će to u smislu moći. Dakle, ako je napon potreban za karakterizaciju potencijalne energije, tada će struja već karakterizirati kinetičku energiju.

Metode određivanja jakosti struje

Trenutna snaga izračunava se u praksi pomoću posebnih mjernih instrumenata ili pomoću zasebnih formula (ovisno o dostupnosti početnih podataka). Osnovna formula prema kojoj se izračunava jakost struje je sljedeća:

Postojanje električne energije može biti konstantno (npr. struja sadržana u bateriji), kao i promjenljivo (struja u utičnici). Osvjetljenje prostorija i rad svih električnih uređaja događa se upravo djelovanjem izmjenične električne energije. Glavna razlika između izmjenične i istosmjerne struje je njezina jača tendencija transformacije.

Dobar primjer djelovanja izmjenične struje može poslužiti i kao učinak paljenja fluorescentnih svjetiljki. Dakle, u procesu uključivanja takve svjetiljke, kretanje nabijenih čestica počinje se kretati naprijed i natrag, što objašnjava učinak izmjenične struje. Upravo se ova vrsta električne energije smatra najčešćom u svakodnevnom životu. Prema Ohmovom zakonu, jakost struje izračunava se formulom (za dio električnog kruga):

Jakost struje je, dakle, izravno proporcionalna naponu $U$, mjerenom u voltima, na odsječku kruga i obrnuto proporcionalna $R$-otporu vodiča navedenog odsječka, izraženom u Ohmima. Izračun jakosti električne energije u kompletnom krugu izračunava se na sljedeći način:

$I=\frac(E)(R+r)$, gdje je:

$E$ - elektromotorna sila, EMF, Volt;
$R$ - vanjski otpor, Ohm;
$r$ - unutarnji otpor, Ohm.

Glavne metode za određivanje jakosti struje putem sustava instrumenata u praksi su sljedeće:

Magnetoelektrična mjerna metoda. Njegove prednosti su visoka osjetljivost i točnost očitanja uz malu potrošnju energije. Ova metoda je primjenjiva samo pri određivanju veličine istosmjerne struje.
Elektromagnetska metoda sastoji se u pronalaženju jakosti struja izmjeničnog i konstantnog tipa postupkom transformacije iz elektromagnetskog polja u signal magnetskog modularnog senzora.
Neizravna metoda je usmjerena na određivanje napona na određenom otporu pomoću voltmetra.

Napomena 2

Da bi se utvrdila trenutna snaga, u praksi se često koristi poseban ampermetar. Takav uređaj je uključen u prekide električnog kruga na potrebnoj točki za mjerenje jakosti električnog naboja koji je neko vrijeme prošao kroz dio žice.

Pri određivanju veličine jakosti malog elektriciteta koriste se miliampermetri, mikroampermetri, a također i galvanometri, koji se također vežu za određeno mjesto u strujnom krugu gdje je potrebno pronaći jakost struje. Veza se može ostvariti na dva načina:

dosljedan;
paralelno.

Određivanje trenutne snage koja se troši ne smatra se tako često traženim kao mjerenje napona ili otpora. Istodobno, bez izračunavanja fizičke vrijednosti trenutne snage, postaje nemoguće izračunati potrošnju energije.

Nemoguće. Pojam struje je osnova na kojoj se, poput kuće na čvrstom temelju, grade daljnji proračuni električnih krugova i daju nove i nove definicije. Jačina struje jedna je od međunarodnih veličina, stoga je univerzalna mjerna jedinica amper (A).

Fizičko značenje ove jedinice objašnjava se na sljedeći način: struja od jednog ampera nastaje kada se čestice s nabojem kreću duž dva vodiča beskonačne duljine, između kojih postoji razmak od jednog metra. U ovom slučaju, nastaje na svakom metru dionica vodiča je brojčano jednaka 2 * 10 na snagu -7 Newtona. Obično se dodaje da se vodiči nalaze u vakuumu (što omogućuje izravnavanje utjecaja srednjeg medija), a njihov presjek teži nuli (istodobno je vodljivost maksimalna).

No, kako to obično biva, klasične definicije jasne su samo stručnjacima koje ono osnovno zapravo više i ne zanima. Ali osoba koja nije upoznata s električnom energijom još će se više "zbuniti". Stoga, objasnimo što je jakost struje doslovno "na prstima". Zamislite običnu bateriju, od čijih polova dvije izolirane žice idu do žarulje. Prekidač je spojen na prekid jedne žice. Kao što znate iz početnog tečaja fizike, električna struja je kretanje čestica koje imaju svoje. Obično se smatraju elektronima (dapače, elektron ima jedinični negativni naboj), iako je u stvarnosti sve malo kompliciranije. Ove čestice su tipične za vodljive materijale (metale), ali u plinovitim medijima ioni dodatno prenose naboj (prisjetimo se pojmova "ionizacija" i "proboj zračnog raspora"); u poluvodičima vodljivost nije samo elektronska, već i šupljina (pozitivni naboj); u elektrolitičkim otopinama vodljivost je čisto ionska (na primjer, akumulatori automobila). Ali vratimo se našem primjeru. U njemu struja tvori kretanje slobodnih elektrona. Dok se prekidač ne uključi, strujni krug je otvoren, čestice se nemaju kamo kretati, dakle, jakost struje je nula. Ali vrijedi "sastaviti strujni krug" dok elektroni jure s negativnog pola baterije na pozitivni, prolaze kroz žarulju i izazivaju njezino svijetljenje. Sila koja ih pokreće dolazi od električnog polja koje stvara baterija (emf - polje - struja).

Struja je omjer naboja i vremena. To jest, zapravo, govorimo o količini električne energije koja prolazi kroz vodič po konvencionalnoj jedinici vremena. Možete povući analogiju s vodom: što je slavina otvorena, to će više vode proći kroz cjevovod. Ali ako se voda mjeri u litrama (kubnim metrima), tada se struja mjeri u broju nositelja naboja ili, što je također točno, u amperima. Tako je jednostavno. Lako je razumjeti da postoje dva načina za povećanje struje: uklanjanjem žarulje iz kruga (otpor, prepreka kretanju), a također i povećanjem električnog polja koje stvara baterija.

Zapravo, došli smo do toga kako se u općem slučaju izvodi proračun jakosti struje. Postoje mnoge formule: na primjer, za kompletan krug, uzimajući u obzir utjecaj karakteristika napajanja; za izmjenične i za višefazne sustave itd. Međutim, sve ih ujedinjuje jedno pravilo - poznati Ohmov zakon. Stoga predstavljamo njegov opći (univerzalni) oblik:

gdje je I struja, u amperima; U - napon na stezaljkama napajanja, u voltima; R je otpor kruga ili dijela, u ohmima. Ova ovisnost samo potvrđuje sve navedeno: povećanje struje može se postići na dva načina, kroz otpor (naša žarulja) i napon (parametar izvora).

Električna struja je usmjereno kretanje električnih naboja. Jačina struje određena je količinom električne energije koja prolazi kroz presjek vodiča u jedinici vremena.

Po jednoj količini elektriciteta koja prolazi kroz vodič, još uvijek ne možemo u potpunosti karakterizirati električnu struju. Doista, količina elektriciteta jednaka jednom privjesku može proći kroz vodič u jednom satu, a ista količina elektriciteta može proći kroz njega u jednoj sekundi.

Intenzitet električne struje u drugom slučaju bit će puno veći nego u prvom, budući da ista količina struje prođe u mnogo kraćem vremenskom razdoblju. Za karakterizaciju jakosti električne struje, količina elektriciteta koja prolazi kroz vodič obično se naziva jedinica vremena (sekunda). Količina elektriciteta koja prođe kroz vodič u jednoj sekundi naziva se struja. Jedinica struje u sustavu je amper (a).

Jačina struje - količina električne energije koja prođe kroz presjek vodiča u jednoj sekundi.

Jačina struje označena je engleskim slovom I.

Amper - jedinica jakosti električne struje (jedan od), označava se s A. 1 A jednak je jakosti nepromjenjive struje, koja pri prolasku kroz dva paralelna ravna vodiča beskonačne duljine i zanemarive površine kružnog presjeka, koji se nalaze na udaljenosti od 1 m jedan od drugog u vakuumu, izazvali bi na dijelu vodiča duljine 1 m međudjelovanje sile jednake 2 10 -7 N za svaki metar duljine.

Jakost struje u vodiču jednaka je jednom amperu ako kroz njegov presjek svake sekunde prođe jedan privjesak elektriciteta.

Amper - jačina električne struje pri kojoj količina elektriciteta jednaka jednom privjesku prolazi kroz poprečni presjek vodiča svake sekunde: 1 amper \u003d 1 kulon / 1 sekunda.

Često se koriste pomoćne jedinice: 1 miliamper (mA) \u003d 1/1000 ampera \u003d 10 -3 ampera, 1 mikroamper (mA) = 1/1000000 ampera = 10 -6 ampera.

Ako znate količinu električne energije koja je prošla kroz presjek vodiča u određenom vremenskom razdoblju, tada se trenutna snaga može pronaći formulom: I \u003d q / t

Ako električna struja prolazi u zatvorenom strujnom krugu bez grana, tada kroz bilo koji presjek (bilo gdje u strujnom krugu) u sekundi prolazi ista količina elektriciteta, bez obzira na debljinu vodiča. To je zato što se naboji ne mogu nakupiti nigdje u vodiču. Posljedično, jakost struje je ista bilo gdje u krugu.

U složenim električnim krugovima s različitim granama ovo pravilo (konstantnost struje u svim točkama zatvorenog kruga) ostaje, naravno, važeće, ali se odnosi samo na pojedinačne dijelove općeg kruga, koji se mogu smatrati jednostavnim.

Mjerenje struje

Za mjerenje struje koristi se uređaj koji se zove ampermetar. Za mjerenje vrlo malih struja koriste se miliampermetri i mikroampermetri, odnosno galvanometri. Na sl. 1. prikazuje uvjetni grafički prikaz ampermetra i miliampermetra na električnim krugovima.

Riža. 1. Simboli ampermetra i miliampermetra

Riža. 2. Ampermetar

Za mjerenje jakosti struje potrebno je uključiti ampermetar u otvorenom strujnom krugu (vidi sl. 3). Izmjerena struja prolazi iz izvora kroz ampermetar i prijemnik. Igla ampermetra pokazuje struju u krugu. Gdje točno uključiti ampermetar, tj. prije potrošača (brojenje) ili nakon njega, potpuno je svejedno, jer će jakost struje u jednostavnom zatvorenom krugu (bez grana) biti ista u svim točkama kruga.

Riža. 3. Uključite ampermetar

Ponekad se pogrešno vjeruje da će ampermetar priključen prije potrošača pokazati veću jakost struje od onog uključenog iza potrošača. U ovom slučaju, vjeruje se da se "dio struje" troši u potrošaču da ga pogoni. To, naravno, nije točno, a evo i zašto.

Električna struja u metalnom vodiču je elektromagnetski proces praćen urednim kretanjem elektrona duž vodiča. Međutim, energiju ne prenose elektroni, već elektromagnetsko polje koje okružuje vodič.

Kroz bilo koji poprečni presjek vodiča jednostavnog električnog kruga prolazi točno jednak broj elektrona. Koliko je elektrona izašlo iz jednog pola izvora električne energije, toliko će proći kroz potrošač i, naravno, otići na drugi pol, izvor, jer se elektroni kao materijalne čestice ne mogu potrošiti tijekom svoje pokret.

Riža. 4. Mjerenje struje multimetrom

U tehnici postoje vrlo velike struje (tisuće ampera) i vrlo male (milijunti dijelovi ampera). Na primjer, struja električnog štednjaka je približno 4 - 5 ampera, žarulje sa žarnom niti - od 0,3 do 4 ampera (i više). Struja koja prolazi kroz fotoćelije je samo nekoliko mikroampera. U glavnim žicama trafostanica koje daju električnu energiju za tramvajsku mrežu struja doseže tisuće ampera.

Popravak kućanskih aparata i električnih instalacija vlastitim rukama zahtijeva razumijevanje fizičkih procesa električne energije od kućnog majstora. Ali među praktikantima postoji kategorija "zaboravnih" ljudi.

Posebno da ih podsjetim, a ne samo školarce, pripremio sam materijal o tome kako nastaje jakost struje u vodiču i drugim raznim medijima.

Pokušao sam to prikazati malo pojednostavljenim i razumljivim jezikom bez složenih formula i zaključaka, ali detaljno. Čitajte, upoznajte, zapamtite.

Pod kojim uvjetima nastaje električna struja i koja je jakost struje jednostavnim riječima

Odmah vam skrećem pozornost: definicija električne struje ne odnosi se na statične, zamrznute pojave. To je izravno povezano s pokretom, dinamičnim stanjem.

Ne stvaraju ga neutralne, već aktivne čestice pozitivnog ili negativnog električnog naboja.

I ne bi se trebali kretati nasumično, poput stanovnika metropole u vrijeme špice, već usmjereno. Primjer: kretanje mase automobila na cesti s više traka u jednom smjeru velikog grada.

Jeste li poslali sliku? Unutar kontinuiranog toka, automobili se dodaju sa strane, neki vozači skreću s autoceste na druge ceste. Ali ti procesi ne utječu osobito na opće kretanje: smjer ostaje jednosmjeran.

Isto vrijedi i za kretanje električnih naboja. Unutar metalnih vodiča struju stvaraju elektroni. U svom normalnom stanju, oni se tamo kreću prilično kaotično u svim smjerovima.

Ali vrijedi im pričvrstiti vanjski s pozitivnim i negativnim potencijalima na suprotnim krajevima vodiča, jer počinje usmjereno kretanje naboja.

To je električna struja. Obraćam pažnju na posljednju riječ. Ona karakterizira tijek, pokret, pokret, dinamiku i srodne procese, ali ne i statiku.

Veličina primijenjene vanjske sile određuje kvalitetu usmjerenog protoka elektrona u jednom smjeru. Što je njegova vrijednost veća, veća struja počinje teći kroz vodič.

Međutim, ovdje je potrebno uzeti u obzir nekoliko značajki koje se odnose na:

prihvaćene znanstvene konvencije;
intenzitet kretanja naboja;
Suprotstavljanje unutarnjem okruženju vodiča.

U prvom slučaju moramo prevladati prevladavajuće povijesne stereotipe kada ljudi miješaju opći smjer elektrona i električne struje.

Svi znanstveni izračuni temelje se na činjenici da se smjer struje uzima kao kretanje nabijenih čestica od plusa izvora napona do njegovog minusa.

Električna struja unutar metala
nastaje kretanjem elektrona u suprotnom smjeru: oni se odbijaju od istoimenog negativnog pola i kreću prema pozitivnom.

Nerazumijevanje ove odredbe može dovesti do pogrešaka. Ali ih je lako izbjeći: samo trebate zapamtiti ovu značajku i koristiti je u izračunima ili analizi djelovanja električnih krugova.

Intenzitet kretanja nabijenih čestica karakteriziraju količinu njihovog naboja koji teče kroz određeno područje u određenom vremenskom razdoblju.

Zove se jakost struje, označava se latiničnim slovom I, izračunata omjerom ∆Q / ∆t.

Ovdje je ∆Q broj naboja koji prolaze kroz vodič površine S i duljine ∆L, a ∆t je kalibrirani vremenski raspon.

Da bismo povećali jakost struje, moramo povećati broj naboja koji prolaze kroz vodič u jedinici vremena, a da bismo ga smanjili, moramo ga smanjiti.

Opet, pogledajte izraz "trenutna snaga", odnosno njegovu prvu riječ. Posebno sam pokazao snažan biceps i tinjajuću žarulju na samoj gornjoj slici za usporedbu.

Rezerva snage izvora energije može varirati od prekomjerne do nedovoljne za potrošača. I uvijek moramo optimalno hraniti teret. Za to je uveden koncept jakosti struje.

Za njegovu procjenu koristi se jedinica mjernog sustava: amper, označen latiničnim slovom A.

Teoretski, za procjenu 1 ampera potrebno je:

uzmite dva vrlo tanka, beskonačno dugačka i savršeno jednaka vodiča;
postavite ih na ravninu strogo paralelnu jedna s drugom na udaljenosti od 1 metra;
prolazi kroz njih istu struju, postupno povećavajući njezinu vrijednost;
izmjerite silu privlačenja žica i fiksirajte trenutak kada dosegne vrijednost od 2 × 10-7 Newtona.

Tada će u žicama početi teći 1 amper.

U praksi to nitko ne radi. Za mjerenje su stvoreni posebni uređaji: ampermetri. Njihovi dizajni rade u dimenzijama frakcije i višestrukosti: mi-, mikro- i kilo-.

Druga definicija ampera povezana je s jedinicom količine električne energije: kulonom (C), koji prolazi kroz poprečni presjek žice u 1 sekundi.

Jačina struje na svakom mjestu zatvorenog električnog kruga gdje ona teče uvijek je ista, a kad se pokvari, gdje god da je, nestane.

Ovaj fenomen omogućuje vam mjerenje na najprikladnijim mjestima bilo kojeg električnog kruga.

Kada se stvori složeni razgranati krug za protok nekoliko struja, potonje također ostaju konstantne u svim pojedinačnim dionicama.

Treći slučaj protivljenja okoliša također je važno. Elektroni se u procesu kretanja sudaraju s preprekama u obliku pozitivno i negativno nabijenih čestica.

Takvi su sudari povezani s troškom energije utrošene na oslobađanje topline. Oni su generalizirani pojmom i opisani fizikalnim zakonima u matematičkom obliku.

Unutarnja struktura svakog metala ima drugačiji otpor protoku struje. Znanost je dugo proučavala ta svojstva i svela ih na tablice, grafikone i formule za električni otpor.

Prilikom izrade kalkulacija možemo koristiti samo već provjerene i pripremljene podatke. Mogu se izvesti na temelju formula koje su predstavile poznate varalice električara.

Ali puno je lakše koristiti online kalkulator Ohmovog zakona. Izbjeći će tipične matematičke pogreške.

Najvažniji zaključci iz trenutnih formula snage za domaće majstore

Od praktične je koristi samo potpuno razumijevanje procesa protoka struje kroz vodiče. Kod kuće moramo:

Predvidite trenutna opterećenja ožičenja. Ove informacije pomoći će vam da ga pravilno dizajnirate za polaganje u vašem stanu. A ako je već postavljen, tada će biti potrebno uzeti u obzir i ne prekoračiti priključene kapacitete.

Otklonite tipične greške u instalaciji žica i opreme, na kojima dolazi do beskorisnog gubitka električne energije, stvaranja prekomjerne topline i oštećenja.

Ispravno ožičenje.

Osigurajte zaštitni sustav koji će automatski zaštititi kućnu mrežu od slučajnog oštećenja kako unutar strujnog kruga, tako i sa strane napajanja.

Sada neću ulaziti u detalje da dešifriram svaku od ove četiri točke. Planiram ih detaljnije slikati za vas u nizu članaka, objaviti ih u naslovima stranice. Pratite informacije ili se pretplatite na newsletter kako biste bili u toku.

Koje su vrste električne struje u svakodnevnom životu

Valni oblik struja ovisi o radu izvora napona i otporu medija kroz koji signal prolazi. Najčešće se u praksi domaći majstor mora nositi sa sljedećim vrstama:

stalni signal generiran iz baterija ili galvanskih članaka;
sinusoidalni, stvoren industrijskim generatorima s frekvencijom od 50 herca;
pulsirajući, formiran zbog transformacije različitih izvora napajanja;
impuls, koji prodire u kućnu mrežu zbog pražnjenja munje u nadzemne vodove;
proizvoljan.

Najčešće postoji sinusna ili izmjenična struja: svi naši uređaji se napajaju njome.

Električna struja u različitim okruženjima: što treba znati električar

Nabijene čestice pod djelovanjem primijenjenog napona kreću se ne samo unutar metala, kao što smo gore raspravili na primjeru elektrona, već i u:

prijelazni sloj poluvodičkih elemenata;
tekućine različitih sastava;
plinsko okruženje;
pa čak i unutar vakuuma.

Svi ovi mediji ocjenjuju se sposobnošću propuštanja struje terminom koji se naziva vodljivost. Ovo je recipročna vrijednost otpora. Označava se slovom G, ocijenjeno kroz vodljivost, koja se nalazi u tablicama.

Vodljivost se izračunava po formulama:

Jačina struje u metalnom vodiču: kako se koristi u kućnom okruženju

Sposobnost unutarnje strukture metala da na različite načine utječe na uvjete kretanja usmjerenih naboja koristi se za provedbu specifičnih zadataka.

Prijevoz električne energije

Za prijenos električne energije na velike udaljenosti koriste se metalni vodiči povećanog presjeka visoke vodljivosti: bakar ili aluminij. Skuplji metali srebro i zlato rade unutar složenih elektroničkih sklopova.

Sve vrste dizajna žica, užadi i kabela koji se temelje na njima pouzdano se koriste u kućnim ožičenjima.

grijaći elementi

Za uređaje za grijanje koriste se volfram i nikrom, koji imaju visoku otpornost. Omogućuje vam zagrijavanje vodiča na visoke temperature uz točan odabir primijenjene snage.

Ovo je načelo utjelovljeno u brojnim dizajnima električnih grijača - TEN-ah.

Sigurnosni uređaji

Precijenjena strujna snaga u metalnom vodiču s dobrom vodljivošću, ali tanki dio omogućuje vam stvaranje osigurača koji se koriste kao strujna zaštita.

Oni rade normalno u optimalnom načinu opterećenja, ali brzo izgaraju tijekom napona, kratkih spojeva ili preopterećenja.

Nekoliko desetljeća osigurači su masovno služili kao glavna zaštita za kućno ožičenje. Sada su ih zamijenili automatski prekidači. Ali unutar svih izvora napajanja, oni nastavljaju pouzdano raditi.

Struja u poluvodičima i njezine karakteristike

Električna svojstva poluvodiča jako ovise o vanjskim uvjetima: temperaturi, svjetlosnom zračenju.

Da bi se povećala vlastita vodljivost, u sastav strukture dodaju se posebne nečistoće.

Stoga se unutar poluvodiča struja stvara zbog vlastite i nečistoće vodljivosti unutarnjeg p-n spoja.

Nositelji naboja u poluvodiču su elektroni i šupljine. Ako se pozitivni potencijal izvora napona primijeni na p pol, a negativni potencijal na n, tada će struja teći kroz p-n spoj zbog kretanja koje oni stvaraju.

S obrnutom primjenom polariteta, p-n spoj ostaje zatvoren. Dakle, na gornjoj slici je u prvom slučaju prikazana svjetleća žarulja, au drugom je ugašena.

Slični p-n spojevi rade u drugim dizajnima poluvodiča: tranzistori, zener diode, tiristori ...

Svi su dizajnirani za nominalni protok struje. Da biste to učinili, označavanje se nanosi izravno na njihovo tijelo. Prema njemu ulaze u tablice tehničkih priručnika i ocjenjuju poluvodič s obzirom na električna svojstva.

Struja u tekućinama: 3 načina primjene

Ako metali imaju dobru vodljivost, tada medij tekućine može djelovati kao dielektrik, vodič, pa čak i poluvodič. Ali, potonji slučaj nije za kućnu upotrebu.

Izolacijska svojstva

Mineralno ulje visokog stupnja pročišćavanja i niske viskoznosti, dizajnirano za rad unutar industrijskih transformatora, ima visoka dielektrična svojstva.

Destilirana voda također ima visoka izolacijska svojstva.

Baterije i galvanizacija

Ako se destiliranoj vodi doda malo soli, kiseline ili lužine, tada će ona, zbog pojave elektrolitičke disocijacije, postati vodljivi medij - elektrolit.

Međutim, ovdje se mora razumjeti: struja koja teče u metalima ne narušava strukturu njihove tvari. U tekućinama se odvijaju razorni kemijski procesi.

Struja u tekućinama također nastaje pod djelovanjem primijenjenog napona. Na primjer, kada se pozitivni i negativni potencijali iz baterije ili akumulatora spoje na dvije elektrode umočene u vodenu otopinu neke vrste soli.

Molekule otopine tvore pozitivno i negativno nabijene čestice – ione. Prema predznaku naboja nazivaju se anioni (+) i kationi (-).

Pod djelovanjem primijenjenog električnog polja anioni i kationi počinju se kretati prema elektrodama suprotnih predznaka: katodi i anodi.

Ovo suprotno kretanje nabijenih čestica stvara električnu struju u tekućinama. U tom slučaju, ioni, koji su došli do svoje elektrode, ispuštaju se na nju i stvaraju talog.

Dobar primjer mogu biti galvanski procesi koji se odvijaju u otopini bakrenog sulfata CuSO4 s bakrenim elektrodama spuštenim u nju.

Ioni bakra Cu su pozitivno nabijeni – anioni su. Na katodi gube naboj i talože se u tankom metalnom sloju.

Kiselinski ostatak SO4 djeluje kao kation. Dolaze na anodu, ispuštaju se, stupaju u kemijsku reakciju s bakrom elektrode, tvore molekule bakrenog sulfata i vraćaju se natrag u otopinu.

Prema ovom principu, svi elektroliti u elektroformiranju rade zahvaljujući ionskoj vodljivosti, kada se mijenja struktura elektroda, a sastav tekućine se ne mijenja.

Ovom metodom na nakitu se stvaraju tanki nanosi od plemenitih metala ili zaštitni sloj raznih dijelova protiv korozije. Jačina struje odabire se prema brzini kemijske reakcije, ovisno o specifičnim uvjetima okoline.

Sve baterije rade na isti način. Samo oni još uvijek imaju sposobnost akumulirati naboj iz primijenjene energije generatora i ispuštati električnu energiju kada se ispuštaju potrošaču.

Rad nikal-kadmijeve baterije u načinu punjenja iz vanjskog generatora i pražnjenja do primijenjenog opterećenja prikazan je jednostavnim dijagramom.

Struja u plinovima: dielektrična svojstva medija i uvjeti za odvijanje izboja

Obični plinski medij ima dobra dielektrična svojstva: sastoji se od neutralnih molekula i atoma.

Primjer je zračna atmosfera. Koristi se kao izolacijski materijal čak i na visokonaponskim dalekovodima koji prenose vrlo velike snage.

Gole metalne žice su fiksirane na nosač kroz izolatore i odvojene od petlje uzemljenja svojim visokim električnim otporom, a jedna od druge običnim zrakom. Tako rade nadzemni vodovi svih napona, uključujući i 1150 kV.

Međutim, dielektrična svojstva plinova mogu se narušiti zbog utjecaja vanjske energije: zagrijavanjem na visoku temperaturu ili primjenom povećane razlike potencijala. Tek tada dolazi do ionizacije njihovih molekula.

Razlikuje se od onih procesa koji se odvijaju unutar tekućina. U elektrolitima se molekule dijele na dva dijela: anione i katione.Molekula plina oslobađa elektron tijekom ionizacije i ostaje u obliku pozitivno nabijenog iona.

Čim prestanu djelovati vanjske sile koje stvaraju ionizaciju plinova, vodljivost plinovitog medija odmah nestaje. Pražnjenje munje u zraku je kratkotrajna pojava koja potvrđuje ovu poziciju.

Struja u plinovima, osim pražnjenjem munje, može nastati i održavanjem električnog luka. Na ovom principu rade reflektori i projektori jakog svjetla, kao i industrijske peći.

Neonske i fluorescentne svjetiljke koriste sjaj tinjajućeg izboja koji teče u plinovitom mediju.

Druga vrsta pražnjenja u plinovima koja se koristi u tehnici je iskra. Stvaraju ga plinski pražnjači za mjerenje veličine velikih potencijala.

Struja u vakuumu: kako se koristi u elektroničkim uređajima

Latinska riječ vakum na ruskom se tumači kao praznina. Nastaje na praktičan način ispumpavanjem plinova iz zatvorenog prostora vakuumskim pumpama.

U vakuumu nema nositelja električnog naboja. Oni moraju biti uvedeni u ovo okruženje kako bi stvorili struju. Koristi se fenomenom termoemisije, koja se javlja kada se metal zagrijava.

Elektroničke žarulje rade na ovaj način, kod kojih se katoda zagrijava pomoću žarne niti. Elektroni oslobođeni iz njega, pod djelovanjem primijenjenog napona, kreću se prema anodi, tvore struju u vakuumu.

Po istom principu stvorena je katodna cijev kineskopskog televizora, monitora i osciloskopa.

Samo je dodao kontrolne elektrode za skretanje zrake i ekran koji pokazuje njen položaj.

U svim navedenim uređajima jakost struje u vodiču medija mora se proračunavati, kontrolirati i održavati na određenoj razini optimalnog režima.

Završavam s ovim. Odjeljak za komentare napravljen je posebno za vas. Omogućuje vam jednostavno izražavanje vlastitog mišljenja o članku koji ste pročitali.

U prethodnim lekcijama govorili smo o struji u metalu, također razgovarali o električnom krugu i njegovim komponentama, govorili o smjeru struje. Međutim, nismo se dotakli takvog pitanja kao što su karakteristike kojima možete opisati električnu struju. Vjerojatno ste svi čuli za izraz "strujni udar" i gledali treptanje žarulje. To jest, razumijemo da su električne struje različite, ali kako se električne struje mogu usporediti? Koje karakteristike struje omogućuju procjenu njezine veličine i ostalih parametara? Danas ćemo početi proučavati količine koje karakteriziraju električnu struju, a počet ćemo s takvom karakteristikom kao što je jakost struje.

Već znate da metalna šipka sadrži dovoljno velik broj nositelja električnog naboja - elektrona. Jasno je da kada kroz štap ne teče električna struja, ti se elektroni gibaju nasumično, odnosno možemo pretpostaviti da je broj elektrona koji prolaze kroz dio štapa s lijeva na desno približno jednak broju elektrona koji prolazi kroz isti dio šipke s desna na lijevo jedno te isto vrijeme.isto vrijeme. Ako kroz štap propustimo električnu struju, tada kretanje elektrona postaje uređeno i broj elektrona koji prođu kroz dio štapa u određenom vremenskom razdoblju znatno se poveća (što znači broj elektrona koji prođu u jednom smjeru).

Snaga struje- Ovo je fizikalna veličina koja karakterizira električnu struju i brojčano je jednaka naboju koji prolazi kroz presjek vodiča po jedinici vremena. Jačina struje je označena simbolom i određena je formulom: , gdje je naboj koji prolazi kroz presjek vodiča u vremenu.

Da bismo bolje razumjeli bit uvedene vrijednosti, okrenimo se mehaničkom modelu električnog kruga. Ako uzmete u obzir vodovodni sustav u vašem stanu, on može biti nevjerojatno sličan električnom krugu. Doista, crpka djeluje kao analog izvora struje, koji stvara pritisak i opskrbljuje stanove vodom (vidi sliku 1).

Riža. 1. Vodovodni sustav

Čim prestane raditi, nestat će vode u slavinama. Slavine djeluju kao ključevi električnog kruga: kada je slavina otvorena, voda teče; kada je zatvorena, ne teče. Molekule vode djeluju kao nabijene čestice (vidi sliku 2).

Riža. 2. Kretanje molekula vode u sustavu

Ako sada uvedemo vrijednost sličnu upravo uvedenoj jakosti struje, to jest broju molekula vode kroz poprečni presjek cijevi po jedinici vremena, tada ćemo zapravo dobiti količinu vode koja prođe kroz poprečni presjek cijevi u jednoj sekundi - ono što se u svakodnevnom životu često naziva pritiskom. Sukladno tome, što je veći tlak, to više vode istječe iz slavine, slično: što je jačina struje veća, to je struja i njezin učinak jači.

Jedinica struje je amper. Ova je vrijednost dobila ime po francuskom znanstveniku André-Marie Ampèreu. Amper je jedna od jedinica međunarodnog sustava. Poznavajući jedinice struje, lako je dobiti definiciju jedinice električnog naboja u SI. Jer dakle .

Posljedično,. Odnosno, 1 C je naboj koji prolazi kroz presjek vodiča u 1 s pri jakosti struje u vodiču od 1 A. Osim ampera, veličine kao što su miliamper (), mikroamper ( ), kiloamper (). Da bismo zamislili što je mala struja, a što velika struja, dajemo sljedeće podatke: za osobu se jakost struje manja od 1 mA smatra sigurnom, a jačina struje veća od 100 mA može dovesti do značajnih zdravstvenih problema.

Neke trenutne vrijednosti

Da bismo razumjeli veličinu takve struje kao što je 1A, pogledajmo sljedeću tablicu.

Medicinski uređaj za rendgen (vidi sliku 3) - 0,1 A

Riža. 3. Medicinski aparat za rendgen

Žarulja džepne svjetiljke - 0,1-0,3 A

Prijenosni magnetofon - 0,3 A

Žarulja u učionici - 0,5 A

Mobitel u radu - 0,53 A

TV - 1 A

Perilica rublja - 2 A

Električno glačalo - 3 A

Električna muzilica - 10 A

Motor trolejbusa - 160-220 A

Munja - više od 1000 A

Uz to razmotrite i učinke djelovanja struje koje ona ima na ljudski organizam, ovisno o jakosti struje (u tablici je prikazana jakost struje pri frekvenciji od 50 Hz i utjecaj struje na ljudsko tijelo).

0-0,5 mA Nema

0,5-2 mA Gubitak osjetljivosti

2-10 mA Bol, kontrakcije mišića

10-20 mA Pojačan učinak na mišiće, malo oštećenja

16 mA Struja iznad koje se osoba više ne može osloboditi elektroda

20-100 mA Respiratorna paraliza

100 mA - 3 A Fatalna ventrikularna fibrilacija (zahtijeva hitnu reanimaciju)

Više od 3 A Zastoj srca, teške opekline (ako je šok bio kratak, tada se srce može reanimirati)

Međutim, većina uređaja je dizajnirana za puno veću snagu struje, pa je pri radu s njima vrlo važno slijediti neka pravila. Zadržimo se na glavnim točkama koje treba zapamtiti svatko tko se bavi električnom energijom.

Zabranjeno je:

1) Dodirnite golu žicu, posebno dok stojite na tlu, vlažnom podu itd.

2) Koristite neispravne električne uređaje.

Skupljajte, popravljajte, rastavljajte električne uređaje bez odspajanja iz izvora napajanja.

Ampermetar se koristi za mjerenje struje. Označava se slovom A u krugu u shematskom prikazu u električnom krugu. Kao i svaki uređaj, ampermetar ne bi trebao utjecati na vrijednost izmjerene vrijednosti, pa je konstruiran na takav način da praktički ne mijenja vrijednost struje u krugu.

Pravila kojih se treba pridržavati pri mjerenju struje ampermetrom

1) Ampermetar je spojen u krug u seriju s vodičem u kojem je potrebno izmjeriti jakost struje (vidi sl. 4).

2) Stezaljka ampermetra, u blizini koje se nalazi znak +, mora biti spojena na žicu koja dolazi s pozitivnog pola izvora struje; terminal s znakom minus - s žicom koja dolazi s negativnog pola izvora struje (vidi sliku 5).

3) Ne spajajte ampermetar na krug u kojem nema strujnog potrošača (vidi sl. 6).

Riža. 4. Serijski spoj ampermetra

Riža. 5. Ispravno spojena stezaljka +

Riža. 6. Neispravno spojen ampermetar

Pogledajmo rad ampermetra uživo. Pred nama je električni krug, koji se sastoji od izvora struje, ampermetra, koji je spojen u seriju, i žarulje, koja je također spojena u seriju (vidi sliku 7).

Riža. 7. Električni krug

Ako sada uključimo izvor struje, pomoću ampermetra možemo promatrati jakost u krugu. Isprva pokazuje 0 (to jest, nema struje u krugu), a sada vidimo da je jakost struje postala gotovo 0,2 A (vidi sliku 8).

Riža. 8. Tijek struje u krugu

Ako promijenimo struju u strujnom krugu, vidjet ćemo da će se jakost struje povećati (postat će otprilike 0,26 A), a ujedno će svjetlo jače svijetliti (vidi sl. 9), tj. struja u strujnom krugu, svjetlo će jače gorjeti.

Riža. 9. Struja u krugu je veća - žarulja gori jače

Vrste ampermetara

Elektromagnetski, magnetoelektrični, elektrodinamički, toplinski i indukcijski ampermetri postali su široko rasprostranjeni.

NA elektromagnetski ampermetri ( vidi sl. deset ) izmjerena struja, prolazeći kroz zavojnicu, uvlači svoju jezgru od mekog željeza silom koja raste s povećanjem jakosti struje; u isto vrijeme, strelica postavljena na istoj osi s jezgrom rotira i pokazuje jakost struje u amperima na graduiranoj ljestvici.

Riža. 10. Elektromagnetski ampermetar

NA toplinski ampermetri(vidi sl. 11), izmjerena struja prolazi kroz razvučenu metalnu nit, koja se zbog zagrijavanja strujom izdužuje i popušta, dok se okreće strelica koja pokazuje jakost struje na skali.

Riža. 11. Termički ampermetar

NA magnetoelektrični ampermetar(vidi sl. 12) pod utjecajem međudjelovanja mjerene struje koja prolazi kroz žicu namotanu na lagani aluminijski okvir i magnetskog polja stalnog potkovastog magneta, okvir se zajedno sa kazaljkom zakreće za veći ili manji kut ovisno o veličini struje.

Riža. 12. Magnetoelektrični ampermetar

NA elektrodinamički ampermetri(bez željeza) (vidi sl. 13) izmjerena struja prolazi u nizu kroz namot fiksnog i pokretnog svitka; potonji se, zbog međudjelovanja struje koja kroz njega prolazi sa strujom u fiksnom svitku, okreće zajedno sa strelicom koja pokazuje jakost struje.

Riža. 13. Elektrodinamički ampermetar

NA indukcijski uređaji(vidi sliku 14) pomični metalni disk ili cilindar podvrgnut je putujućem ili rotirajućem polju koje stvaraju fiksne zavojnice povezane magnetskim sustavom.

Riža. 14. Indukcijski ampermetar

Toplinski i elektrodinamički ampermetri prikladni su za mjerenje istosmjerne i izmjenične struje, elektromagnetski - za istosmjernu struju i indukcijski - za izmjeničnu

Rješavanje problema

Razmotrite rješenje nekoliko tipičnih problema na ovu temu.

Zadatak 1

Koliko elektrona svake sekunde prođe kroz presjek vodiča ako njime teče struja od 0,32 A?

Riješenje

Znamo ne samo jakost struje I = 0,32 A, vrijeme t = 1 s, nego i naboj jednog elektrona: .

Poslužimo se definicijom jakosti struje: , a naboj koji prođe u jedinici vremena modulo je jednak zbroju modula naboja elektrona koji prođu kroz dionicu u 1 s. Dobivamo . Gdje .

Provjeravamo jedinice željene vrijednosti: .

Odgovor:.

Zadatak 2

Zašto ampermetar, koji pokazuje jakost struje koja teče kroz žicu koja povezuje akumulator automobila s električnom mrežom u vozilu, ima i pozitivne i negativne vrijednosti na ljestvici?

Riješenje

Činjenica je da se u akumulatoru automobila odvijaju dva procesa: ponekad se puni (vidi sl. 15), odnosno prima naboj (naboji se kreću u jednom smjeru), a ponekad napaja mrežu u vozilu, tj. , odaje naboj (odnosno, naboji se kreću u drugom smjeru) (vidi sliku 16). U ova dva slučaja jakost struje će se razlikovati po predznaku.

Riža. 15. Punjenje baterije