Što pokazuje trenutna. Napon i struja

Definicija 1

Struja je proces tijekom kojeg se (pod izravnim utjecajem električnog polja) počinje odvijati kretanje 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.

Koncept jačine struje

Jačina električne struje bit će veličina koja karakterizira redoslijed kretanja električnih naboja, numerički jednak količini naboja $\delta q$, koji u ovom slučaju teče kroz određenu površinu $S$ (koja predstavlja poprečni presjek vodiča) u jedinici vremena:

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

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

Jačina struje ovisit će o naboju koji nose sve čestice, brzini njihovog kretanja usmjerenog u određenom smjeru i površini poprečnog presjeka vodiča.

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

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

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

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

• $I$ - oznaka snage električne energije, mjerena u Amperima (A) ili Kulonima / sekundi;
• $q$ - naboj koji prolazi kroz vodič, jedinica kulona (C);

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

Napomena 1

Prilikom procjene brzine uređenog kretanja elektrona unutar vodiča, izvedene 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 pojmovi kao što su "struja" i "napon". Među njima postoje neke razlike, čije je razmatranje važno za razumijevanje principa jačine struje.

Pod "snagom" se podrazumijeva određena količina električne energije, "napon", pri čemu se smatra mjera potencijalne energije. U isto vrijeme, ovi koncepti su prilično međusobno ovisni. Najvažniji čimbenici koji na njih utječu su:

• materijal vodiča;
• temperatura;
• vanjski uvjeti.

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

Metode za određivanje jačine struje

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

Postojanje električne energije može biti konstantno (na primjer, struja sadržana u bateriji), kao i promjenjiva (struja u utičnici). Osvjetljenje prostora i rad svih električnih uređaja odvija se upravo djelovanjem izmjenične struje. Glavna razlika između izmjenične i istosmjerne struje je njena jača sklonost transformaciji.

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

Snaga struje je, dakle, izravno proporcionalna naponu $U$, mjerenom u voltima, na dio kruga i obrnuto proporcionalna $R$-otpor vodiča navedenog presjeka, izražen u Ohmima. Proračun snage 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 jačine struje kroz instrumentalne sustave u praksi su sljedeće:

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

Napomena 2

Kako bi se pronašla jačina struje, u praksi se često koristi poseban uređaj ampermetar. Takav je uređaj uključen u prekide električnog kruga na potrebnoj točki za mjerenje jačine električnog naboja koji je neko vrijeme prošao kroz žičani dio.

Pri određivanju veličine jakosti male struje koriste se miliampermetri, mikroampermetri, a također i galvanometri, koji se također spajaju na određeno mjesto u strujnom krugu gdje je potrebno pronaći jačinu struje. Veza se može izvesti na dva načina:

• dosljedan;
• paralelno.

Određivanje snage struje koja se troši smatra se da nije tako često traženo kao mjerenje napona ili otpora. Istodobno, bez izračunavanja fizičke vrijednosti jačine struje, postaje nemoguće izračunati potrošnju energije.

Nemoguće. Koncept struje je osnova na kojoj se, poput kuće na čvrstom temelju, grade daljnji proračuni električnih krugova i daju nove i nove definicije. Jačina struje je jedna 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 metarskom dijelu vodiča numerički je jednaka 2 * 10 na snagu -7 Newtona. Obično se dodaje da se vodiči nalaze u vakuumu (što omogućuje izravnavanje utjecaja međumedija), a njihov presjek teži nuli (istodobno je vodljivost maksimalna).

No, kako to obično biva, klasične definicije jasne su samo stručnjacima koje, zapravo, više ne zanimaju osnove. Ali osoba koja nije upoznata sa strujom još će se više "zbuniti". Stoga, objasnimo što je trenutna snaga, doslovno "na prstima". Zamislite običnu bateriju, s čijih stupova dvije izolirane žice idu do žarulje. Prekidač je spojen na prekid jedne žice. Kao što je poznato iz početnog tečaja fizike, električna struja je kretanje čestica koje imaju svoje vlastite čestice. Obično se smatraju elektronima (zapravo, elektron ima jedinični negativni naboj), iako je u stvarnosti sve malo kompliciranije. Te su čestice tipične za vodljive materijale (metale), ali u plinovitim medijima ioni dodatno prenose naboj (sjetimo se pojmova "ionizacija" i "razbijanje zračnog raspora"); u poluvodičima vodljivost nije samo elektronska, već i šupljina (pozitivan naboj); u elektrolitskim otopinama vodljivost je čisto ionska (na primjer, akumulatori automobila). No, vratimo se našem primjeru. U njemu struja tvori kretanje slobodnih elektrona. Dok se prekidač ne uključi, krug je otvoren, čestice se nemaju kamo kretati, stoga je jačina struje nula. Ali vrijedi "sastaviti krug" jer elektroni jure s negativnog pola baterije na pozitivni, prolazeći kroz žarulju i uzrokujući njezin sjaj. 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 više otvorena, to će više vode proći kroz cjevovod. Ali ako se voda mjeri u litrama (kubičnim metrima), tada se struja mjeri u broju nositelja naboja ili, što je također točno, u amperima. To je tako jednostavno. Lako je razumjeti da postoje dva načina za povećanje jačine struje: uklanjanjem žarulje iz strujnog 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. Postoji mnogo formula: na primjer, za kompletan krug, uzimajući u obzir utjecaj karakteristika napajanja; za izmjenične i za višefazne sustave itd. No, sve ih objedinjuje 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 sekcije, u omima. 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. Veličina struje određena je količinom električne energije koja prolazi poprečnim presjekom vodiča u jedinici vremena.

Jednom količinom električne energije koja prolazi kroz vodič još uvijek ne možemo u potpunosti okarakterizirati električnu struju. Doista, količina električne energije jednaka jednom privjesku može proći kroz vodič u jednom satu, a ista količina električne energije može proći kroz njega u jednoj sekundi.

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

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

Trenutna snaga je označena engleskim slovom I.

Amper - jedinica jačine električne struje (jedna od), označena s A. 1 A je jednaka jakosti nepromjenjive struje koja, kada prolazi kroz dva paralelna ravna vodiča beskonačne duljine i zanemarive površine kružnog poprečnog presjeka, smještene na udaljenosti od 1 m jedna od druge u vakuumu, izazvala bi na dijelu vodiča duljine 1 m interakcijsku silu jednaku 2 10 -7 N za svaki metar duljine.

Jačina struje u vodiču jednaka je jednom amperu ako svake sekunde kroz njegov poprečni presjek prođe jedan električni privjesak.

Amper - snaga električne struje pri kojoj svake sekunde kroz presjek vodiča prolazi količina električne energije jednaka jednom privjesku: 1 amper = 1 kulon / 1 sekunda.

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

Ako znate količinu električne energije koja je prošla kroz poprečni presjek vodiča za određeno vremensko razdoblje, tada se jačina struje može pronaći po formuli: I \u003d q / t

Ako električna struja prolazi u zatvorenom krugu bez grana, tada ista količina električne energije prolazi kroz bilo koji presjek (bilo gdje u krugu) u sekundi, bez obzira na debljinu vodiča. To je zato što se naboji ne mogu akumulirati nigdje u vodiču. Stoga, jačina struje je ista bilo gdje u krugu.

U složenim električnim krugovima s različitim granama, ovo pravilo (stalnost struje u svim točkama zatvorenog kruga) ostaje, naravno, valjano, ali se odnosi samo na pojedine 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

Da biste izmjerili jačinu struje, morate uključiti ampermetar u otvorenom krugu (vidi sliku 3). Izmjerena struja prolazi od izvora kroz ampermetar i prijemnik. Igla ampermetra pokazuje struju u krugu. Gdje točno uključiti ampermetar, odnosno prije potrošača (brojenje) ili nakon njega, potpuno je svejedno, budući da će jačina struje u jednostavnom zatvorenom krugu (bez grana) biti ista u svim točkama u krugu.

Riža. 3. Uključite ampermetar

Ponekad se pogrešno vjeruje da će ampermetar spojen prije potrošača pokazati veću jačinu struje nego onaj koji je uključen nakon potrošača. U ovom slučaju, vjeruje se da se "dio struje" troši u potrošaču da ga pokreće. 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 presjek vodiča jednostavnog električnog kruga prolazi točno isti broj elektrona. Koliko je elektrona izašlo iz jednog pola izvora električne energije, isti će broj proći kroz potrošača i, naravno, otići na drugi pol, izvor, jer se elektroni, kao materijalne čestice, ne mogu potrošiti tijekom njihovo kretanje.

Riža. 4. Mjerenje struje multimetrom

U tehnologiji postoje jako velike struje (tisuće ampera) i vrlo male (milijuntice ampera). Na primjer, jačina struje 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 struju za tramvajsku mrežu, struja doseže tisuće ampera.

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

Posebno da ih podsjetim, a ne samo školarce, pripremio sam materijal o tome kako se stvara strujna snaga u dirigentskom i drugim raznim medijima.

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

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

Odmah vam skrećem pozornost: definicija električne struje ne vrijedi za statične, smrznute pojave. To je izravno povezano s pokretom, dinamičkim stanjem.

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

I ne bi se trebali kretati nasumično, kao stanovnici metropole za vrijeme špice, već usmjereno. Primjer: kretanje mase automobila cestom s više traka u jednom smjeru velikog grada.

Jeste li poslali sliku? Unutar kontinuiranog toka, automobili se dodaju sa strane, neki vozači napuštaju autocestu 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. Pazim na posljednju riječ. Karakterizira tijek, kretanje, kretanje, dinamiku i povezane procese, ali ne i statiku.

Vrijednost je primijenjene vanjske sile koja određuje kvalitetu usmjerenog strujanja elektrona u jednom smjeru. Što je njegova vrijednost veća, to više struje 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 dirigenta.

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

Svi znanstveni proračuni 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 pomicanjem elektrona u suprotnom smjeru: odbijaju se od istoimenog negativnog pola i kreću se 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 analiziranju djelovanja električnih krugova.

Intenzitet kretanja nabijenih čestica karakteriziraju količinu njihovog naboja koji teče kroz određeno područje za određeno vremensko razdoblje.

Zove se strujna snaga, označena 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 jačinu struje, moramo povećati broj naboja koji prolaze kroz vodič u jedinici vremena, a da bismo ga smanjili, moramo ga smanjiti.

Opet, pogledajte pojam "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 trebamo optimalno hraniti teret. Za to je uveden koncept jačine struje.

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

Teoretski, za procjenu 1 ampera potrebno je:

• uzmi dva vrlo tanka, beskonačno duga i savršeno ujednačena vodiča;
• postavite ih na ravninu koja je strogo paralelna jedna s drugom na udaljenosti od 1 metar;
• proći kroz njih istu struju, postupno povećavajući njezinu vrijednost;
• izmjeriti silu privlačenja žica i utvrditi trenutak kada dosegne vrijednost od 2 × 10-7 Newtona.

Tada će 1 amper početi teći u žicama.

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

Druga definicija ampera odnosi se na jedinicu za količinu električne energije: kulon (C), koji prolazi kroz presjek žice za 1 sekundu.

Jačina struje na bilo kojem mjestu zatvorenog električnog kruga gdje teče uvijek je ista, a kad pukne, 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 pojedinim dijelovima.

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 terminom i opisani fizikalnim zakonima u matematičkom obliku.

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

Pri izračunima možemo koristiti samo već provjerene i pripremljene informacije. Mogu se izvesti na temelju formula koje je prezentirao poznati električarski cheat sheet.

Ali puno je lakše koristiti internetski kalkulator Ohmovog zakona. To će izbjeći tipične matematičke pogreške.

Najvažniji zaključci iz trenutnih formula snage za domaćeg majstora

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

1. Predvidite trenutna opterećenja na ožičenju. Ove informacije pomoći će vam da ga pravilno dizajnirate za polaganje unutar vašeg stana. A ako je već položeno, tada će biti potrebno uzeti u obzir i ne prekoračiti priključene kapacitete.

• Uklonite tipične pogreške u ugradnji žica i opreme, na kojima dolazi do beskorisnog gubitka električne energije, stvara se prekomjerna toplina i dolazi do oštećenja.

• Ispravno ožičenje.

• Osigurajte sustav zaštite koji će automatski zaštititi kućnu mrežu od slučajnih oštećenja kako unutar strujnog kruga tako i sa strane napajanja.

Sada neću ulaziti u detalje kako bih dešifrirao svaku od ove četiri točke. Planiram vam ih detaljnije oslikati u nizu članaka, objaviti ih u naslovima stranice. Pratite informacije ili se pretplatite na newsletter kako biste bili svjesni.

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:

• konstantan signal generiran iz baterija ili galvanskih ćelija;
• sinusoidna, koju stvaraju industrijski generatori s frekvencijom od 50 herca;
• pulsirajući, nastao zbog transformacije različitih izvora napajanja;
• impuls, koji prodire u kućnu mrežu zbog ispuštanja munje u nadzemne dalekovode;
• proizvoljan.

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

Električna struja u raznim okruženjima: što električar treba znati

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

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

Svi ti mediji ocjenjuju se sposobnošću prolaska struje pojmom koji se naziva vodljivost. Ovo je recipročan otpor. Označava se slovom G, ocijenjeno kroz vodljivost, koja se može naći u tablicama.

Vodljivost se izračunava po formulama:

Snaga 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, kabela i kabela na temelju njih pouzdano rade u kućnom ožičenju.

grijaći elementi

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

Ovaj princip je utjelovljen u brojnim dizajnima električnih grijača - TEN-ah.

Sigurnosni uređaji

Precijenjena jačina struje u metalnom vodiču s dobrom vodljivošću, ali tanki presjek omogućuje stvaranje osigurača koji se koriste kao strujna zaštita.

Oni rade normalno u načinu optimalnog 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 i dalje pouzdano rade.

Struja u poluvodičima i njene karakteristike

Električna svojstva poluvodiča uvelike ovise o vanjskim uvjetima: temperaturi, zračenju svjetlosti.

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

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

Nosioci naboja poluvodiča su elektroni i rupe. 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. Stoga je na gornjoj slici u prvom slučaju prikazana svjetleća žarulja, a u drugom je ugašena.

Slični p-n spojevi rade u drugim poluvodičkim dizajnom: tranzistori, zener diode, tiristori...

Svi su dizajnirani za nazivni protok struje. Da biste to učinili, označavanje se primjenjuje izravno na njihovo tijelo. Prema njoj ulaze u tablice tehničkih priručnika i ocjenjuju poluvodič u smislu električnih karakteristika.

Struja u tekućinama: 3 načina primjene

Ako metali imaju dobru vodljivost, tada medij tekućina 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, uslijed 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 destruktivni 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 protugibanje nabijenih čestica stvara električnu struju u tekućinama. U tom se slučaju ioni, nakon što su došli do svoje elektrode, ispuštaju na nju i tvore talog.

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

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

Kiselinski ostatak SO4 djeluje kao kation. Dolaze do anode, ispuštaju se, ulaze u kemijsku reakciju s bakrom elektrode, formiraju molekule bakrenog sulfata i vraćaju se u otopinu.

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

Ovom metodom stvaraju se tanki premazi plemenitih metala na nakitu ili zaštitni sloj raznih dijelova od 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 akumuliranja naboja iz primijenjene energije generatora i davanja električne energije kada se isprazne potrošaču.

Rad nikl-kadmij baterije u načinu punjenja od vanjskog generatora i pražnjenja na primijenjeno opterećenje prikazan je jednostavnim dijagramom.

Struja u plinovima: dielektrična svojstva medija i uvjeti za protok pražnjenja

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.

Ogoljene metalne žice pričvršćene su 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 biti narušena zbog utjecaja vanjske energije: zagrijavanja na visoku temperaturu ili primjene povećane razlike potencijala. Tek tada dolazi do ionizacije njihovih molekula.

Razlikuje se od onih procesa koji se događaju unutar tekućina. U elektrolitima se molekule dijele na dva dijela: anione i katione.Molekula plina tijekom ionizacije oslobađa elektron 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 kratkotrajan je fenomen koji potvrđuje ovu poziciju.

Struja u plinovima, osim pražnjenja munje, može se stvoriti održavanjem električnog luka. Na tom principu rade reflektori i projektori jakog svjetla, kao i industrijske lučne peći.

Neonske i fluorescentne svjetiljke koriste sjaj užarenog pražnjenja koji teče u plinskom mediju.

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

Struja u vakuumu: kako se koristi u elektroničkim uređajima

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

U vakuumu nema nositelja električnih naboja. Moraju se uvesti u ovo okruženje kako bi se stvorila struja. Koristi se fenomenom termoionske emisije, koja se javlja kada se metal zagrijava.

Na taj način rade elektroničke svjetiljke u kojima se katoda zagrijava niti. Iz njega oslobođeni elektroni pod djelovanjem primijenjenog napona kreću se prema anodi, stvaraju struju u vakuumu.

Po istom principu izrađena je i katodna cijev kineskopskog TV-a, monitora i osciloskopa.

Samo je dodao kontrolne elektrode za odbijanje snopa i zaslon koji pokazuje njegov položaj.

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

završavam s ovim. Posebno za vas je napravljen odjeljak za komentare. Omogućuje vam da jednostavno izrazite vlastito mišljenje o članku koji ste pročitali.

U prethodnim lekcijama razgovarali 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 s kojima možete opisati električnu struju. Vjerojatno ste svi čuli za izraz "napon struje" i gledali kako bljeska žarulja. 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 veličine koje karakteriziraju električnu struju, a počet ćemo s takvom karakteristikom kao što je jačina struje.

Već znate da metalna šipka sadrži dovoljno velik broj nositelja električnog naboja - elektrona. Jasno je da kada električna struja ne teče kroz štap, ti se elektroni gibaju nasumično, odnosno možemo pretpostaviti da je broj elektrona koji prolaze kroz presjek štapa slijeva nadesno približno jednak broju elektrona koji proći kroz isti dio štapa s desna na lijevo za jedno te isto vrijeme.isto vrijeme. Propustimo li električnu struju kroz štap, tada kretanje elektrona postaje uređeno i broj elektrona koji prolaze kroz dio štapa tijekom određenog vremenskog razdoblja značajno se povećava (što znači broj elektrona koji prolaze u jednom smjeru).

Snaga struje- Ovo je fizikalna veličina koja karakterizira električnu struju i brojčano je jednaka naboju koji prolazi poprečnim presjekom vodiča u jedinici vremena. Jačina struje označava se simbolom i određuje se formulom: , gdje je naboj koji prolazi kroz poprečni 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 zapanjujuće sličan električnom krugu. Doista, pumpa djeluje kao analog izvora struje, koja stvara pritisak i opskrbljuje stanove vodom (vidi sliku 1).

Riža. 1. Vodovodni sustav

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

Riža. 2. Kretanje molekula vode u sustavu

Ako sada uvedemo vrijednost sličnu trenutnoj jakosti struje koja je upravo uvedena, odnosno broj molekula vode kroz poprečni presjek cijevi u jedinici vremena, tada ćemo zapravo dobiti količinu vode koja prolazi kroz 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 njezino djelovanje jača.

Jedinica struje je amper. Ova vrijednost je 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 onda .

Stoga, . To jest, 1 C je naboj koji prolazi poprečnim presjekom vodiča za 1 s pri jakosti struje u vodiču od 1 A. Osim ampera, količine kao što su miliamper (), mikroamper ( ), kiloamper (). Da zamislimo što je mala, a što velika struja, donosimo sljedeće podatke: za osobu se struja manja od 1 mA smatra sigurnom, a struja 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 rendgenski uređaj (vidi sliku 3) - 0,1 A

Riža. 3. Medicinski rendgenski aparat

Žarulja džepne svjetiljke - 0,1-0,3 A

Prijenosni magnetofon - 0,3 A

Žarulja u učionici - 0,5 A

Mobilni telefon u radu - 0,53 A

TV - 1 A

Perilica rublja - 2 A

Električno glačalo - 3 A

Električni aparat za mužnju - 10 A

Motor trolejbusa - 160-220 A

Munja - više od 1000 A

Uz to, razmotrite učinke djelovanja struje koju ona ima na ljudski organizam, ovisno o jačini struje (tablica prikazuje jačinu struje na frekvenciji od 50 Hz i učinak 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, neka oštećenja

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

20-100 mA Respiratorna paraliza

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

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

Međutim, većina uređaja je dizajnirana za puno veću jačinu struje, pa je pri radu s njima vrlo važno pridržavati se nekih pravila. Zaustavimo se na glavnim točkama kojih se moraju sjetiti svi koji se bave električnom energijom.

Zabranjeno je:

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

2) Koristite neispravne električne uređaje.

Prikupite, popravite, rastavite električne uređaje bez odspajanja od izvora napajanja.

Za mjerenje struje koristi se ampermetar. Označen je 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 tako dizajniran da praktički ne mijenja vrijednost struje u krugu.

Pravila kojih se treba pridržavati pri mjerenju struje ampermetrom

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

2) Terminal ampermetra, u blizini kojeg se nalazi znak +, mora biti spojen na žicu koja dolazi s pozitivnog pola izvora struje; terminal sa predznakom minus - sa žicom koja dolazi iz negativnog pola izvora struje (vidi sliku 5).

3) Ne spajajte ampermetar u strujni krug u kojem nema potrošača struje (vidi sliku 6).

Riža. 4. Serijski priključak ampermetra

Riža. 5. Ispravno spojen priključak +

Riža. 6. Neispravno spojen ampermetar

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

Riža. 7. Električni krug

Ako sada uključimo izvor struje, pomoću ampermetra možemo promatrati snagu u krugu. U početku označava 0 (to jest, nema struje u krugu), a sada vidimo da je jačina struje postala gotovo 0,2 A (vidi sliku 8).

Riža. 8. Protok struje u strujnom krugu

Ako promijenimo struju u strujnom krugu, vidjet ćemo da će se jačina struje povećati (postat će približno 0,26 A), a istovremeno će svjetlo svijetliti jače (vidi sliku 9), tj. struja u strujnom krugu, svjetlo će gorjeti jače.

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

Vrste ampermetara

Rasprostranjeni su elektromagnetski, magnetoelektrični, elektrodinamički, toplinski i indukcijski ampermetri.

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

Riža. 10. Elektromagnetski ampermetar

NA toplinski ampermetri(vidi sliku 11), izmjerena struja prolazi kroz rastegnutu metalnu nit, koja se zbog zagrijavanja strujom produljuje i spušta, dok se strelica okreće koja pokazuje jačinu struje na skali.

Riža. 11. Termoampermetar

NA magnetoelektrični ampermetar(vidi sliku 12) pod utjecajem interakcije izmjerene struje koja prolazi kroz žicu namotanu na lagani aluminijski okvir i magnetskog polja trajnog potkovičastog magneta, okvir se zajedno sa pokazivačem rotira za veći ili manji kut ovisno o veličini struje.

Riža. 12. Magnetoelektrični ampermetar

NA elektrodinamički ampermetri(bez željeza) (vidi sliku 13) izmjerena struja prolazi serijski kroz namot fiksne i pokretne zavojnice; potonji, zbog interakcije struje koja prolazi kroz njega sa strujom u fiksnoj zavojnici, rotira zajedno sa strelicom koja pokazuje jačinu struje.

Riža. 13. Elektrodinamički ampermetar

NA indukcijskim aparatima(vidi sliku 14) pokretni metalni disk ili cilindar podvrgnut je putujućem ili rotirajućem polju stvorenom fiksnim zavojnicama povezanih magnetskim sustavom.

Riža. 14. Indukcijski ampermetar

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

Rješavanje problema

Razmotrimo rješenje nekoliko tipičnih problema na ovu temu.

Zadatak 1

Koliko elektrona svake sekunde prođe poprečnim presjekom vodiča ako kroz njega teče struja od 0,32 A?

Odluka

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

Poslužimo se definicijom jakosti struje: , a naboj koji prođe u jedinici vremena po modulu jednak je zbroju modula naboja elektrona koji prođu presjek za 1 s. dobivamo . Gdje .

Provjeravamo jedinice željene vrijednosti: .

Odgovor:.

Zadatak 2

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

Odluka

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

Riža. 15. Punjenje baterije