Spriegums, strāva, pretestība un Oma likums: 5 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:58

Ietverts šajā apmācībā

Elektriskā lādiņa saistība ar spriegumu, strāvu un pretestību.

Kāds ir spriegums, strāva un pretestība.

Kas ir Oma likums un kā to izmantot, lai saprastu elektrību.

Vienkāršs eksperiments, lai parādītu šos jēdzienus.

1. darbība: elektriskā lādēšana

Elektriskais lādiņš ir matērijas fiziskais īpašums, kas liek tai izjust spēku, kad to ievieto elektromagnētiskajā laukā. Pastāv divu veidu elektriskie lādiņi: pozitīvs un negatīvs (parasti pārnēsā attiecīgi protoni un elektroni). Līdzīgi maksājumi atbaida un atšķirībā piesaista. Neto maksas neesamību sauc par neitrālu. Objekts ir negatīvi uzlādēts, ja tam ir elektronu pārpalikums, un citādi ir pozitīvi uzlādēts vai neuzlādēts. SI atvasinātā elektriskā lādiņa vienība ir kulons (C). Elektrotehnikā ir arī ierasts izmantot ampērstundu (Ah); savukārt ķīmijā parasti izmanto elementāro lādiņu (e) kā vienību. Simbols Q bieži apzīmē lādiņu. Agrīnās zināšanas par uzlādētu vielu mijiedarbību tagad sauc par klasisko elektrodinamiku, un tās joprojām ir precīzas problēmām, kurām nav jāņem vērā kvantu efekti.

Elektriskais lādiņš ir dažu subatomisko daļiņu konservēts pamatīpašums, kas nosaka to elektromagnētisko mijiedarbību. Elektriski lādētu vielu ietekmē vai rada elektromagnētiskie lauki. Mijiedarbība starp kustīgu lādiņu un elektromagnētisko lauku ir elektromagnētiskā spēka avots, kas ir viens no četriem pamata spēkiem (skat. Arī: magnētiskais lauks).

Divdesmitā gadsimta eksperimenti parādīja, ka elektriskais lādiņš ir kvantēts; tas ir, tas nāk ar atsevišķu mazu vienību veseliem skaitļiem, ko sauc par elementāro lādiņu, e, aptuveni vienāds ar 1,602 × 10–19 kuloniem (izņemot daļiņas, ko sauc par kvarkiem, kuru lādiņi ir veseli skaitļu reizinājumi 1/3e). Protona lādiņš ir +e, bet elektronam - −e. Lādētu daļiņu izpēti un to, kā to mijiedarbību nodrošina fotoni, sauc par kvantu elektrodinamiku.

2. solis: spriegums

Spriegums, elektriskā potenciāla starpība, elektriskais spiediens vai elektriskā spriedze (oficiāli apzīmēta kā orV vai ∆U, bet biežāk vienkāršota kā V vai U, piemēram, saistībā ar Ohma vai Kirhhofa ķēdes likumiem) ir elektriskās potenciālās enerģijas atšķirība starp diviem punkti par elektrisko lādiņu vienību. Spriegums starp diviem punktiem ir vienāds ar darbu, kas veikts uz vienu uzlādes vienību pret statisku elektrisko lauku, lai testa lādiņu pārvietotu starp diviem punktiem. To mēra voltu vienībās (džouls uz kulonu).

Spriegumu var izraisīt statiski elektriskie lauki, elektriskā strāva caur magnētisko lauku, laika mainīgie magnētiskie lauki vai kāda šo trīs kombinācija. [1] [2] Voltmetru var izmantot, lai izmērītu spriegumu (vai potenciālu starpību) starp diviem sistēmas punktiem; bieži kā viens no punktiem tiek izmantots kopīgs atskaites potenciāls, piemēram, sistēmas pamats. Spriegums var būt vai nu enerģijas avots (elektromotora spēks), vai zaudēta, izmantota vai uzkrāta enerģija (potenciālais kritums)

Aprakstot spriegumu, strāvu un pretestību, kopīga analoģija ir ūdens tvertne. Šajā analoģijā lādiņu attēlo ūdens daudzums, spriegumu - ūdens spiediens, bet strāvu - ūdens plūsma. Tāpēc šai analoģijai atcerieties:

Ūdens = maksa

Spiediens = spriegums

Plūsma = pašreizējā

Apsveriet ūdens tvertni noteiktā augstumā virs zemes. Šīs tvertnes apakšā ir šļūtene.

Tātad, tvertnē ar lielāku pretestību strāva ir zemāka.

3. solis: elektrība

Elektrība ir elektriskā lādiņa klātbūtne un plūsma. Tās vispazīstamākā forma ir elektronu plūsma caur vadītājiem, piemēram, vara vadiem.

Elektroenerģija ir enerģijas veids, kas izpaužas pozitīvā un negatīvā veidā, kas rodas dabiski (kā zibens) vai tiek ražots (kā ģeneratorā). Tas ir enerģijas veids, ko mēs izmantojam mašīnu un elektrisko ierīču darbināšanai. Kad lādiņi nepārvietojas, elektrību sauc par statisko elektrību. Kad lādiņi pārvietojas, tie ir elektriskā strāva, ko dažreiz sauc par “dinamisku elektrību”. Zibens ir vispazīstamākais un bīstamākais elektrības veids dabā, bet dažreiz statiskā elektrība liek lietām salipt kopā.

Elektrība var būt bīstama, jo īpaši ap ūdeni, jo ūdens ir vadītāja veids. Kopš deviņpadsmitā gadsimta elektrība ir izmantota visos mūsu dzīves posmos. Līdz tam tā bija tikai ziņkārība, kas redzēta pērkona negaisa laikā.

Elektrību var radīt, ja magnēts iet tuvu metāla vadam. Šo metodi izmanto ģenerators. Lielākie ģeneratori atrodas spēkstacijās. Elektroenerģiju var ražot arī, apvienojot ķimikālijas burkā ar divu dažādu veidu metāla stieņiem. Šī ir metode, ko izmanto akumulatorā. Statisko elektrību rada berze starp diviem materiāliem. Piemēram, vilnas vāciņš un plastmasas lineāls. Berzēt tos kopā var radīt dzirksti. Elektroenerģiju var ražot arī, izmantojot saules enerģiju, piemēram, fotoelementos.

Elektrība mājās nonāk pa vadiem no vietas, kur tā tiek ražota. To izmanto elektriskās lampas, elektriskie sildītāji utt. Daudzas sadzīves tehnikas, piemēram, veļas mazgājamās mašīnas un elektriskās plītis, izmanto elektrību. Rūpnīcās ir elektrības jaudas mašīnas. Cilvēkus, kuri mūsu mājās un rūpnīcās nodarbojas ar elektrību un elektroierīcēm, sauc par "elektriķiem".

Teiksim tagad, ka mums ir divas tvertnes, katra tvertne ar šļūteni, kas nāk no apakšas. Katrā tvertnē ir tieši tāds pats ūdens daudzums, bet šļūtene vienā tvertnē ir šaurāka nekā šļūtene otrā.

Mēs izmērām tādu pašu spiedienu katras šļūtenes galā, bet, kad ūdens sāk plūst, ūdens plūsmas ātrums tvertnē ar šaurāku šļūteni būs mazāks nekā ūdens plūsma tvertnē ar plašāka šļūtene. Elektriskā ziņā strāva caur šaurāko šļūteni ir mazāka nekā strāva caur plašāku šļūteni. Ja mēs vēlamies, lai caur abām šļūtenēm plūsma būtu vienāda, mums ar šaurāku šļūteni jāpalielina ūdens daudzums (uzlāde) tvertnē.

4. solis: elektriskā pretestība un vadītspēja

Hidrauliskajā analoģijā strāva, kas plūst caur vadu (vai rezistoru), ir kā ūdens, kas plūst caur cauruli, un sprieguma kritums visā vadā ir līdzīgs spiediena kritumam, kas izspiež ūdeni caur cauruli. Vadītspēja ir proporcionāla plūsmai noteiktā spiedienā, un pretestība ir proporcionāla tam, cik liels spiediens ir vajadzīgs, lai sasniegtu noteiktu plūsmu. (Vadītspēja un pretestība ir abpusēji.)

Sprieguma kritums (t.i., atšķirība starp spriegumiem rezistora vienā pusē un otrā), nevis pats spriegums, nodrošina dzinējspēku, kas stumj strāvu caur rezistoru. Hidraulikā tas ir līdzīgi: spiedienu starpība starp divām caurules pusēm, nevis pats spiediens, nosaka plūsmu caur to. Piemēram, virs caurules var būt liels ūdens spiediens, kas mēģina izspiest ūdeni caur cauruli. Bet zem caurules var būt tikpat liels ūdens spiediens, kas mēģina virzīt ūdeni atpakaļ uz augšu caur cauruli. Ja šie spiedieni ir vienādi, ūdens neplūst. (Attēlā pa labi ūdens spiediens zem caurules ir nulle.)

Vada, rezistora vai cita elementa pretestību un vadītspēju galvenokārt nosaka divas īpašības:

• ģeometrija (forma) un
• materiāls

Ģeometrija ir svarīga, jo ir grūtāk izgrūst ūdeni caur garu, šauru cauruli nekā platu, īsu cauruli. Tādā pašā veidā garai, plānai vara stieplei ir lielāka pretestība (zemāka vadītspēja) nekā īsai, biezai vara stieplei.

Materiāli arī ir svarīgi. Caurule, kas piepildīta ar matiem, ierobežo ūdens plūsmu vairāk nekā tīra tādas pašas formas un izmēra caurule. Līdzīgi elektroni var brīvi un viegli plūst caur vara stiepli, bet nevar plūst tik viegli caur tādas pašas formas un izmēra tērauda stiepli, un tie būtībā nevar plūst caur izolatoru, piemēram, gumiju, neatkarīgi no tā formas. Atšķirība starp varu, tēraudu un gumiju ir saistīta ar to mikroskopisko struktūru un elektronu konfigurāciju, un to nosaka īpašība, ko sauc par pretestību.

Papildus ģeometrijai un materiālam ir arī citi faktori, kas ietekmē pretestību un vadītspēju.

Ir saprotams, ka caur šauru cauruli nevaram ievietot tik daudz tilpuma kā plašāku cauruli pie tāda paša spiediena. Tā ir pretestība. Šaurā caurule "pretojas" ūdens plūsmai caur to, lai gan ūdens ir tādā pašā spiedienā kā tvertne ar plašāku cauruli.

Elektriskā ziņā to attēlo divas ķēdes ar vienādu spriegumu un atšķirīgu pretestību. Ķēde ar lielāku pretestību ļaus plūst mazāk lādiņa, tas nozīmē, ka ķēdei ar lielāku pretestību caur to plūst mazāk strāvas.

5. solis: Oma likums

Oma likums nosaka, ka strāva caur vadītāju starp diviem punktiem ir tieši proporcionāla spriegumam abos punktos. Ieviešot proporcionalitātes konstanti, pretestību, nonāk pie parastā matemātiskā vienādojuma, kas raksturo šīs attiecības:

kur I ir strāva caur vadītāju ampēros, V ir spriegums, ko mēra pāri vadītājam voltu vienībās, un R ir vadītāja pretestība omu vienībās. Konkrētāk, Oma likums nosaka, ka R šajā sakarībā ir nemainīgs, neatkarīgs no strāvas.

Likums tika nosaukts vācu fiziķa Georga Ohma vārdā, kurš 1827. gadā publicētajā traktātā aprakstīja pielietotā sprieguma un strāvas mērījumus, izmantojot vienkāršas elektriskās ķēdes, kas satur dažāda garuma vadus. Oms savus eksperimentālos rezultātus izskaidroja ar nedaudz sarežģītāku vienādojumu nekā iepriekš minētā mūsdienu forma (sk. Vēsture).

Fizikā terminu Oma likums lieto arī, lai apzīmētu dažādus likuma vispārinājumus, ko sākotnēji formulēja Oms.