Es decir, el campo eléctrico tenía que "atraer" electrones a través de la carga, y la energía que se consumía en este caso se caracteriza por una cantidad llamada voltaje eléctrico. La misma energía se gastó en algún cambio en el estado de la sustancia de carga. La energía, como sabemos, no desaparece en ninguna parte ni aparece de la nada. Esto es lo que dice Ley de conservación de la energía.. Es decir, si la corriente gasta energía que pasa a través de la carga, la carga adquiere esta energía y, por ejemplo, se calienta.
Es decir, llegamos a la definición: voltaje de corriente eléctrica es una cantidad que muestra cuánto trabajo realizó el campo al mover una carga de un punto a otro. El voltaje en diferentes partes del circuito será diferente. El voltaje en una sección de un cable vacío será muy pequeño, y el voltaje en una sección con cualquier carga será mucho mayor, y la magnitud del voltaje dependerá de la cantidad de trabajo realizado por la corriente. El voltaje se mide en voltios (1 V). Para determinar el voltaje existe una fórmula:
donde U es el voltaje, A es el trabajo realizado por la corriente para mover la carga q a una determinada sección del circuito.
Voltaje en los polos de la fuente actual.
En cuanto al voltaje en la sección del circuito, todo está claro. ¿Qué significa entonces el voltaje en los polos? fuente actual? En este caso, este voltaje significa la cantidad potencial de energía que la fuente puede impartir a la corriente. Es como la presión del agua en las tuberías. Esta es la cantidad de energía que se consumirá si se conecta una determinada carga a la fuente. Por lo tanto, cuanto mayor sea el voltaje en la fuente de corriente, más trabajo puede realizar la corriente.
2) Dieléctricos en un campo eléctrico.
A diferencia de los conductores, los dieléctricos no tienen cargas libres. Todos los cargos son
conectado: los electrones pertenecen a sus átomos y los iones de dieléctricos sólidos vibran
cerca de los nodos de la red cristalina.
En consecuencia, cuando se coloca un dieléctrico en un campo eléctrico, no se produce ningún movimiento direccional de cargas.
Por lo tanto, nuestras pruebas de propiedades no pasan por dieléctricos.
conductores; después de todo, todos estos argumentos se basaban en la posibilidad de aparición de corriente. En efecto, ninguna de las cuatro propiedades de los conductores formuladas en el artículo anterior
no se aplica a los dieléctricos.
2. La densidad de carga volumétrica en un dieléctrico puede ser distinta de cero.
3. Las líneas de tensión no pueden ser perpendiculares a la superficie del dieléctrico.
4. Diferentes puntos del dieléctrico pueden tener diferentes potenciales. Por lo tanto, hablar de
El “potencial dieléctrico” no es necesario.
Polarización de dieléctricos.- un fenómeno asociado con un desplazamiento limitado de cargas ligadas en un dieléctrico o la rotación de dipolos eléctricos, generalmente bajo la influencia de un campo eléctrico externo, a veces bajo la influencia de otras fuerzas externas o de forma espontánea.
La polarización de los dieléctricos se caracteriza por vector de polarización eléctrica. El significado físico del vector de polarización eléctrica es el momento dipolar por unidad de volumen del dieléctrico. A veces, el vector de polarización se denomina brevemente simplemente polarización.
El vector de polarización es aplicable para describir el estado macroscópico de polarización no solo de dieléctricos ordinarios, sino también de ferroeléctricos y, en principio, de cualquier medio con propiedades similares. Es aplicable no sólo para describir la polarización inducida, sino también la polarización espontánea (en ferroeléctricos).
La polarización es un estado de un dieléctrico, que se caracteriza por la presencia de un momento dipolar eléctrico en cualquier (o casi cualquier) elemento de su volumen.
Se hace una distinción entre la polarización inducida en un dieléctrico bajo la influencia de un campo eléctrico externo y la polarización espontánea (espontánea), que ocurre en los ferroeléctricos en ausencia de un campo externo. En algunos casos, la polarización de un dieléctrico (ferroeléctrico) se produce bajo la influencia de tensiones mecánicas, fuerzas de fricción o debido a cambios de temperatura.
La polarización no cambia la carga neta en ningún volumen macroscópico dentro de un dieléctrico homogéneo. Sin embargo, va acompañado de la aparición en su superficie de cargas eléctricas ligadas con una determinada densidad superficial σ. Estas cargas unidas crean en el dieléctrico un campo macroscópico adicional con intensidad, dirigido contra el campo externo con intensidad. Como resultado, la intensidad del campo dentro del dieléctrico se expresará mediante la igualdad:
Dependiendo del mecanismo de polarización, la polarización de los dieléctricos se puede dividir en los siguientes tipos:
Electrónica: desplazamiento de las capas electrónicas de los átomos bajo la influencia de un campo eléctrico externo. La polarización más rápida (hasta 10-15 s). No asociado a pérdidas.
Iónico: desplazamiento de nodos de una estructura cristalina bajo la influencia de un campo eléctrico externo, y el desplazamiento es de una cantidad menor que la constante de red. Tiempo de flujo 10−13 s, sin pérdidas.
Dipolo (Orientación): ocurre con pérdidas en la superación de las fuerzas de acoplamiento y la fricción interna. Asociado con la orientación de dipolos en un campo eléctrico externo.
Relajación electrónica: orientación de los electrones defectuosos en un campo eléctrico externo.
Relajación de iones: desplazamiento de iones que están débilmente fijados en los nodos de la estructura cristalina o ubicados en el intersticio.
Estructural: orientación de impurezas e inclusiones macroscópicas no homogéneas en el dieléctrico. El tipo más lento.
Espontánea (espontánea): debido a este tipo de polarización, en los dieléctricos en los que se observa, la polarización exhibe propiedades significativamente no lineales incluso con valores bajos del campo externo, y se observa el fenómeno de histéresis. Estos dieléctricos (ferroeléctricos) se caracterizan por constantes dieléctricas muy altas (de 900 a 7500 para algunos tipos de condensadores cerámicos). La introducción de polarización espontánea, por regla general, aumenta la tangente de pérdida del material (hasta 10 −2)
Resonante: orientación de partículas cuyas frecuencias naturales coinciden con las frecuencias del exterior. campo eléctrico.
La migración de polarización es causada por la presencia en el material de capas con diferente conductividad, la formación de cargas espaciales, especialmente en altos gradientes de voltaje, tiene grandes pérdidas y es una polarización de acción lenta.
La polarización de los dieléctricos (excepto la polarización resonante) es máxima en campos eléctricos estáticos. En campos alternos, debido a la presencia de inercia de electrones, iones y dipolos eléctricos, el vector de polarización eléctrica depende de la frecuencia.
Lo sabemos electricidad- este es el movimiento ordenado de partículas cargadas, que es creado por un campo eléctrico y al mismo tiempo realiza trabajo. El trabajo realizado por las fuerzas del campo eléctrico que crean una corriente eléctrica se llama trabajo actual. En el proceso de dicho trabajo, la energía del campo eléctrico se convierte en otro tipo de energía: mecánica, interna, etc.
¿De qué depende el trabajo de la corriente? Es seguro decir que depende de la fuerza actual, es decir. carga eléctrica, fluyendo por el circuito en 1 s. Nos convencimos de ello al familiarizarnos con los diversos efectos de la corriente (ver § 35). Por ejemplo, al pasar una corriente a través de un alambre de hierro o níquel, vimos que cuanto mayor era la intensidad de la corriente, mayor era la temperatura del alambre, es decir, más fuerte era el efecto térmico de la corriente.
Pero el trabajo de la corriente depende no sólo de la fuerza actual. También depende de otra cantidad, que se llama voltaje eléctrico o simplemente voltaje.
Voltaje- Este cantidad física, caracterizando el campo eléctrico. Se denota con la letra U. Para familiarizarnos con esta cantidad física tan importante, recurramos a la experiencia.
La figura 64 muestra un circuito eléctrico en el que se conecta la bombilla de una linterna. La fuente actual aquí es una batería. La Figura 64, b muestra otro circuito, incluye una lámpara que se utiliza para iluminar el local. La fuente de corriente en este circuito es la red de alumbrado de la ciudad. Los amperímetros incluidos en los circuitos indicados indican la misma corriente en ambos circuitos. Sin embargo, una lámpara conectada a una red urbana proporciona mucha más luz y calor que una lámpara de linterna. Esto se explica por el hecho de que a la misma intensidad de corriente, el trabajo de la corriente en estas secciones del circuito cuando se mueve una carga eléctrica igual a 1 C es diferente. Este trabajo de la corriente determina una nueva cantidad física llamada voltaje electrico.
Arroz. 64. Brillo diferente de lámparas con la misma intensidad actual:
a - fuente de corriente - batería; b - fuente actual - red de la ciudad
El voltaje generado por la batería es significativamente menor que el voltaje de la red urbana. Por eso, con la misma intensidad de corriente, una bombilla conectada a un circuito de batería produce menos luz y calor.
El voltaje muestra cuánto trabajo realiza un campo eléctrico al mover una unidad Carga positiva de un punto a otro.
Conociendo el trabajo de la corriente A en una determinada sección del circuito y toda la carga eléctrica q que pasa por esta sección, podemos determinar el voltaje U, es decir, el trabajo de la corriente cuando una sola carga eléctrica se mueve:
En consecuencia, el voltaje es igual a la relación entre el trabajo realizado por la corriente en un área determinada y la carga eléctrica que pasa por esta área.
De la fórmula anterior podemos determinar:
A = Uq, q = A/U.
La corriente eléctrica es similar al flujo de agua en ríos y cascadas, es decir, el flujo de agua de un nivel superior a un nivel inferior. Aquí, la carga eléctrica (cantidad de electricidad) corresponde a la masa de agua que fluye a través de la sección transversal del río, y el voltaje corresponde a la diferencia de niveles, la presión del agua en el río. El trabajo que realiza el agua al caer, por ejemplo, de una presa, depende de la masa del agua y de la altura de su caída. El trabajo de la corriente depende de la carga eléctrica que fluye a través de la sección transversal del conductor y del voltaje en este conductor. Cuanto mayor es la diferencia en los niveles del agua, más trabajo hace el agua al caer; Cuanto mayor sea el voltaje en una sección del circuito, mayor será el trabajo realizado por la corriente. En los lagos y estanques, el nivel del agua es el mismo en todas partes y el agua no fluye allí; Si no hay voltaje en un circuito eléctrico, entonces no hay corriente eléctrica en él.
Preguntas
- Describa un experimento que demuestre que el trabajo de una corriente depende no solo de la intensidad de la corriente, sino también del voltaje.
- ¿Qué es el voltaje eléctrico?
- ¿Cómo se puede determinar mediante el trabajo de la corriente y la carga eléctrica?
Todos tenemos que lidiar con el concepto de "voltaje eléctrico" casi todos los días, porque el alcance de su uso no se limita únicamente a los aparatos eléctricos. Estos incluyen descargas de rayos durante la lluvia, chispas en un peine de plástico y ropa hecha de tejidos sintéticos, etc.
El lenguaje académico seco da la siguiente definición de este fenómeno: voltaje eléctrico: indica la cantidad de trabajo realizado por una carga en 1 C (Coulomb). El culombio, a su vez, indica la cantidad de carga que pasa a través de un material conductor en 1 segundo a 1 A.
También es aceptable otra definición, según la cual la tensión eléctrica es la relación entre el trabajo realizado por un campo eléctrico para mover una carga de prueba entre dos puntos y el valor numérico de una carga determinada. En este caso, generalmente se acepta que la transferencia de carga no afecta la diferencia de potencial (no cambia el voltaje) y se puede ignorar la trayectoria del movimiento. En forma de fórmula, esta definición se escribe de la siguiente manera:
donde U es voltaje, A es trabajo, q es carga.
Para recordar en qué se mide la tensión eléctrica, no es necesario memorizar, porque la pista siempre está a mano, ya que todas las fuentes de corriente indican el valor de la tensión y su dimensión: basta con mirar cualquier batería. La unidad de medida es Voltio (V, V).
Los conceptos de “tensión eléctrica” para circuitos de corriente continua y alterna son diferentes. Caracterizado por el paso periódico de una sinusoide a través de la marca cero, no se utiliza el valor instantáneo, sino el efectivo para los cálculos. Esto es posible debido a que su funcionamiento con una carga lineal activa corresponde numéricamente a una tensión constante.
Cualquiera que se haya topado con motores eléctricos trifásicos probablemente haya notado una entrada extraña en las características del pasaporte. Allí se indican mediante el signo de fracción dos voltajes, por ejemplo, 220/380 V. No hay ningún error tipográfico, de hecho, el equipo es capaz de funcionar con dos valores efectivos diferentes. ¿De dónde pueden venir 220 en una red de 380 V? Resulta que el voltaje puede ser fase o lineal, según el método de medición. La fase se determina midiendo el valor entre cada fase y el cable neutro, y lineal, entre los conductores de fase. Al conectar el circuito de carga en un triángulo, se puede obtener la igualdad de lineal y, para un circuito en estrella, la fase uno es 1,73 veces menor que la lineal.
Para medir el voltaje se utiliza un dispositivo especial: un voltímetro. Su característica principal es la necesidad de conectar sondas captadoras de corriente paralelas a la carga. Alto no introduce distorsión en derivación. Por eso, por ejemplo, en uso doméstico Es posible la conexión directa a un tomacorriente (a diferencia de un amperímetro que está conectado a un circuito abierto).
Pero dejemos las fórmulas de tres pisos a los académicos y averigüemos qué es el "voltaje eléctrico", hablando en un lenguaje humano simple. Entonces, esta es la diferencia de cargas (potenciales) entre dos puntos arbitrarios de un conductor o campo eléctrico. La fuente que provoca el movimiento de los electrones a lo largo de un conductor (generador, batería) crea un exceso de electrones en un extremo y un déficit en el otro. En consecuencia, el significado de las acusaciones también es diferente. Basta conectar estos puntos con cualquier medio conductor y surgirá una corriente eléctrica: el movimiento de partículas cargadas, que tiende a nivelar la diferencia indicada. En otras palabras, la naturaleza de la corriente implica la tendencia de los átomos a un estado estable, perturbado. campos magnéticos generador El voltaje puede existir sin corriente si la resistencia entre los puntos es alta. Esto explica el hecho de que las baterías convencionales no sufren “descargas eléctricas”.
La corriente es el movimiento ordenado de partículas cargadas; para los metales, estos son electrones.
El voltaje es la relación entre el campo eléctrico y la cantidad de carga.
Esta explicación se encuentra en la mayoría de las fuentes científicas, pero es completamente inadecuada para el modelado visual del movimiento de los portadores de carga. A pesar de que esto no afectará la comprensión del diseño de circuitos y de la electrónica en general, ya que se ven afectados procesos fundamentales que subyacen a la mayoría de los fenómenos que se utilizan no sólo en electrónica.
Para empezar, recordemos varios fenómenos bastante adecuados para la visualización: una red cristalina de átomos metálicos, que es un conductor en la gran mayoría de los circuitos.
Como vemos, los núcleos de los átomos tienen carga positiva, los electrones tienen carga negativa, la distancia entre los núcleos de los átomos es muy significativa, pero debido a diferentes potenciales tienden a atraerse, por lo tanto, con un movimiento intenso de partículas cargadas, Puede chocar con núcleos de vez en cuando.
Un papel muy importante también juega la velocidad de movimiento de los núcleos atómicos, que depende de la temperatura del conductor; comienzan a moverse rápidamente y chocan con más electrones, y liberan más electrones hacia atrás, por lo que un mayor número de electrones transfieren sus energía cinética al núcleo atómico, provocando una mayor vibración y, como resultado, un mayor calentamiento. Por tanto, menos electrones pueden viajar a través del conductor. Las partículas cargadas se mueven bajo la influencia del voltaje, esta es la fuerza que hace que los portadores de carga se muevan en una dirección, cuanto mayor es el voltaje, más electrones pueden vencer la atracción de los núcleos atómicos. Pero al mismo tiempo, dar electrones más energía cinética, es posible aumentar la vibración de los núcleos atómicos y, como resultado, un calentamiento aún mayor del conductor. La resistencia también depende del área de la sección transversal del conductor; cuanto mayor es la sección transversal, más núcleos atómicos pueden aceptar y liberar simultáneamente portadores de carga, lo que no solo reduce la resistencia, sino que también aumenta la capacidad calorífica del conductor. , lo que significa que puede soportar más fácilmente el sobrecalentamiento.
Pero vale la pena señalar que es más difícil enfriar un cable de este tipo; se necesitará más energía para enfriarlo, aunque en la práctica el cable se selecciona de modo que cuando Corriente nominal, no se calentó, y esta regla se aplica solo a las resistencias, donde la resistencia es mayor y la potencia liberada es mayor. Dado que cuando los electrones se mueven, permanecen durante algún tiempo cerca de los núcleos de los átomos hasta que otro electrón los elimina del campo del núcleo, entonces en la sección del conductor, cuando la corriente fluye a través de él, habrá una cierta diferencia. en el número de partículas cargadas. Esto se llama caída de voltaje, como regla general, la mayor caída de voltaje ocurre en la sección de mayor resistencia del circuito, la caída de voltaje depende de la corriente en el circuito y la resistencia de la sección en la que se realiza la medición. Acabamos de explicar a nivel del movimiento de partículas elementales algunos aspectos de la ley de Ohm, y la potencia liberada por la resistencia, y por qué se convierte en calor. Con el voltaje todo es más sencillo, primero recordemos que la fuente de voltaje pueden ser baterías químicas (acumuladores, baterías, etc.) o magnético-dinámicas (generadores, motores eléctricos). Los principios de funcionamiento son diferentes, pero el resultado es el mismo: esta es la diferencia de potencial en los terminales. En pocas palabras, esto es simplemente la diferencia en los electrones libres, es decir, hay significativamente más en un terminal que en el otro. Los electrones libres son aquellos electrones que no están unidos a una órbita específica cerca del núcleo de un átomo; bajo la influencia de campos magnéticos, se mueven caóticamente por todo el conductor, por lo que el voltaje es el mismo en todas las partes del conductor (siempre que no fluye corriente a través de él). Y la fuente de voltaje puede considerarse como una bomba que bombea corriente de un terminal a otro.
