Tai yra, elektrinis laukas turėjo „traukti“ elektronus per apkrovą, o šiuo atveju sunaudota energija apibūdinama dydžiu, vadinamu elektros įtampa. Ta pati energija buvo išleista tam tikram apkrovos medžiagos būsenos pokyčiui. Energija, kaip žinome, niekur nedingsta ir neatsiranda iš niekur. Taip sakoma Energijos tvermės dėsnis. Tai yra, jei srovė, einanti per apkrovą, sunaudota energija, apkrova įgijo šią energiją ir, pavyzdžiui, įkaista.
Tai yra, mes pasiekiame apibrėžimą: elektros srovės įtampa yra dydis, rodantis, kiek darbo atliko laukas perkeldamas krūvį iš vieno taško į kitą. Įtampa skirtingose grandinės dalyse bus skirtinga. Tuščio laido atkarpoje įtampa bus labai maža, o ruože su bet kokia apkrova – daug didesnė, o įtampos dydis priklausys nuo srovės atliekamo darbo kiekio. Įtampa matuojama voltais (1 V). Norėdami nustatyti įtampą, yra formulė:
kur U yra įtampa, A yra darbas, kurį atlieka srovė perkeliant krūvį q į tam tikrą grandinės atkarpą.
Įtampa srovės šaltinio poliuose
Kalbant apie įtampą grandinės skyriuje, viskas aišku. Ką tada reiškia įtampa poliuose? srovės šaltinis? Šiuo atveju ši įtampa reiškia potencialų energijos kiekį, kurį šaltinis gali perduoti srovei. Tai tarsi vandens slėgis vamzdžiuose. Tai yra energijos kiekis, kuris bus sunaudotas, jei prie šaltinio bus prijungta tam tikra apkrova. Todėl kuo didesnė įtampa srovės šaltinyje, tuo daugiau darbo gali atlikti srovė.
2) Dielektrikai elektriniame lauke
Skirtingai nuo laidininkų, dielektrikai neturi nemokamų mokesčių. Visi mokesčiai yra
sujungti: elektronai priklauso jų atomams, o kietųjų dielektrikų jonai vibruoja
šalia kristalinės gardelės mazgų.
Atitinkamai, dielektriką patalpinus į elektrinį lauką, kryptingas krūvių judėjimas nevyksta
Todėl mūsų savybių įrodymai netinka dielektrikams
laidininkai – juk visi šie argumentai buvo pagrįsti srovės atsiradimo galimybe. Iš tiesų, nė viena iš keturių ankstesniame straipsnyje suformuluotų laidininkų savybių
netaikomas dielektrikams.
2. Tūrinio krūvio tankis dielektrike gali skirtis nuo nulio.
3. Įtempimo linijos negali būti statmenos dielektriko paviršiui.
4. Skirtingi dielektriko taškai gali turėti skirtingą potencialą. Todėl kalbėkite apie
„dielektrinis potencialas“ nėra būtinas.
Dielektrikų poliarizacija- reiškinys, susijęs su ribotu surištų krūvių poslinkiu dielektrikoje arba elektrinių dipolių sukimu, dažniausiai veikiant išoriniam elektriniam laukui, kartais veikiant kitoms išorinėms jėgoms arba spontaniškai.
Dielektrikų poliarizacijai būdinga elektrinis poliarizacijos vektorius. Fizinė elektrinės poliarizacijos vektoriaus reikšmė yra dipolio momentas dielektriko tūrio vienetui. Kartais poliarizacijos vektorius trumpai vadinamas tiesiog poliarizacija.
Poliarizacijos vektorius yra tinkamas makroskopinei poliarizacijos būsenai apibūdinti ne tik įprastų dielektrikų, bet ir feroelektrikų bei iš esmės bet kokių panašių savybių turinčių terpių. Tai taikoma ne tik indukuotai poliarizacijai, bet ir spontaninei poliarizacijai (feroelektrikoje) apibūdinti.
Poliarizacija yra dielektriko būsena, kuriai būdingas elektrinio dipolio momento buvimas bet kuriame (arba beveik bet kuriame) jo tūrio elemente.
Skiriama poliarizacija, sukelta dielektrikoje, veikiant išoriniam elektriniam laukui, ir spontaninė (spontaniška) poliarizacija, kuri atsiranda feroelektrikuose, kai išorinio lauko nėra. Kai kuriais atvejais dielektriko (feroelektriko) poliarizacija įvyksta veikiant mechaniniams įtempiams, trinties jėgoms arba dėl temperatūros pokyčių.
Poliarizacija nekeičia grynojo krūvio jokiame makroskopiniame tūryje vienalyčiame dielektrike. Tačiau jį lydi tam tikro paviršiaus tankio σ surištų elektros krūvių atsiradimas ant jo paviršiaus. Šie surištieji krūviai dielektrike sukuria papildomą makroskopinį intensyvumo lauką, nukreiptą prieš išorinį lauką. Dėl to lauko stipris dielektriko viduje bus išreikštas lygybe:
Priklausomai nuo poliarizacijos mechanizmo, dielektrikų poliarizaciją galima suskirstyti į šiuos tipus:
Elektroninis – atomų elektronų apvalkalų poslinkis veikiant išoriniam elektriniam laukui. Greičiausia poliarizacija (iki 10−15 s). Nesusijęs su nuostoliais.
Joninis - kristalinės struktūros mazgų poslinkis veikiant išoriniam elektriniam laukui, o poslinkis yra mažesnis už gardelės konstantą. Srauto laikas 10−13 s, be nuostolių.
Dipolis (orientacija) - atsiranda su nuostoliais įveikiant sukabinimo jėgas ir vidinę trintį. Susijęs su dipolių orientacija išoriniame elektriniame lauke.
Elektronų relaksacija – defektinių elektronų orientacija išoriniame elektriniame lauke.
Jonų atsipalaidavimas – silpnai fiksuotų kristalinės struktūros mazguose arba tarpvietėje esančių jonų išstūmimas.
Struktūrinė – priemaišų ir nehomogeninių makroskopinių intarpų orientacija dielektrike. Lėčiausias tipas.
Spontaniškas (spontaniškas) - dėl tokio tipo poliarizacijos dielektrikuose, kuriuose ji stebima, poliarizacija pasižymi žymiai netiesinėmis savybėmis net esant mažoms išorinio lauko vertėms, ir stebimas histerezės reiškinys. Tokiems dielektrikams (feroelektrikams) būdingos labai didelės dielektrinės konstantos (kai kurioms kondensatorių keramikos rūšims nuo 900 iki 7500). Spontaniškos poliarizacijos įvedimas, kaip taisyklė, padidina medžiagos nuostolių tangentą (iki 10–2)
Rezonansinė – dalelių, kurių natūralūs dažniai sutampa su išoriniais dažniais, orientacija. elektrinis laukas.
Migracinė poliarizacija atsiranda dėl to, kad medžiagoje yra skirtingo laidumo sluoksniai, erdvės krūvių susidarymas, ypač esant aukštos įtampos gradientams, turi didelius nuostolius ir yra lėtai veikianti poliarizacija.
Dielektrikų poliarizacija (išskyrus rezonansinę poliarizaciją) yra didžiausia statiniuose elektriniuose laukuose. Kintamuose laukuose dėl elektronų, jonų ir elektrinių dipolių inercijos elektrinės poliarizacijos vektorius priklauso nuo dažnio.
Mes tai žinome elektros- tai tvarkingas įkrautų dalelių judėjimas, kurį sukuria elektrinis laukas ir tuo pačiu jis veikia. Darbas, kurį atlieka elektrinio lauko jėgos, sukuriančios elektros srovę, vadinamas dabartinis darbas. Tokio darbo metu elektrinio lauko energija paverčiama kitos rūšies energija – mechanine, vidine ir kt.
Nuo ko priklauso srovės veikimas? Galima drąsiai teigti, kad tai priklauso nuo srovės stiprumo, t.y. elektros krūvis, pratekanti grandine per 1 s. Tuo įsitikinome susipažinę su įvairiais srovės efektais (žr. § 35). Pavyzdžiui, praleidžiant srovę per geležinę ar nikelio laidą, pamatėme, kad kuo didesnė srovės stipris, tuo laido temperatūra tapo aukštesnė, t.y., tuo stipresnis srovės šiluminis poveikis.
Bet srovės darbas priklauso ne tik nuo srovės stiprumo. Tai taip pat priklauso nuo kito dydžio, kuris vadinamas elektros įtampa arba tiesiog įtampa.
Įtampa- Tai fizinis kiekis, apibūdinantis elektrinį lauką. Jis žymimas raide U. Norėdami susipažinti su šiuo labai svarbiu fiziniu dydžiu, atsigręžkime į patirtį.
64 paveiksle parodyta elektros grandinė, kurioje prijungta žibintuvėlio lemputė. Dabartinis šaltinis čia yra baterija. 64 paveiksle, b parodyta kita grandinė; joje yra lempa, naudojama patalpoms apšviesti. Srovės šaltinis šioje grandinėje yra miesto apšvietimo tinklas. Ampermetrai, įtraukti į nurodytas grandines, rodo tą pačią srovę abiejose grandinėse. Tačiau prie miesto tinklo prijungta lempa suteikia daug daugiau šviesos ir šilumos nei lempa iš žibintuvėlio. Tai paaiškinama tuo, kad esant vienodam srovės stiprumui, srovės darbas šiose grandinės atkarpose judant 1 C lygiam elektros krūviui yra skirtingas. Šis srovės darbas nustato naują fizikinį dydį, vadinamą elektros įtampa.
Ryžiai. 64. Skirtingas lempų švytėjimas esant vienodam srovės stiprumui:
a - srovės šaltinis - baterija; b – srovės šaltinis – miesto tinklas
Akumuliatoriaus sukuriama įtampa yra žymiai mažesnė nei miesto tinklo įtampa. Štai kodėl esant tokiai pat stipriai srovei, elektros lemputė, prijungta prie akumuliatoriaus grandinės, gamina mažiau šviesos ir šilumos.
Įtampa rodo, kiek darbo atlieka elektrinis laukas judinant įrenginį teigiamas krūvis iš vieno taško į kitą.
Žinodami srovės A darbą tam tikroje grandinės atkarpoje ir visą elektros krūvį q, einantį per šią sekciją, galime nustatyti įtampą U, ty srovės darbą judant vienam elektros krūviui:
Vadinasi, įtampa yra lygi darbo, kurį srovė tam tikroje srityje atlieka, ir elektros krūvio, praeinančio per šią sritį, santykiui.
Iš ankstesnės formulės galime nustatyti:
A = Uq, q = A/U.
Elektros srovė yra panaši į vandens tekėjimą upėse ir kriokliuose, tai yra vandens tekėjimą iš aukštesnio lygio į žemesnį lygį. Čia elektros krūvis (elektros kiekis) atitinka upės skerspjūviu tekančio vandens masę, o įtampa – lygių skirtumą, vandens slėgį upėje. Darbas, kurį atlieka vanduo krisdamas, pavyzdžiui, nuo užtvankos, priklauso nuo vandens masės ir kritimo aukščio. Srovės veikimas priklauso nuo elektros krūvio, tekančio per laidininko skerspjūvį, ir nuo įtampos, esančios ant šio laidininko. Kuo didesnis vandens lygių skirtumas, tuo daugiau darbų atlieka krintantis vanduo; Kuo didesnė įtampa grandinės atkarpoje, tuo didesnį darbą atlieka srovė. Ežere ir tvenkiniuose vandens lygis visur vienodas, vanduo ten neteka; Jei elektros grandinėje nėra įtampos, vadinasi, joje nėra elektros srovės.
Klausimai
- Aprašykite eksperimentą, kuris įrodo, kad srovės veikimas priklauso ne tik nuo srovės stiprio, bet ir nuo įtampos.
- Kas yra elektros įtampa?
- Kaip jį galima nustatyti pagal srovės ir elektros krūvio darbą?
Beveik kasdien tenka susidurti su sąvoka „elektros įtampa“, nes jos panaudojimo sritis neapsiriboja vien elektros prietaisais. Tai žaibo išlydžiai lietaus metu ir kibirkštys ant plastikinių šukų bei drabužių iš sintetinių audinių ir kt.
Sausoje akademinėje kalboje pateikiamas toks šio reiškinio apibrėžimas: elektros įtampa – nurodantis darbo kiekį, kurį atlieka krūvis 1 C (kulonas). Kulonas savo ruožtu rodo krūvio kiekį, praeinantį per laidžią medžiagą per 1 sekundę esant 1 A.
Taip pat priimtinas ir kitas apibrėžimas, pagal kurį elektros įtampa yra elektrinio lauko atliekamo darbo bandomajam krūviui perkelti tarp dviejų taškų santykis su skaitine tam tikro krūvio verte. Šiuo atveju visuotinai priimta, kad krūvio perdavimas neturi įtakos potencialų skirtumui (nekeičia įtampos), o judėjimo trajektorija gali būti nepaisoma. Formulės pavidalu šis apibrėžimas parašytas taip:
kur U – įtampa, A – darbas, q – krūvis.
Norint prisiminti, kokia elektros įtampa matuojama, nereikia įsiminti, nes užuomina visada yra po ranka, nes visi srovės šaltiniai nurodo įtampos vertę ir jos matmenis: tiesiog pažiūrėkite į bet kurią bateriją. Matavimo vienetas yra voltas (V, V).
Nuolatinės ir kintamosios srovės grandinių "elektros įtampos" sąvokos skiriasi. Būdingas periodiškas sinusoidės perėjimas per nulio ženklą, skaičiavimams naudojama ne momentinė, o efektyvioji vertė. Tai įmanoma dėl to, kad jo veikimas su aktyvia tiesine apkrova skaitine prasme atitinka pastovią įtampą.
Kas susidūrė su trifaziais elektros varikliais, tikriausiai pastebėjo keistą įrašą paso charakteristikose. Ten per trupmenos ženklą nurodomos dvi įtampos, pvz., 220/380 V. Rašybos klaidos nėra, iš tiesų įranga gali dirbti dviem skirtingomis efektyviosiomis reikšmėmis. Iš kur 380 V tinkle gali atsirasti 220? Pasirodo, kad įtampa gali būti fazinė arba tiesinė, priklausomai nuo matavimo metodo. Fazė nustatoma išmatuojant vertę tarp kiekvienos fazės ir nulinio laido, o tiesinė - tarp fazių laidų. Sujungę apkrovos grandinę į trikampį, galite gauti tiesinės lygybės, o žvaigždės grandinės atveju pirmoji fazė yra 1,73 karto mažesnė už linijinę.
Įtampai matuoti naudojamas specialus prietaisas – voltmetras. Pagrindinis jo bruožas yra būtinybė prijungti srovės surinkimo zondus lygiagrečiai apkrovai. Aukštas nesukelia šunto iškraipymų. Štai kodėl, pavyzdžiui, in buitiniam naudojimui galimas tiesioginis prijungimas prie lizdo (priešingai nei ampermetras, kuris yra prijungtas prie atviros grandinės).
Tačiau palikime trijų aukštų formules akademikams ir išsiaiškinkime, kas yra „elektros įtampa“, kalbant paprasta žmonių kalba. Taigi, tai yra krūvių (potencialų) skirtumas tarp dviejų savavališkų laidininko arba elektrinio lauko taškų. Šaltinis, sukeliantis elektronų judėjimą išilgai laidininko (generatoriaus, akumuliatoriaus), viename gale sukuria elektronų perteklių, o kitame – trūkumą. Atitinkamai skiriasi ir kaltinimų reikšmė. Pakanka sujungti šiuos taškus su bet kokia laidžia terpe, ir atsiras elektros srovė - įkrautų dalelių judėjimas, linkęs išlyginti nurodytą skirtumą. Kitaip tariant, srovės pobūdis reiškia atomų polinkį į stabilią būseną, sutrikusią magnetiniai laukai generatorius Įtampa gali egzistuoti be srovės, jei varža tarp taškų yra didelė. Tai paaiškina faktą, kad įprastos baterijos nepatiria „elektros smūgio“.
Srovė yra tvarkingas įkrautų dalelių judėjimas, metalams tai yra elektronai.
Įtampa yra elektrinio lauko ir krūvio dydžio santykis.
Šis paaiškinimas randamas daugumoje mokslinių šaltinių, tačiau visiškai netinkamas vizualiniam krūvininkų judėjimo modeliavimui. Nepaisant to, kad tai neturės įtakos supratimui apie grandinių dizainą ir elektroniką apskritai, nes nukenčia pagrindiniai procesai, kuriais grindžiama dauguma reiškinių, kurie naudojami ne tik elektronikoje.
Pirmiausia prisiminkime keletą vizualizacijai gana tinkamų reiškinių - metalo atomų kristalinę gardelę, kuri yra laidininkas daugumoje grandinių.
Kaip matome, atomų branduoliai turi teigiamą krūvį, elektronai – neigiamą, atstumas tarp atomų branduolių yra labai reikšmingas, tačiau dėl skirtingų potencialų jie linkę traukti, todėl intensyviai judant įkrautoms dalelėms kartkartėmis gali susidurti su branduoliais.
Taip pat labai svarbų vaidmenį atlieka atomų branduolių judėjimo greitis, kuris priklauso nuo laidininko temperatūros, jie pradeda greitai judėti ir atsitrenkia į daugiau elektronų bei atpalaiduoja daugiau elektronų atgal, todėl daugiau elektronų perduoda savo kinetinė energija į atomo branduolį, sukelianti didesnę vibraciją ir dėl to didesnį kaitinimą. Taigi per laidininką gali keliauti mažiau elektronų. Įkrautos dalelės juda veikiamos įtampos, tai yra jėga, kuri priverčia krūvininkus judėti viena kryptimi, kuo didesnė įtampa, tuo daugiau elektronų gali įveikti atomo branduolių trauką. Bet tuo pačiu metu suteikiant elektronų daugiau kinetinė energija, galima padidinti atomų branduolių vibraciją, ko pasekoje – dar didesnis laidininko įkaitimas. Atsparumas priklauso ir nuo laidininko skerspjūvio ploto, kuo didesnis skerspjūvis, tuo daugiau atomų branduolių vienu metu gali priimti ir išleisti krūvininkų, o tai ne tik sumažina varžą, bet ir padidina laidininko šiluminę talpą. , o tai reiškia, kad jis gali lengviau atlaikyti perkaitimą.
Tačiau verta paminėti, kad tokį laidą aušinti yra sunkiau, jam aušinti reikės daugiau galios, nors praktiškai laidas parenkamas taip, kad vardinė srovė, jis neįkaito, ir ši taisyklė galioja tik rezistoriams, kur varža didesnė ir išleidžiama galia didesnė. Kadangi judėdami elektronai kurį laiką užsibūna prie atomų branduolių, kol juos iš branduolio lauko išmuša kitas elektronas, tai laidininko atkarpoje, per ją tekant srovei, bus tam tikras skirtumas. įkrautų dalelių skaičiuje. Tai vadinama įtampos kritimu, kaip taisyklė, didžiausias įtampos kritimas atsiranda didžiausios varžos grandinės atkarpoje, įtampos kritimas priklauso nuo srovės grandinėje ir atkarpos, kurioje atliekamas matavimas, varžos. Elementariųjų dalelių judėjimo lygmenyje mes ką tik paaiškinome kai kuriuos Ohmo dėsnio aspektus, rezistoriaus išskiriamą galią ir kodėl ji virsta šiluma. Su įtampa viskas paprasčiau, pirma, prisiminkime, kad įtampos šaltinis gali būti tiek cheminės baterijos (akumuliatoriai, baterijos ir kt.), tiek magnetinės-dinaminės (generatoriai, elektros varikliai). Veikimo principai skirtingi, bet rezultatas tas pats – toks potencialų skirtumas gnybtuose. Paprasčiau tariant, tai tiesiog yra laisvųjų elektronų skirtumas, tai yra, viename gnybte jų yra žymiai daugiau nei kitame. Laisvaisiais elektronais vadinami tie elektronai, kurie nėra prisijungę prie konkrečios orbitos šalia atomo branduolio, veikiami magnetinių laukų, chaotiškai juda visame laidininke, todėl įtampa visose laidininko dalyse yra vienoda (tol, kol juo neteka srovė). O įtampos šaltinį galima įsivaizduoti kaip siurblį, kuris siurbia srovę iš vieno gnybto į kitą.
