Кернеу, ток, қарсылық және Ом заңы: 5 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:27

Бұл оқулықта қамтылған

Электр заряды кернеуге, токқа және қарсылыққа қалай байланысты.

Кернеу, ток және кедергі дегеніміз не.

Ом заңы дегеніміз не және оны электр энергиясын түсіну үшін қалай қолдануға болады.

Бұл түсініктерді көрсету үшін қарапайым эксперимент.

1 -қадам: Электр заряды

Электр заряды - бұл заттың физикалық қасиеті, ол электромагниттік өріске орналастырылған кезде оған күш әсер етеді. Электр зарядтарының екі түрі бар: оң және теріс (әдетте протондар мен электрондар тасымалданады). Зарядтар тәрізді тартады және тартуға ұқсамайды. Таза зарядтың болмауы бейтарап деп аталады. Егер объект электрондардың артық болса, теріс зарядталады, ал басқаша оң зарядталған немесе зарядталмаған. Электр зарядының SI алынған бірлігі - кулон (C). Электротехникада ампер-сағатты қолдану жиі кездеседі (Ах); ал химия кезінде қарапайым зарядты (е) бірлік ретінде қолдану жиі кездеседі. Q таңбасы көбінесе зарядты білдіреді. Зарядталған заттардың өзара әрекеттесуі туралы алғашқы білімді классикалық электродинамика деп атайды және кванттық әсерлерді ескеруді қажет етпейтін есептер үшін әлі де дәл болып табылады.

Электр заряды кейбір субатомдық бөлшектердің негізгі сақталған қасиеті болып табылады, бұл олардың электромагниттік өзара әрекеттесуін анықтайды. Электр зарядталған заттарға электромагниттік өрістер әсер етеді немесе шығарады. Қозғалыстағы заряд пен электромагниттік өрістің өзара әрекеттесуі төрт негізгі күштің бірі болып табылатын электромагниттік күштің көзі болып табылады (Қараңыз: магнит өрісі).

ХХ ғасыр эксперименттері электр заряды квантталғанын көрсетті; яғни, ол шамамен 1,602 × 10−19 кулонға тең болатын қарапайым заряд деп аталатын жеке кіші бірліктердің бүтін сандарымен келеді (кварктар деп аталатын бөлшектерден басқа, зарядтары 1/3е болатын). Протонның заряды +e, ал электронның заряды -е. Зарядталған бөлшектерді және олардың өзара әрекеттесуін фотондар қалай жүргізетінін зерттеу кванттық электродинамика деп аталады.

2 -қадам: кернеу:

Кернеу, электрлік потенциалдар айырмасы, электр қысымы немесе электр кернеуі (ресми түрде ∆V немесе ∆U деп белгіленеді, бірақ көбінесе V немесе U ретінде жеңілдетіледі, мысалы Ом немесе Кирхгофтың тізбек заңдары аясында) - бұл екі потенциалдық энергияның айырмашылығы. бірлік электр зарядына нүкте. Екі нүкте арасындағы кернеу сынақ зарядын екі нүкте арасында жылжыту үшін статикалық электр өрісіне қарсы заряд бірлігіне жасалған жұмысқа тең. Бұл вольт бірлігімен өлшенеді (кулонға джоуль).

Кернеу статикалық электр өрістерінен, магнит өрісі арқылы өтетін электр тогынан, уақыт өзгеретін магнит өрістерінен немесе осы үшеуінің комбинациясынан туындауы мүмкін. [1] [2] Жүйенің екі нүктесі арасындағы кернеуді (немесе потенциалдар айырмасын) өлшеу үшін вольтметрді қолдануға болады; нүктелердің бірі ретінде жиі жүйенің негізі сияқты жалпы анықтамалық потенциал қолданылады. Кернеу не энергия көзін (электр қозғаушы күшін), не жоғалған, пайдаланылған немесе жинақталған энергияны көрсетуі мүмкін (ықтимал төмендеу)

Кернеуді, токты және қарсылықты сипаттағанда, жалпы ұқсастық - бұл су ыдысы. Бұл ұқсастықта заряд су мөлшерімен, кернеу су қысымымен, ал ток су ағынымен көрсетіледі. Сондықтан бұл ұқсастық үшін есіңізде болсын:

Су = заряд

Қысым = кернеу

Ағын = Ағым

Жер бетінен белгілі бір биіктіктегі су ыдысын қарастырыңыз. Бұл резервуардың түбінде шланг бар.

Сонымен, резистенттілігі жоғары резервуарда ток төмен болады.

3 -қадам: Электр қуаты:

Электр - бұл электр зарядының болуы мен ағымы. Оның ең танымал түрі-мыс сымдары сияқты өткізгіштер арқылы электрондардың ағымы.

Электр энергиясы - бұл табиғи түрде (найзағайдағыдай) пайда болатын (генератордағыдай) оң және теріс түрінде келетін энергия түрі. Бұл біз машиналар мен электр құрылғыларын қуаттандыру үшін қолданатын энергия түрі. Зарядтар қозғалмаған кезде электр тогы статикалық электр деп аталады. Зарядтар қозғалатын кезде олар электр тогы, кейде «динамикалық электр» деп аталады. Найзағай-табиғаттағы ең танымал және қауіпті электр түрі, бірақ кейде статикалық электр заттардың бір-біріне жабысуына әкеледі.

Электр тогы қауіпті болуы мүмкін, әсіресе су айналасында, себебі су өткізгіштің бір түрі. ХІХ ғасырдан бастап электр энергиясы біздің өміріміздің әр бөлігінде қолданыла бастады. Осы уақытқа дейін бұл найзағай кезінде байқалатын қызығушылық еді.

Егер магнит металл сымға жақын өтсе, электр энергиясын жасауға болады. Бұл генератор қолданатын әдіс. Ең үлкен генераторлар электр станцияларында. Электр қуатын химиялық заттарды екі түрлі металл шыбықтармен құмыраға біріктіру арқылы алуға болады. Бұл батареяда қолданылатын әдіс. Статикалық электр екі материал арасындағы үйкеліс нәтижесінде пайда болады. Мысалы, жүннен жасалған қалпақ пен пластикалық сызғыш. Оларды бір -бірімен сүрту ұшқын тудыруы мүмкін. Электр энергиясын фотоэлектрлік ұяшықтардағыдай күн сәулесінен де алуға болады.

Электр энергиясы үйлерге сым арқылы ол шыққан жерден келеді. Оны электр лампалары, электр жылытқыштар және т.б. қолданады. Көптеген тұрмыстық техникалар, мысалы, кір жуғыш машиналар мен электр плиталары электр энергиясын пайдаланады. Зауыттарда электр қуатын беретін машиналар бар. Біздің үйлер мен зауыттарда электр және электр құрылғыларымен айналысатын адамдарды «электрик» деп атайды.

Енді айтайық, бізде екі танк бар, олардың әрқайсысы түтігі төменнен келеді. Әр резервуарда бірдей мөлшерде су бар, бірақ бір резервуардағы шланг екінші шлангқа қарағанда тар.

Біз шлангтың екеуінде де қысымның бірдей мөлшерін өлшейміз, бірақ су ағып кете бастағанда, тар шлангісі бар резервуардағы судың шығыны резервуардағы су ағынының жылдамдығынан төмен болады. кеңірек шланг. Электрлік тұрғыдан алғанда, тар шланг арқылы өтетін ток кеңірек шланг арқылы өтетін токқа қарағанда аз. Егер біз екі шланг арқылы ағынның бірдей болуын қаласақ, тар шлангпен резервуардағы судың (зарядтың) мөлшерін көбейтуіміз керек.

4 -қадам: Электр кедергісі мен өткізгіштік

Гидравликалық ұқсастықта сым арқылы өтетін ток (немесе резистор) құбыр арқылы өтетін суға ұқсайды, ал сым бойынша кернеудің төмендеуі құбыр арқылы суды итеріп жіберетін қысымның төмендеуіне ұқсайды. Өткізгіштік берілген қысым үшін қанша ағын пайда болатынына пропорционалды, ал қарсылық берілген ағынға жету үшін қанша қысым қажет екеніне пропорционалды. (Өткізгіштік пен қарсылық өзара.)

Кернеудің өзі емес, кернеудің төмендеуі (яғни резистордың бір жағындағы кернеу мен екіншісіндегі кернеулер арасындағы айырмашылық) қозғаушы күшті резистор арқылы итермелейді. Гидравликада бұл ұқсас: құбырдың екі жағындағы қысымның айырмашылығы қысымның өзі емес, ол арқылы өтетін ағымды анықтайды. Мысалы, құбырдың үстінде үлкен су қысымы болуы мүмкін, ол құбыр арқылы суды төмен түсіруге тырысады. Бірақ құбырдың астында суды жоғары көтеруге тырысатын судың қысымы бірдей болуы мүмкін. Егер бұл қысым тең болса, онда су ағып кетпейді. (Оң жақтағы суретте құбыр астындағы су қысымы нөлге тең.)

Сымның, резистордың немесе басқа элементтің кедергісі мен өткізгіштігі негізінен екі қасиетпен анықталады:

• геометрия (пішін) және
• материал

Геометрия маңызды, себебі суды кең, қысқа құбырға қарағанда ұзын, тар құбыр арқылы итеру қиын. Дәл осылай ұзын, жіңішке мыс сымның қысқа, қалың мыс сымға қарағанда қарсылығы жоғары (өткізгіштігі төмен).

Материалдар да маңызды. Шашқа толтырылған құбыр судың ағынын бір пішіні мен өлшемі таза құбырдан гөрі шектейді. Сол сияқты электрондар мыс сым арқылы еркін және оңай ағып кетуі мүмкін, бірақ пішіні мен өлшемі бірдей болат сым арқылы оңай ағып кете алмайды, және олардың пішініне қарамастан резеңке тәрізді оқшаулағыш арқылы олар мүлде ағып кете алмайды. Мыс, болат және резеңке арасындағы айырмашылық олардың микроскопиялық құрылымы мен электронды конфигурациясына байланысты және қарсылық деп аталатын қасиетпен анықталады.

Геометрия мен материалдан басқа кедергі мен өткізгіштікке әсер ететін басқа да факторлар бар.

Біз тар құбыр арқылы бір қысымда кеңірек құбырға қарағанда үлкен көлемді сыйдыра алмайтынымызды түсінеміз. Бұл қарсылық. Тар құбыр, су кеңірек құбыры бар резервуардағы қысыммен бірдей болса да, ол арқылы өтетін су ағынына «қарсы тұрады».

Электрлік жағдайда бұл кернеуі бірдей және әр түрлі кедергісі бар екі тізбекпен ұсынылған. Қарсылығы жоғары тізбек зарядтың аз ағуына мүмкіндік береді, яғни кедергісі жоғары тізбектің одан аз ток өтеді.

5 -қадам: Ом заңы:

Ом заңы екі нүкте арасындағы өткізгіш арқылы өтетін ток екі нүктедегі кернеуге тура пропорционал екенін айтады. Пропорционалдылық тұрақтылығын, қарсылықты енгізе отырып, бұл қатынасты сипаттайтын әдеттегі математикалық теңдеуге келеді:

мұнда I - ампер бірліктеріндегі өткізгіш арқылы өтетін ток, V - вольт бірлігінде өткізгіш бойынша өлшенетін кернеу, ал R - Ом бірліктеріндегі өткізгіштің кедергісі. Нақтырақ айтсақ, Ом заңы бұл қатынастағы R тұрақты, токқа тәуелсіз деп көрсетеді.

Заң 1827 жылы жарияланған трактатта әр түрлі ұзындықтағы сымдары бар қарапайым электр тізбектері арқылы кернеу мен токтың өлшемдерін сипаттайтын неміс физигі Георг Омның есімімен аталды. Ом өзінің эксперименттік нәтижелерін жоғарыдағы заманауи формаға қарағанда сәл күрделі теңдеумен түсіндірді (Тарихты қараңыз).

Физикада Ом заңы термині бастапқыда Ом тұжырымдаған заңның әр түрлі жалпылауына қатысты қолданылады.