Besaran listrik dasar: muatan, tegangan, arus, daya, hambatan

Besaran listrik dasar: arus, tegangan, hambatan dan daya.

Mengisi daya

Fenomena fisik terpenting dalam rangkaian listrik adalah gerak muatan listrik… Ada dua jenis muatan di alam—positif dan negatif. Seperti biaya menarik, seperti biaya menolak. Ini mengarah pada fakta bahwa ada kecenderungan untuk mengelompokkan muatan positif dengan muatan negatif dalam jumlah yang sama.

Sebuah atom terdiri dari inti bermuatan positif yang dikelilingi oleh awan elektron bermuatan negatif. Muatan negatif total dalam nilai absolut sama dengan muatan positif inti. Oleh karena itu, atom memiliki muatan total nol, ia juga dikatakan netral secara kelistrikan.

Dalam bahan yang bisa menahan listrik, beberapa elektron dipisahkan dari atom dan memiliki kemampuan untuk bergerak dalam bahan penghantar. Elektron ini disebut muatan bergerak atau pembawa muatan.

Karena setiap atom dalam keadaan awal adalah netral, setelah pemisahan elektron bermuatan negatif, ia menjadi ion bermuatan positif.Ion positif tidak dapat bergerak bebas dan membentuk sistem muatan tetap dan tetap (lihat — Zat apa yang menghantarkan listrik).

Dalam semikonduktormerupakan kelas material yang penting, elektron bergerak dapat bergerak dalam dua cara: atau elektron hanya berperilaku sebagai pembawa muatan negatif. Atau kumpulan kompleks dari banyak elektron bergerak sedemikian rupa seolah-olah ada pembawa bergerak bermuatan positif dalam materi. Biaya tetap dapat berupa salah satu karakter.

Bahan konduktif dapat dianggap sebagai bahan yang mengandung pembawa muatan bergerak (yang dapat memiliki salah satu dari dua tanda) dan muatan tetap dengan polaritas berlawanan.

Ada juga bahan yang disebut isolator yang tidak menghantarkan listrik. Semua muatan dalam isolator adalah tetap. Contoh isolator adalah udara, mika, kaca, lapisan tipis oksida yang terbentuk di permukaan banyak logam, dan, tentu saja, ruang hampa (di mana tidak ada muatan sama sekali).

Muatan diukur dalam coulomb (C) dan biasanya dilambangkan dengan Q.

Jumlah muatan atau jumlah listrik negatif per elektron telah ditetapkan melalui berbagai percobaan dan ditemukan 1,601 × 10-19 CL atau 4,803 x 10-10 muatan elektrostatik.

Beberapa gagasan tentang jumlah elektron yang mengalir melalui kawat bahkan pada arus yang relatif rendah dapat diperoleh sebagai berikut. Karena muatan elektron adalah 1,601 • 10-19 CL, maka jumlah elektron yang menghasilkan muatan sama dengan coulomb adalah kebalikan dari yang diberikan, yaitu kira-kira sama dengan 6 • 1018.

Arus 1 A sesuai dengan aliran 1 C per detik, dan pada arus hanya 1 μmka (10-12 A) melalui penampang kabel, kira-kira 6 juta elektron per detik.Arus sebesar itu pada saat yang sama sangat kecil sehingga deteksi dan pengukurannya dikaitkan dengan kesulitan eksperimental yang signifikan.

Muatan ion positif adalah kelipatan bilangan bulat dari muatan elektron, tetapi memiliki tanda kebalikannya. Untuk partikel yang terionisasi tunggal, muatannya ternyata sama dengan muatan elektron.

Kepadatan inti jauh lebih tinggi daripada kerapatan elektron.Sebagian besar volume yang ditempati atom secara keseluruhan kosong.

Konsep fenomena listrik

Dengan menggosokkan dua benda yang berbeda bersama-sama, serta dengan induksi, benda tersebut dapat diberi sifat khusus - listrik. Badan seperti itu disebut listrik.

Fenomena yang terkait dengan interaksi benda-benda yang dialiri listrik disebut fenomena listrik.

Interaksi antara benda-benda yang dialiri listrik ditentukan oleh apa yang disebut Gaya listrik yang berbeda dari gaya alam lain karena menyebabkan benda bermuatan saling tolak dan menarik satu sama lain, terlepas dari kecepatan geraknya.

Dengan cara ini, interaksi antara benda bermuatan berbeda, misalnya, dari gaya gravitasi, yang hanya dicirikan oleh daya tarik benda, atau dari gaya asal magnet, yang bergantung pada kecepatan relatif pergerakan muatan, menyebabkan gaya magnet fenomena.

Teknik kelistrikan terutama mempelajari hukum manifestasi eksternal dari properti badan yang dialiri listrik - hukum medan elektromagnetik.

Tegangan

Karena daya tarik yang kuat antara muatan yang berlawanan, sebagian besar material bersifat netral secara elektrik. Dibutuhkan energi untuk memisahkan muatan positif dan negatif.

Dalam gambar. Gambar 1 menunjukkan dua pelat berkonduksi, awalnya tidak bermuatan yang berjarak satu sama lain pada jarak d.Diasumsikan bahwa ruang antar pelat diisi dengan isolator, seperti udara, atau berada dalam ruang hampa.

Beras. 1. Dua pelat konduktif, awalnya tidak bermuatan: a — pelat netral secara listrik; b — muatan -Q ditransfer ke pelat bawah (ada perbedaan potensial dan medan listrik di antara pelat).

Dalam gambar. 1, kedua pelat netral, dan total muatan nol pada pelat atas dapat dinyatakan dengan jumlah muatan +Q dan -Q. Dalam gambar. 1b, muatan -Q ditransfer dari pelat atas ke pelat bawah. Jika dalam gambar. 1b, kami menghubungkan pelat dengan kabel, maka gaya tarik-menarik dari muatan yang berlawanan akan menyebabkan muatan dengan cepat ditransfer kembali dan kami akan kembali ke situasi yang ditunjukkan pada gambar. 1, sebuah. Muatan positif akan pindah ke pelat bermuatan negatif dan muatan negatif ke pelat bermuatan positif.

Kami mengatakan bahwa di antara pelat bermuatan yang ditunjukkan pada Gambar. 1b, ada perbedaan potensial dan pada pelat atas yang bermuatan positif, potensialnya lebih tinggi daripada pelat bawah yang bermuatan negatif. Secara umum, ada perbedaan potensial antara dua titik jika konduksi antara titik tersebut menghasilkan transfer muatan.

Muatan positif bergerak dari titik potensial tinggi ke titik potensial rendah, arah pergerakan muatan negatif berlawanan - dari titik potensial rendah ke titik potensial tinggi.

Satuan untuk mengukur beda potensial adalah volt (V). Perbedaan potensial disebut tegangan dan biasanya dilambangkan dengan huruf U.

Untuk mengukur ketegangan antara dua titik, konsep ini digunakan Medan listrik… Dalam kasus yang ditunjukkan pada gambar.1b, ada medan listrik yang seragam antara pelat yang diarahkan dari daerah dengan potensial lebih tinggi (dari pelat positif) ke daerah dengan potensial lebih rendah (ke pelat negatif).

Kekuatan medan ini, dinyatakan dalam volt per meter, sebanding dengan muatan pada pelat dan dapat dihitung dari hukum fisika jika distribusi muatan diketahui. Hubungan antara besarnya medan listrik dan tegangan U antar pelat berbentuk U = E NS e (volt = volt / meter x meter).

Jadi, transisi dari potensial yang lebih rendah ke potensial yang lebih tinggi sesuai dengan pergerakan melawan arah medan Dalam struktur yang lebih kompleks, medan listrik mungkin tidak seragam di mana-mana, dan untuk menentukan beda potensial antara dua titik, perlu berulang kali menggunakan persamaan U = E NS e.

Interval antara titik-titik yang menarik bagi kami dibagi menjadi banyak bagian, yang masing-masing cukup kecil untuk bidang yang seragam di dalamnya. Persamaan tersebut kemudian diterapkan berturut-turut ke setiap segmen U = E NS e dan beda potensial untuk setiap bagian dijumlahkan. Jadi, untuk distribusi muatan dan medan listrik apa pun, Anda dapat menemukan beda potensial antara dua titik mana pun.

Saat menentukan beda potensial, penting untuk menunjukkan tidak hanya besarnya tegangan antara dua titik, tetapi juga titik mana yang memiliki potensi tertinggi. Namun, dalam rangkaian listrik yang mengandung beberapa elemen berbeda, tidak selalu mungkin untuk menentukan terlebih dahulu titik mana yang memiliki potensi tertinggi. Untuk menghindari kebingungan, perlu menerima kondisi tanda (Gbr. 2).

Beras. 2… Menentukan polaritas tegangan (tegangan bisa positif atau negatif).

Elemen rangkaian bipolar diwakili oleh sebuah kotak yang dilengkapi dengan dua terminal (Gbr. 2, a). Garis yang mengarah dari kotak ke terminal dianggap sebagai konduktor arus listrik yang ideal. Satu terminal ditandai dengan tanda plus, yang lainnya dengan tanda minus. Karakter ini memperbaiki polaritas relatif. Tegangan U dalam gbr. 2, dan ditentukan oleh kondisi U = (potensi terminal «+») — (potensi terminal «-«).

Dalam gambar. 2b, pelat bermuatan dihubungkan ke terminal sehingga terminal «+» dihubungkan ke pelat dengan potensial lebih tinggi. Di sini tegangan U adalah bilangan positif. Dalam gambar. 2, terminal «+» terhubung ke pelat potensial yang lebih rendah. Akibatnya, kami mendapatkan tegangan negatif.

Penting untuk diingat tentang bentuk aljabar representasi stres. Setelah polaritas ditentukan, tegangan positif berarti terminal «+» memiliki (potensial lebih tinggi) dan tegangan negatif berarti terminal «-» memiliki potensi lebih tinggi.

Saat ini

Telah dicatat di atas bahwa pembawa muatan positif berpindah dari daerah berpotensi tinggi ke daerah berpotensi rendah, sedangkan pembawa muatan negatif berpindah dari daerah berpotensi rendah ke daerah berpotensi tinggi. Setiap transfer biaya berarti kedaluwarsa listrik.

Dalam gambar. 3 menunjukkan beberapa kasus sederhana aliran arus listrik, permukaan dipilih C dan arah positif nosional ditunjukkan. Jika dari waktu ke waktu dt melalui bagian S, muatan total Q akan melewati arah yang dipilih, maka arus I melalui S akan sama dengan I = dV/dT. Satuan pengukuran arus adalah ampere (A) (1A = 1C / s).

Beras. 3… Hubungan antara arah arus dan arah aliran muatan bergerak.Arusnya positif (a dan b) jika aliran muatan positif yang dihasilkan melalui beberapa permukaan C bertepatan dengan arah yang dipilih. Arus negatif (b dan d) jika aliran muatan positif yang dihasilkan melintasi permukaan berlawanan dengan arah yang dipilih.

Kesulitan sering muncul dalam menentukan tanda Iz saat ini. Jika pembawa muatan bergerak positif, maka arus positif menggambarkan pergerakan sebenarnya dari pembawa muatan bergerak dalam arah yang dipilih, sedangkan arus negatif menggambarkan aliran pembawa muatan bergerak yang berlawanan dengan arah yang dipilih.

Jika operator seluler negatif, Anda harus berhati-hati saat menentukan arah arus. Pertimbangkan ara. 3d di mana pembawa muatan seluler negatif melintasi S ke arah yang dipilih. Asumsikan bahwa setiap pembawa memiliki muatan -q dan laju aliran melalui S adalah n pembawa per detik. Selama dt adalah lintasan total muatan C dalam arah yang dipilih adalah dV = -n NS q NS dt, yang sesuai dengan arus I = dV/ dT.

Oleh karena itu, arus pada Gbr.3d adalah negatif. Selain itu, arus ini bertepatan dengan arus yang diciptakan oleh pergerakan pembawa positif dengan muatan + q melalui permukaan S dengan kecepatan n pembawa per detik dalam arah yang berlawanan dengan yang dipilih (Gbr. 3, b). Jadi, muatan dua digit tercermin dalam arus dua digit. Untuk sebagian besar kasus di sirkuit elektronik, tanda arus signifikan dan tidak masalah pembawa muatan mana (positif atau negatif) yang membawa arus itu. Oleh karena itu, seringkali ketika mereka berbicara tentang arus listrik, mereka berasumsi bahwa pembawa muatannya positif (lihat — Arah arus listrik).

Namun, dalam perangkat semikonduktor, perbedaan antara pembawa muatan positif dan negatif sangat penting untuk pengoperasian perangkat.Pemeriksaan mendetail tentang pengoperasian perangkat ini harus dengan jelas membedakan tanda-tanda pembawa muatan seluler. Konsep arus yang mengalir melalui area tertentu dapat dengan mudah digeneralisasi menjadi arus melalui elemen rangkaian.

Dalam gambar. 4 menunjukkan elemen bipolar. Arah arus positif ditunjukkan oleh panah.

Beras. 4. Arus melalui elemen rangkaian. Muatan memasuki sel melalui terminal A dengan laju i (coulomb per detik) dan meninggalkan sel melalui terminal A' dengan laju yang sama.

Jika arus positif mengalir melalui elemen rangkaian, muatan positif memasuki terminal A dengan laju i coulomb per detik. Tapi, seperti yang sudah disebutkan, material (dan elemen rangkaian) biasanya tetap netral secara elektrik. (Bahkan sel "bermuatan" pada Gambar 1 memiliki muatan total nol.) Oleh karena itu, jika muatan mengalir ke dalam sel melalui terminal A, jumlah muatan yang sama harus mengalir keluar sel secara bersamaan melalui terminal A'. Kontinuitas aliran arus listrik melalui elemen rangkaian mengikuti dari netralitas elemen secara keseluruhan.

Kekuatan

Setiap elemen bipolar dalam rangkaian dapat memiliki tegangan antara terminalnya dan arus dapat mengalir melaluinya. Tanda-tanda arus dan tegangan dapat ditentukan secara independen, tetapi ada hubungan fisik yang penting antara polaritas tegangan dan arus, untuk klarifikasi yang biasanya diambil beberapa kondisi tambahan.

Dalam gambar. 4 menunjukkan bagaimana polaritas relatif dari tegangan dan arus ditentukan. Ketika arah arus dipilih, itu mengalir ke terminal «+». Ketika kondisi tambahan ini terpenuhi, besaran listrik yang penting—daya listrik—dapat ditentukan. Pertimbangkan elemen sirkuit pada Gambar. 4.

Jika tegangan dan arusnya positif, maka ada aliran muatan positif yang terus menerus dari titik potensial tinggi ke titik potensial rendah. Untuk mempertahankan aliran ini, perlu memisahkan muatan positif dari muatan negatif dan memasukkannya ke terminal «+». Pemisahan yang terus menerus ini membutuhkan pengeluaran energi yang terus menerus.

Saat muatan melewati elemen, mereka melepaskan energi ini. Dan karena energi harus disimpan, energi itu dilepaskan di elemen rangkaian sebagai panas (misalnya, di pemanggang roti) atau disimpan di dalamnya (misalnya, saat mengisi baterai mobil). Tingkat di mana konversi energi ini terjadi disebut kekuatan dan ditentukan oleh ekspresi P = U NS Az (watt = volt x ampere).

Satuan ukuran daya adalah watt (W), yang sesuai dengan konversi energi 1 J menjadi 1 detik. Daya sama dengan produk tegangan dan arus dengan polaritas yang ditentukan dalam gambar. 4 adalah besaran aljabar.

Jika P > 0, seperti pada kasus di atas, daya dihamburkan atau diserap dalam elemen. Jika P < 0, maka dalam hal ini elemen menyuplai daya ke sirkuit yang terhubung dengannya.

Elemen resistif

Untuk setiap elemen rangkaian, Anda dapat menulis hubungan spesifik antara tegangan terminal dan arus melalui elemen tersebut. Elemen resistif adalah elemen yang hubungan antara tegangan dan arus dapat diplot.Grafik ini disebut karakteristik arus-tegangan. Contoh fitur seperti itu ditunjukkan pada gambar. 5.

Beras. 5. Karakteristik arus-tegangan dari elemen resistif

Jika tegangan pada terminal elemen D diketahui, maka grafik dapat menentukan arus yang melalui elemen D.Demikian juga, jika arus diketahui, tegangan dapat ditentukan.

Resistansi sempurna

Resistansi ideal (atau resistor) adalah elemen resistif linier… Menurut definisi linearitas, hubungan antara tegangan dan arus dalam elemen resistif linier sedemikian rupa sehingga ketika arus digandakan, tegangan juga digandakan. Secara umum, tegangan harus sebanding dengan arus.

Hubungan proporsional antara tegangan dan arus disebut Hukum Ohm untuk bagian sirkuit dan ditulis dalam dua cara: U = I NS R, di mana R adalah resistansi elemen, dan I = G NS U, di mana G = I / R adalah konduktivitas elemen. Satuan hambatan adalah ohm (ohm), dan satuan konduktivitas adalah siemens (cm).

Karakteristik arus-tegangan dari resistansi ideal ditunjukkan pada Gambar. 6. Grafiknya berupa garis lurus melalui titik asal dengan kemiringan sama dengan Az/R.

Beras. 6. Penunjukan (a) dan karakteristik arus-tegangan (b) dari resistor ideal.

Kekuatan dengan ketahanan sempurna

Mengekspresikan daya yang diserap oleh resistansi ideal:

P = U NS I = I2NS R, P = U2/ R

Sama seperti daya yang diserap, dalam resistansi ideal, bergantung pada kuadrat arus (atau tegangan), tanda daya yang diserap v dalam resistansi ideal bergantung pada tanda R. Meskipun nilai resistansi negatif terkadang digunakan saat mensimulasikan jenis perangkat tertentu yang beroperasi dalam mode tertentu, semua resistansi nyata biasanya positif. Untuk hambatan ini, daya yang diserap selalu positif.

Energi listrik yang diserap oleh resistansi, menurut hukum kekekalan energi, Harus NSberubah menjadi spesies lain.Paling sering, energi listrik diubah menjadi energi panas, yang disebut panas Joule. Tingkat ekskresi joule panas dalam hal resistansi, itu cocok dengan laju penyerapan energi listrik. Pengecualian adalah elemen resistif (misalnya bola lampu atau speaker), di mana sebagian energi yang diserap diubah menjadi bentuk lain (energi cahaya dan suara).

Keterkaitan besaran listrik utama

Untuk arus searah, unit dasar ditunjukkan pada gambar. 7.

Beras. 7. Keterkaitan besaran listrik utama

Empat unit dasar - arus, tegangan, resistansi, dan daya - saling berhubungan oleh hubungan yang terjalin dengan andal, yang memungkinkan kita untuk melakukan tidak hanya pengukuran langsung, tetapi juga pengukuran tidak langsung atau untuk menghitung nilai yang kita butuhkan dari pengukuran lain. Jadi, untuk mengukur tegangan di bagian sirkuit, seseorang harus memiliki voltmeter, tetapi meskipun tidak ada, mengetahui arus di sirkuit dan hambatan arus di bagian ini, Anda dapat menghitung nilai tegangan.