Grandezas elétricas básicas: carga, tensão, corrente, potência, resistência

Grandezas elétricas básicas: corrente, tensão, resistência e potência.

Carregando

O fenômeno físico mais importante em circuitos elétricos é o movimento carga elétrica… Existem dois tipos de cargas na natureza — positiva e negativa. Cargas iguais se atraem, cargas iguais se repelem. Isso leva ao fato de que existe uma tendência de agrupar cargas positivas com negativas em quantidades iguais.

Um átomo consiste em um núcleo carregado positivamente cercado por uma nuvem de elétrons carregados negativamente. A carga negativa total em valor absoluto é igual à carga positiva do núcleo. Portanto, o átomo tem carga total zero, também é dito eletricamente neutro.

Em materiais que podem conter eletricidade, alguns elétrons são separados dos átomos e têm a capacidade de se mover em um material condutor. Esses elétrons são chamados de cargas móveis ou portadores de carga.

Como cada átomo no estado inicial é neutro, após a separação do elétron carregado negativamente, ele se torna um íon carregado positivamente.Os íons positivos não podem se mover livremente e formar um sistema de cargas estacionárias e fixas (ver - Quais substâncias conduzem eletricidade).

Em semicondutoresconstituindo uma importante classe de materiais, os elétrons móveis podem se mover de duas maneiras: ou os elétrons simplesmente se comportam como portadores de carga negativa. Ou uma coleção complexa de muitos elétrons se move de tal maneira como se houvesse portadores móveis carregados positivamente no material. As cargas fixas podem ser de qualquer um dos caracteres.

Materiais condutores podem ser pensados ​​como materiais contendo portadores de carga móveis (que podem ter um de dois sinais) e cargas fixas de polaridade oposta.

Existem também materiais chamados de isolantes que não conduzem eletricidade. Todas as cargas no isolador são fixas. Exemplos de isolantes são ar, mica, vidro, finas camadas de óxidos que se formam nas superfícies de muitos metais e, claro, vácuo (no qual não há nenhuma carga).

A carga é medida em coulombs (C) e geralmente é denotada por Q.

A quantidade de carga ou a quantidade de eletricidade negativa por elétron foi estabelecida através de numerosos experimentos e descobriu-se que é 1,601 × 10-19 CL ou 4,803 x 10-10 cargas eletrostáticas.

Alguma ideia do número de elétrons fluindo através de um fio, mesmo em correntes relativamente baixas, pode ser obtida da seguinte maneira. Como a carga do elétron é 1,601 • 10-19 CL, o número de elétrons que criam uma carga igual ao coulomb é o recíproco do dado, ou seja, é aproximadamente igual a 6 • 1018.

Uma corrente de 1 A corresponde a um fluxo de 1 C por segundo, e a uma corrente de apenas 1 μmka (10-12 A) através da seção transversal do fio, aproximadamente 6 milhões de elétrons por segundo.Correntes de tal magnitude são ao mesmo tempo tão pequenas que sua detecção e medição estão associadas a dificuldades experimentais significativas.

A carga de um íon positivo é um múltiplo inteiro da carga de um elétron, mas tem o sinal oposto. Para partículas que são ionizadas individualmente, a carga acaba sendo igual à carga do elétron.

A densidade do núcleo é muito maior do que a densidade do elétron, e a maior parte do volume ocupado pelo átomo como um todo está vazio.

O conceito de fenômenos elétricos

Ao esfregar dois corpos diferentes, bem como por indução, os corpos podem receber propriedades especiais – elétricas. Esses corpos são chamados eletrificados.

Os fenômenos associados à interação de corpos eletrificados são chamados fenômenos elétricos.

A interação entre corpos eletrificados é determinada pelo chamado Forças elétricas que diferem das forças de outra natureza pelo fato de fazerem corpos carregados se repelirem e se atrairem, independentemente da velocidade de seu movimento.

Dessa forma, a interação entre corpos carregados difere, por exemplo, da gravitacional, que se caracteriza apenas pela atração dos corpos, ou das forças de origem magnética, que dependem da velocidade relativa do movimento das cargas, causando fenômenos.

A engenharia elétrica estuda principalmente as leis de manifestação externa de propriedades corpos eletrificados — leis dos campos eletromagnéticos.

Tensão

Devido à forte atração entre cargas opostas, a maioria dos materiais é eletricamente neutra. É preciso energia para separar as cargas positivas e negativas.

Na fig. 1 mostra duas placas condutoras, inicialmente sem carga, separadas por uma distância d.Supõe-se que o espaço entre as placas seja preenchido com um isolante, como o ar, ou que estejam no vácuo.

Arroz. 1. Duas placas condutoras inicialmente descarregadas: a — as placas são eletricamente neutras; b — a carga -Q é transferida para a placa inferior (existe uma diferença de potencial e um campo elétrico entre as placas).

Na fig. 1, ambas as placas são neutras e a carga zero total na placa superior pode ser representada pela soma das cargas +Q e -Q. Na fig. 1b, a carga -Q é transferida da placa superior para a placa inferior. Se na fig. 1b, conectamos as placas com um fio, então as forças de atração das cargas opostas farão com que a carga seja transferida rapidamente de volta e retornaremos à situação mostrada na fig. 1, a. Cargas positivas se moveriam para a placa carregada negativamente e cargas negativas para a placa carregada positivamente.

Dizemos que entre as placas carregadas mostradas na Fig. 1b, há uma diferença de potencial e que na placa superior carregada positivamente o potencial é maior do que na placa inferior carregada negativamente. Em geral, existe uma diferença de potencial entre dois pontos se a condução entre esses pontos resultar em transferência de carga.

As cargas positivas se movem de um ponto de alto potencial para um ponto de baixo potencial, a direção do movimento das cargas negativas é oposta - de um ponto de baixo potencial para um ponto de alto potencial.

A unidade para medir a diferença de potencial é o volt (V). A diferença de potencial é chamada de tensão e geralmente é indicada pela letra U.

Para quantificar a tensão entre dois pontos, o conceito é usado campo elétrico… No caso mostrado na fig.1b, existe um campo elétrico uniforme entre as placas direcionado da região de maior potencial (da placa positiva) para a região de menor potencial (da placa negativa).

A força deste campo, expressa em volts por metro, é proporcional à carga nas placas e pode ser calculada a partir das leis da física se a distribuição de cargas for conhecida. A relação entre a magnitude do campo elétrico e a tensão U entre as placas tem a forma U = E NS e (volt = volt / metro x metro).

Assim, a transição de um potencial menor para um maior corresponde ao movimento contra a direção do campo. Em uma estrutura mais complexa, o campo elétrico pode não ser uniforme em todos os lugares e, para determinar a diferença de potencial entre dois pontos, é necessário usar repetidamente a equação U = E NS e.

O intervalo entre os pontos de interesse para nós é dividido em muitas seções, cada uma das quais é pequena o suficiente para que o campo seja uniforme nela. A equação é então aplicada sucessivamente a cada segmento U = E NS e e as diferenças de potencial para cada seção são somadas. Assim, para qualquer distribuição de cargas e campos elétricos, você pode encontrar a diferença de potencial entre quaisquer dois pontos.

Ao determinar a diferença de potencial, é necessário indicar não apenas a magnitude da tensão entre dois pontos, mas também qual ponto possui o maior potencial. No entanto, em circuitos elétricos contendo vários elementos diferentes, nem sempre é possível determinar antecipadamente qual ponto possui o maior potencial. Para evitar confusão, é necessário aceitar a condição de sinais (Fig. 2).

Arroz. 2… Determinação da polaridade da tensão (a tensão pode ser positiva ou negativa).

Um elemento de circuito bipolar é representado por uma caixa equipada com dois terminais (Fig. 2, a). As linhas que vão da caixa aos terminais são consideradas condutores ideais de corrente elétrica. Um terminal é marcado com um sinal de mais, o outro com um sinal de menos. Esses caracteres fixam a polaridade relativa. Tensão U na fig. 2, e é determinado pela condição U = (potencial do terminal «+») — (potencial do terminal «-«).

Na fig. 2b, as placas carregadas são conectadas aos terminais de modo que o terminal «+» seja conectado à placa de maior potencial. Aqui a tensão U é um número positivo. Na fig. 2, o terminal «+» é conectado à placa de potencial inferior. Como resultado, obtemos uma tensão negativa.

É importante lembrar sobre a forma algébrica de representação de tensão. Uma vez determinada a polaridade, uma tensão positiva significa que o terminal «+» tem um (maior potencial) e uma tensão negativa significa que o terminal «-» tem um potencial maior.

Atual

Foi observado acima que os portadores de carga positiva se movem da região de alto potencial para a região de baixo potencial, enquanto os portadores de carga negativa se movem da região de baixo potencial para a região de alto potencial. Qualquer transferência de taxas significa expiração eletricidade.

Na fig. 3 mostra alguns casos simples de fluxo de corrente elétrica, a superfície é escolhida C e a direção positiva teórica é mostrada. Se ao longo do tempo dt através da seção S, a carga total Q passará na direção escolhida, então a corrente I através de S será igual a I = dV/dT. A unidade de medida da corrente é o ampère (A) (1A = 1C/s).

Arroz. 3… A relação entre a direção da corrente e a direção do fluxo de cargas móveis.A corrente é positiva (a e b) se o fluxo resultante de cargas positivas através de alguma superfície C coincide com a direção escolhida. A corrente é negativa (b e d) se o fluxo resultante de cargas positivas através da superfície for oposto ao sentido escolhido.

Muitas vezes surgem dificuldades na determinação do sinal da corrente Iz. Se os portadores de carga móvel forem positivos, então a corrente positiva descreve o movimento real dos portadores móveis na direção escolhida, enquanto a corrente negativa descreve o fluxo de portadores de carga móvel opostos à direção escolhida.

Se as operadoras móveis forem negativas, você deve ter cuidado ao determinar a direção da corrente. Considere a fig. 3d em que os portadores de carga móvel negativa cruzam S na direção escolhida. Assuma que cada portador tem carga -q e a taxa de fluxo através de S é de n portadores por segundo. Durante dt a passagem total das cargas C no sentido escolhido será dV = -n NS q NS dt, que corresponde à corrente I = dV/ dT.

Portanto, a corrente na Fig.3d é negativa. Além disso, essa corrente coincide com a corrente criada pelo movimento de portadores positivos com carga + q através da superfície S a uma velocidade de n portadores por segundo na direção oposta à escolhida (Fig. 3, b). Assim, cargas de dois dígitos são refletidas na corrente de dois dígitos. Para a maioria dos casos em circuitos eletrônicos, o sinal da corrente é significativo e não importa quais portadores de carga (positivos ou negativos) transportam essa corrente. Portanto, muitas vezes, quando eles falam sobre corrente elétrica, eles assumem que os portadores de carga são positivos (consulte - Sentido da corrente elétrica).

Em dispositivos semicondutores, no entanto, a diferença entre portadores de carga positiva e negativa é crítica para a operação do dispositivo.Um exame detalhado da operação desses dispositivos deve distinguir claramente os sinais de portadores de carga móvel. O conceito de uma corrente fluindo através de uma certa área pode ser facilmente generalizado para uma corrente através de um elemento do circuito.

Na fig. 4 mostra um elemento bipolar. A direção da corrente positiva é indicada por uma seta.

Arroz. 4. Corrente através de um elemento do circuito. Cargas entram na célula pelo terminal A a uma taxa i (coulombs por segundo) e saem da célula pelo terminal A' na mesma taxa.

Se uma corrente positiva flui através de um elemento do circuito, uma carga positiva entra no terminal A a uma taxa de i coulombs por segundo. Mas, como já observado, os materiais (e os elementos do circuito) geralmente permanecem eletricamente neutros. (Mesmo uma célula "carregada" na Fig. 1 tem carga total zero.) Portanto, se a carga flui para dentro da célula através do terminal A, uma quantidade igual de carga deve fluir simultaneamente para fora da célula através do terminal A'. Essa continuidade do fluxo de corrente elétrica através do elemento do circuito decorre da neutralidade do elemento como um todo.

Poder

Qualquer elemento bipolar em um circuito pode ter uma tensão entre seus terminais e a corrente pode fluir através dele. Os sinais de corrente e tensão podem ser determinados independentemente, mas existe uma importante relação física entre as polaridades de tensão e corrente, para o esclarecimento da qual algumas condições adicionais geralmente são tomadas.

Na fig. 4 mostra como as polaridades relativas de tensão e corrente são determinadas. Quando a direção atual é selecionada, ela flui para o terminal «+». Quando essa condição adicional é atendida, uma quantidade elétrica importante – potência elétrica – pode ser determinada. Considere o elemento de circuito da Fig. 4.

Se a tensão e a corrente forem positivas, haverá um fluxo contínuo de cargas positivas de um ponto de alto potencial para um ponto de baixo potencial. Para manter este fluxo, é necessário separar as cargas positivas das negativas e introduzi-las no terminal «+». Essa separação contínua requer um gasto contínuo de energia.

À medida que as cargas passam pelo elemento, elas liberam essa energia. E como a energia deve ser armazenada, ela é liberada no elemento do circuito como calor (por exemplo, em uma torradeira) ou armazenada nele (por exemplo, ao carregar uma bateria de carro). A taxa na qual essa conversão de energia ocorre é chamada poder e é determinado pela expressão P = U NS Az (watts = volts x amperes).

A unidade de medida de potência é o watt (W), que corresponde à conversão de 1 J de energia em 1 s. Potência igual ao produto da tensão pela corrente com as polaridades definidas na fig. 4 é uma quantidade algébrica.

Se P > 0, como no caso anterior, a potência é dissipada ou absorvida no elemento. Se P < 0, então neste caso o elemento fornece energia ao circuito no qual está conectado.

elementos resistivos

Para cada elemento do circuito, você pode escrever uma relação específica entre a tensão do terminal e a corrente através do elemento. Um elemento resistivo é um elemento para o qual a relação entre tensão e corrente pode ser traçada. Este gráfico é chamado de característica corrente-tensão. Um exemplo de tal recurso é mostrado na fig. 5.

Arroz. 5. Característica corrente-tensão de um elemento resistivo

Se a tensão nos terminais do elemento D for conhecida, o gráfico pode determinar a corrente através do elemento D.Da mesma forma, se a corrente for conhecida, a tensão pode ser determinada.

Resistência perfeita

A resistência (ou resistor) ideal é elemento resistivo linear… Por definição de linearidade, a relação entre tensão e corrente em um elemento resistivo linear é tal que quando a corrente é dobrada, a tensão também é dobrada. Em geral, a tensão deve ser proporcional à corrente.

A relação proporcional entre tensão e corrente é chamada Lei de Ohm para uma seção de um circuito e é escrito de duas formas: U = I NS R, onde R é a resistência do elemento, e I = G NS U, onde G = I / R é a condutividade do elemento. A unidade de resistência é o ohm (ohm) e a unidade de condutividade é o siemens (cm).

A característica corrente-tensão da resistência ideal é mostrada na Fig. 6. O gráfico é uma linha reta que passa pela origem com uma inclinação igual a Az/R.

Arroz. 6. Designação (a) e característica corrente-tensão (b) de um resistor ideal.

Potência com resistência perfeita

Expressando a potência absorvida pela resistência ideal:

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

Assim como a potência absorvida, em uma resistência ideal, depende do quadrado da corrente (ou tensão), o sinal da potência absorvida v em uma resistência ideal depende do sinal de R. Embora às vezes sejam usados ​​valores de resistência negativos ao simular certos tipos de dispositivos operando em determinados modos, todas as resistências reais são geralmente positivas. Para essas resistências, a potência absorvida é sempre positiva.

A energia elétrica absorvida pela resistência, acc lei da conservação da energia, Deve NStransform em outras espécies.Na maioria das vezes, a energia elétrica é convertida em energia térmica, chamada de calor Joule. taxa de excreção calor joule em termos de resistência, corresponde à taxa de absorção de energia elétrica. As exceções são aqueles elementos resistivos (por exemplo, uma lâmpada ou alto-falante), onde parte da energia absorvida é convertida em outras formas (energia luminosa e sonora).

Inter-relação das principais grandezas elétricas

Para corrente contínua, as unidades básicas são mostradas na fig. 7.

Arroz. 7. Inter-relação das principais grandezas elétricas

Quatro unidades básicas - corrente, tensão, resistência e potência - são interconectadas por relações estabelecidas de forma confiável, o que nos permite fazer não apenas medições diretas, mas também indiretas ou calcular os valores que precisamos de outras medidas. Assim, para medir a tensão em uma parte do circuito, é necessário ter um voltímetro, mas mesmo na sua ausência, conhecendo a corrente no circuito e a resistência de corrente nesta seção, você pode calcular o valor da tensão.