기본 전기량: 전하, 전압, 전류, 전력, 저항

기본 전기량: 전류, 전압, 저항 및 전력.

충전 중

전기회로에서 가장 중요한 물리적 현상은 운동이다. 전하… 자연에는 양전하와 음전하의 두 가지 전하가 있습니다. 같은 전하가 끌어당기고 같은 전하가 반발합니다. 이것은 양전하와 음전하를 같은 양으로 그룹화하는 경향이 있다는 사실로 이어집니다.

원자는 음전하를 띤 전자 구름으로 둘러싸인 양전하를 띤 핵으로 구성됩니다. 절대 값의 총 음전하는 핵의 양전하와 같습니다. 따라서 원자는 총 전하가 0이며 전기적으로 중성이라고도 합니다.

담을 수 있는 재료에 전기, 일부 전자는 원자에서 분리되어 전도성 물질에서 이동할 수 있습니다. 이러한 전자를 모바일 전하 또는 전하 캐리어라고 합니다.

초기 상태의 각 원자는 중성이므로 음전하를 띤 전자가 분리된 후에는 양전하를 띤 이온이 됩니다.양이온은 자유롭게 움직일 수 없으며 고정된 고정 전하 시스템을 형성할 수 없습니다. 전기를 전도하는 물질).

반도체에서중요한 부류의 물질을 구성하는 이동 전자는 두 가지 방식으로 움직일 수 있습니다. 또는 많은 전자의 복잡한 집합체는 마치 물질에 양전하를 띤 이동 캐리어가 있는 것처럼 움직입니다. 고정 요금은 두 문자 중 하나일 수 있습니다.

전도성 물질은 이동 전하 운반체(두 부호 중 하나를 가질 수 있음)와 반대 극성의 고정 전하를 포함하는 물질로 생각할 수 있습니다.

전기가 통하지 않는 절연체라는 물질도 있습니다. 절연체의 모든 전하는 고정되어 있습니다. 절연체의 예로는 공기, 운모, 유리, 많은 금속의 표면에 형성되는 얇은 산화물 층, 물론 진공(전하가 전혀 없는 상태)이 있습니다.

전하는 쿨롱(C) 단위로 측정되며 일반적으로 Q로 표시됩니다.

전하의 양 또는 전자당 음전하의 양은 수많은 실험을 통해 확립되었으며 1.601 × 10-19 CL 또는 4.803 × 10-10 정전기 전하로 밝혀졌습니다.

상대적으로 낮은 전류에서도 와이어를 통해 흐르는 전자의 수에 대한 아이디어는 다음과 같이 얻을 수 있습니다. 전자의 전하는 1.601 • 10-19 CL이므로 쿨롱과 같은 전하를 생성하는 전자의 수는 주어진 것의 역수, 즉 대략 6 • 1018과 같습니다.

1A의 전류는 초당 1C의 흐름에 해당하고 와이어 단면을 통과하는 1μmka(10-12A)의 전류에서 초당 약 6백만 전자에 해당합니다.이러한 크기의 전류는 동시에 너무 작아서 감지 및 측정이 상당한 실험적 어려움과 관련됩니다.

양이온의 전하는 전자의 전하의 정수배이지만 부호는 반대입니다. 단독으로 이온화된 입자의 경우 전하는 전자의 전하와 같습니다.

핵의 밀도는 전자의 밀도보다 훨씬 높으며 원자 전체가 차지하는 부피의 대부분은 비어 있습니다.

전기 현상의 개념

서로 다른 두 물체를 문지르거나 유도에 의해 물체에 전기적 특성을 부여할 수 있습니다. 이러한 신체를 전기라고합니다.

대전체의 상호 작용과 관련된 현상을 전기 현상.

대전체 간의 상호 작용은 소위에 의해 결정됩니다. 다른 성질의 힘과 다른 전기력은 운동 속도에 관계없이 대전체를 서로 밀어내고 끌어당깁니다.

이러한 방식으로 하전된 물체 사이의 상호 작용은 예를 들어 물체의 인력에 의해서만 특징지어지는 중력이나 전하의 상대 이동 속도에 의존하는 자기 기원의 힘과 다릅니다. 현상.

전기공학은 주로 속성의 외부 발현 법칙을 연구합니다. 대전체 - 전자기장의 법칙.

전압

반대 전하 사이의 강한 인력 때문에 대부분의 물질은 전기적으로 중성입니다. 양전하와 음전하를 분리하려면 에너지가 필요합니다.

무화과에서. 도 1은 거리 d로 떨어져 있는 초기에 대전되지 않은 2개의 전도성 판을 나타낸다.판 사이의 공간은 공기와 같은 절연체로 채워져 있거나 진공 상태에 있다고 가정합니다.

쌀. 1. 초기에 충전되지 않은 두 개의 전도성 판: a - 판은 전기적으로 중성입니다. b — 전하 -Q가 바닥 판으로 전달됩니다(전위차와 판 사이에 전기장이 있음).

무화과에서. 1에서 두 판은 모두 중성이며 상판의 총 영전하는 전하 +Q와 -Q의 합으로 나타낼 수 있다. 무화과에서. 도 1b에서, 전하 -Q는 상판에서 하판으로 이동된다. 그림에서. 1b에서 플레이트를 와이어로 연결하면 반대 전하의 인력으로 인해 전하가 빠르게 뒤로 이동하고 그림에 표시된 상황으로 돌아갑니다. 1, 아. 양전하는 음전하 판으로 이동하고 음전하는 양전하 판으로 이동합니다.

우리는 그림에 표시된 충전 플레이트 사이에 있다고 말합니다. 도 1b에서, 전위차가 있고 양으로 대전된 상부 판에서 전위가 음으로 대전된 하부 판보다 더 높다는 것을 알 수 있다. 일반적으로 두 지점 사이의 전도로 인해 전하 이동이 발생하는 경우 두 지점 사이에 전위차가 있습니다.

양전하는 전위가 높은 지점에서 전위가 낮은 지점으로 이동하고 음전하의 이동 방향은 전위가 낮은 지점에서 전위가 높은 지점으로 반대 방향으로 이동합니다.

전위차를 측정하는 단위는 볼트(V)입니다. 전위차를 전압이라고 하며 일반적으로 문자 U로 표시합니다.

두 지점 사이의 장력을 정량화하기 위해 개념이 사용됩니다. 전기장… 그림에 표시된 경우.도 1b에서, 전위가 높은 영역(양극판에서)에서 전위가 낮은 영역(음극판으로)으로 향하는 판 사이에 균일한 전계가 존재한다.

미터당 볼트로 표시되는 이 필드의 강도는 플레이트의 전하량에 비례하며 전하 분포를 알면 물리 법칙으로 계산할 수 있습니다. 전계의 크기와 판 사이의 전압 U 사이의 관계는 U = E NS e (볼트 = 볼트 / 미터 x 미터)의 형식을 갖습니다.

따라서 낮은 전위에서 높은 전위로의 전이는 자기장의 반대 방향으로의 이동에 해당하며, 보다 복잡한 구조에서는 전기장이 모든 곳에서 균일하지 않을 수 있으며, 두 지점 사이의 전위차를 결정하기 위해, 방정식 U = E NS e를 반복적으로 사용할 필요가 있습니다.

관심 지점 사이의 간격은 여러 섹션으로 나뉘며 각 섹션은 필드가 균일할 만큼 충분히 작습니다. 그런 다음 방정식이 각 세그먼트 U = E NS e에 연속적으로 적용되고 각 섹션의 전위차가 합산됩니다. 따라서 전하와 전기장의 분포에 대해 두 지점 사이의 전위차를 찾을 수 있습니다.

전위차를 결정할 때 두 지점 사이의 전압 크기뿐만 아니라 전위가 가장 높은 지점도 표시해야 합니다. 그러나 여러 가지 다른 요소를 포함하는 전기 회로에서 전위가 가장 높은 지점을 미리 결정하는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다. 혼동을 피하기 위해 표지판에 대한 조건을 수락할 필요가 있습니다(그림 2).

쌀. 2… 전압 극성 결정(전압은 양수 또는 음수일 수 있음).

바이폴라 회로 요소는 두 개의 단자가 있는 상자로 표시됩니다(그림 2, a). 상자에서 터미널로 연결되는 선은 이상적인 전류 전도체로 간주됩니다. 한 터미널에는 더하기 기호가 표시되고 다른 터미널에는 빼기 기호가 표시됩니다. 이러한 문자는 상대 극성을 고정합니다. 그림의 전압 U. 2이고 조건 U = (터미널 «+»의 전위) — (터미널 «-«의 전위)에 의해 결정됩니다.

무화과에서. 2b에서, «+» 단자가 전위가 더 높은 판에 연결되도록 대전된 판이 단자에 연결됩니다. 여기서 전압 U는 양수입니다. 무화과에서. 2, «+» 터미널은 낮은 전위 플레이트에 연결됩니다. 결과적으로 음의 전압을 얻습니다.

응력 표현의 대수적 형태를 기억하는 것이 중요합니다. 극성이 결정되면 양의 전압은 «+» 단자의 전위가 더 높음을 의미하고 음의 전압은 «-» 단자의 전위가 더 높음을 의미합니다.

현재의

위에서 언급한 바와 같이 양전하 캐리어는 고전위 영역에서 저전위 영역으로 이동하고 음전하 캐리어는 저전위 영역에서 고전위 영역으로 이동합니다. 모든 수수료 이전은 만료를 의미합니다. 전기.

무화과에서. 그림 3은 전류 흐름의 몇 가지 간단한 경우를 보여줍니다. 표면은 C로 선택되고 개념적 양의 방향이 표시됩니다. 시간이 지남에 따라 섹션 S를 통해 총 전하 Q가 선택한 방향으로 흐르면 S를 통한 전류 I는 I = dV/dT가 됩니다. 전류 측정 단위는 암페어(A)입니다(1A = 1C/s).

쌀. 3… 전류의 방향과 이동 전하의 흐름 방향과의 관계.일부 표면 C를 통한 결과적인 양전하 흐름이 선택한 방향과 일치하는 경우 전류는 양수(a 및 b)입니다. 표면을 가로지르는 양전하의 결과 흐름이 선택한 방향과 반대이면 전류는 음수(b 및 d)입니다.

현재 Iz의 부호를 결정하는 데 어려움이 종종 발생합니다. 이동 전하 캐리어가 양이면 양의 전류는 선택한 방향으로 이동 캐리어의 실제 이동을 설명하고 음의 전류는 선택한 방향과 반대인 이동 전하 캐리어의 흐름을 설명합니다.

이동통신사가 음수이면 전류의 방향을 결정할 때 주의해야 합니다. 무화과를 고려하십시오. 음의 이동 전하 캐리어가 선택한 방향으로 S를 교차하는 3d. 각 캐리어의 전하 -q가 있고 S를 통과하는 유량이 초당 n 캐리어라고 가정합니다. dt 동안 선택한 방향으로 전하 C의 전체 통과는 dV = -n NS q NS dt가 되며, 이는 전류 I = dV/ dT에 해당합니다.

따라서 그림 3d의 전류는 음수입니다. 더욱이, 이 전류는 선택한 것과 반대 방향으로 초당 n 캐리어의 속도로 표면 S를 통해 전하 + q를 갖는 포지티브 캐리어의 이동에 의해 생성된 전류와 일치합니다(그림 3, b). 따라서 두 자리 전하는 두 자리 전류에 반영됩니다. 전자 회로의 대부분의 경우 전류의 부호는 중요하며 어떤 전하 캐리어(양극 또는 음극)가 해당 전류를 전달하는지는 중요하지 않습니다. 따라서 그들은 종종 전류에 대해 이야기할 때 전하 캐리어가 양수라고 가정합니다(참조 — 전류의 방향).

그러나 반도체 장치에서 양전하 캐리어와 음전하 캐리어의 차이는 장치 작동에 매우 중요합니다.이러한 장치의 작동에 대한 자세한 검사는 모바일 충전 캐리어의 징후를 명확하게 구분해야 합니다. 어떤 영역에 흐르는 전류의 개념은 회로소자를 흐르는 전류로 쉽게 일반화할 수 있다.

무화과에서. 도 4는 바이폴라 소자를 나타낸다. 양의 전류의 방향은 화살표로 표시됩니다.

쌀. 4. 회로 요소를 통과하는 전류. 전하는 i(초당 쿨롱)의 속도로 터미널 A를 통해 셀에 들어가고 같은 속도로 터미널 A'를 통해 셀에서 나갑니다.

양의 전류가 회로 소자를 통해 흐르면 양전하는 초당 i 쿨롱의 속도로 단자 A에 들어갑니다. 그러나 이미 언급한 바와 같이 재료(및 회로 요소)는 일반적으로 전기적으로 중성을 유지합니다. (그림 1의 "충전된" 셀도 총 전하량은 0입니다.) 따라서 단자 A를 통해 전하가 셀로 유입되면 동일한 양의 전하가 동시에 단자 A'를 통해 셀 밖으로 흘러나와야 합니다. 회로 요소를 통한 전류 흐름의 이러한 연속성은 요소 전체의 중립성에서 따릅니다.

힘

회로의 모든 바이폴라 요소는 단자 사이에 전압이 있을 수 있으며 전류가 흐를 수 있습니다. 전류와 전압의 부호는 독립적으로 결정될 수 있지만 전압과 전류의 극성 사이에는 중요한 물리적 관계가 있으며 이를 명확히 하기 위해 일반적으로 몇 가지 추가 조건이 적용됩니다.

무화과에서. 그림 4는 전압과 전류의 상대 극성이 어떻게 결정되는지 보여줍니다. 전류 방향을 선택하면 «+» 단자로 흐릅니다. 이 추가 조건이 충족되면 중요한 전기량인 전력을 결정할 수 있습니다. 그림의 회로 요소를 고려하십시오. 4.

전압과 전류가 양수이면 전위가 높은 지점에서 전위가 낮은 지점으로 양전하가 지속적으로 흐릅니다. 이 흐름을 유지하려면 양전하와 음전하를 분리하여 «+» 단자에 도입해야 합니다. 이러한 연속적인 분리에는 지속적인 에너지 소비가 필요합니다.

전하가 요소를 통과하면서 이 에너지를 방출합니다. 그리고 에너지는 저장해야 하므로 회로 소자에서 열로 방출되거나(예: 토스터) 내부에 저장됩니다(예: 자동차 배터리 충전 시). 이 에너지 변환이 발생하는 속도를 호출합니다. 힘 P = U NS Az(와트 = 볼트 x 암페어) 식으로 결정됩니다.

전력의 측정 단위는 와트(W)이며, 이는 에너지 1J를 1초로 변환한 것에 해당합니다. 그림에 정의된 극성을 가진 전압과 전류의 곱과 동일한 전력. 4는 대수적 양입니다.

위의 경우와 같이 P > 0이면 소자에서 전력이 소실되거나 흡수된다. P < 0이면 이 경우 요소는 연결된 회로에 전원을 공급합니다.

저항 요소

각 회로 요소에 대해 단자 전압과 요소를 통과하는 전류 사이의 특정 관계를 작성할 수 있습니다. 저항소자는 전압과 전류의 관계를 그릴 수 있는 소자로, 이 그래프를 전류-전압 특성이라고 합니다. 이러한 기능의 예가 그림에 나와 있습니다. 5.

쌀. 5. 저항소자의 전류-전압 특성

요소 D의 단자에서 전압이 알려진 경우 그래프는 요소 D를 통과하는 전류를 결정할 수 있습니다.마찬가지로 전류를 알면 전압을 결정할 수 있습니다.

완벽한 저항

이상적인 저항(또는 저항)은 선형 저항 요소… 선형성의 정의에 따르면 선형 저항 요소의 전압과 전류 사이의 관계는 전류가 두 배가 되면 전압도 두 배가 되는 것과 같습니다. 일반적으로 전압은 전류에 비례해야 합니다.

전압과 전류 사이의 비례 관계를 호출합니다. 회로의 단면에 대한 옴의 법칙 U = I NS R, 여기서 R은 요소의 저항이고 I = G NS U, 여기서 G = I / R은 요소의 전도도입니다. 저항의 단위는 옴(ohm)이고 전도도의 단위는 지멘스(cm)입니다.

이상적인 저항의 전류-전압 특성은 그림 1에 나와 있습니다. 6. 그래프는 기울기가 Az/R인 원점을 통과하는 직선입니다.

쌀. 6. 이상적인 저항의 지정(a) 및 전류-전압 특성(b).

완벽한 저항력

이상적인 저항이 흡수하는 전력 표현:

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

이상적인 저항에서 흡수된 전력이 전류(또는 전압)의 제곱에 따라 달라지는 것처럼 이상적인 저항에서 흡수된 전력 v의 부호는 R의 부호에 따라 달라집니다. 음의 저항 값이 때때로 사용되지만 특정 모드에서 작동하는 특정 유형의 장치를 시뮬레이션할 때 모든 실제 저항은 일반적으로 양수입니다. 이러한 저항의 경우 흡수된 전력은 항상 양수입니다.

저항에 의해 흡수되는 전기 에너지, acc 에너지 보존 법칙, NS다른 종으로 변환해야 합니다.대부분의 경우 전기 에너지는 줄 열이라고 하는 열 에너지로 변환됩니다. 배설률 주울 열 저항 측면에서 전기 에너지 흡수 속도와 일치합니다. 예외는 흡수된 에너지의 일부가 다른 형태(빛과 소리 에너지)로 변환되는 저항 요소(예: 전구 또는 스피커)입니다.

주요 전기량의 상호 관계

직류의 경우 기본 단위는 Fig. 7.

쌀. 7. 주요 전기량의 상호관계

전류, 전압, 저항 및 전력의 네 가지 기본 단위는 안정적으로 설정된 관계로 상호 연결되어 있어 직접 측정뿐만 아니라 간접 측정을 수행하거나 다른 측정 항목에서 필요한 값을 계산할 수 있습니다. 따라서 회로의 일부에서 전압을 측정하려면 전압계가 있어야 하지만 전압계가 없어도 회로의 전류와 이 섹션의 전류 저항을 알면 전압 값을 계산할 수 있습니다.