Magnitudes eléctricas básicas: carga, voltaje, corriente, potencia, resistencia

Magnitudes eléctricas básicas: corriente, tensión, resistencia y potencia.

cargando

El fenómeno físico más importante en los circuitos eléctricos es el movimiento. carga eléctrica… Hay dos tipos de cargas en la naturaleza: positivas y negativas. Cargas iguales se atraen, cargas iguales se repelen. Esto lleva a que haya una tendencia a agrupar cargas positivas con negativas en cantidades iguales.

Un átomo consiste en un núcleo cargado positivamente rodeado por una nube de electrones cargados negativamente. La carga negativa total en valor absoluto es igual a la carga positiva del núcleo. Por lo tanto, el átomo tiene carga total cero, también se dice que es eléctricamente neutro.

En materiales que pueden contener electricidad, algunos electrones se separan de los átomos y tienen la capacidad de moverse en un material conductor. Estos electrones se denominan cargas móviles o portadores de carga.

Dado que cada átomo en el estado inicial es neutro, después de la separación del electrón cargado negativamente, se convierte en un ion cargado positivamente.Los iones positivos no pueden moverse libremente y formar un sistema de cargas fijas estacionarias (ver — Que sustancias conducen la electricidad).

en semiconductoresAl constituir una clase importante de materiales, los electrones móviles pueden moverse de dos maneras: o los electrones simplemente se comportan como portadores cargados negativamente. O una colección compleja de muchos electrones se mueve de tal manera como si hubiera portadores móviles cargados positivamente en el material. Los cargos fijos pueden ser de cualquier carácter.

Los materiales conductores pueden considerarse materiales que contienen portadores de carga móviles (que pueden tener uno de dos signos) y cargas fijas de polaridad opuesta.

También existen materiales llamados aislantes que no conducen la electricidad. Todas las cargas en el aislador son fijas. Ejemplos de aislantes son el aire, la mica, el vidrio, las capas delgadas de óxidos que se forman en las superficies de muchos metales y, por supuesto, el vacío (en el que no hay carga alguna).

La carga se mide en coulombs (C) y generalmente se denota por Q.

La cantidad de carga o la cantidad de electricidad negativa por electrón se ha establecido a través de numerosos experimentos y se ha encontrado que es 1,601 × 10-19 CL o 4,803 x 10-10 cargas electrostáticas.

Se puede obtener una idea de la cantidad de electrones que fluyen a través de un cable, incluso con corrientes relativamente bajas, de la siguiente manera. Dado que la carga del electrón es 1.601 • 10-19 CL, entonces el número de electrones que crean una carga igual al culombio es el recíproco de lo dado, es decir, es aproximadamente igual a 6 • 1018.

Una corriente de 1 A corresponde a un flujo de 1 C por segundo, y con una corriente de solo 1 μmka (10-12 A) a través de la sección transversal del cable, aproximadamente 6 millones de electrones por segundo.Corrientes de tal magnitud son al mismo tiempo tan pequeñas que su detección y medida están asociadas a importantes dificultades experimentales.

La carga de un ion positivo es un múltiplo entero de la carga de un electrón, pero tiene el signo opuesto. Para partículas que están ionizadas individualmente, la carga resulta ser igual a la carga del electrón.

La densidad del núcleo es mucho mayor que la densidad del electrón. La mayor parte del volumen ocupado por el átomo en su conjunto está vacío.

El concepto de fenómenos eléctricos.

Al frotar dos cuerpos diferentes, así como por inducción, se les pueden dar propiedades especiales: eléctricas. Tales cuerpos se llaman electrificados.

Los fenómenos asociados con la interacción de cuerpos electrificados se denominan fenómenos eléctricos.

La interacción entre cuerpos electrificados está determinada por los llamados Fuerzas eléctricas que se diferencian de las fuerzas de otra naturaleza en que hacen que los cuerpos cargados se repelan y se atraigan, independientemente de la velocidad de su movimiento.

De esta forma, la interacción entre cuerpos cargados difiere, por ejemplo, de la gravitatoria, que se caracteriza únicamente por la atracción de los cuerpos, o de las fuerzas de origen magnético, que dependen de la velocidad relativa de movimiento de las cargas, provocando magnetismo. fenómenos.

La ingeniería eléctrica estudia principalmente las leyes de la manifestación externa de las propiedades. cuerpos electrificados — leyes de los campos electromagnéticos.

Voltaje

Debido a la fuerte atracción entre cargas opuestas, la mayoría de los materiales son eléctricamente neutros. Se necesita energía para separar las cargas positivas y negativas.

En la Fig. 1 muestra dos placas conductoras, inicialmente descargadas, separadas una distancia d.Se supone que el espacio entre las placas está lleno de un aislante, como aire, o están en el vacío.

Arroz. 1. Dos placas conductoras inicialmente descargadas: a — las placas son eléctricamente neutras; b — la carga -Q se transfiere a la placa inferior (hay una diferencia de potencial y un campo eléctrico entre las placas).

En la Fig. 1, ambas placas son neutras y la carga cero total en la placa superior se puede representar mediante la suma de las cargas +Q y -Q. En la Fig. 1b, la carga -Q se transfiere de la placa superior a la placa inferior. Si en la fig. 1b, conectamos las placas con un cable, luego las fuerzas de atracción de las cargas opuestas harán que la carga se transfiera rápidamente y volveremos a la situación que se muestra en la fig. 1, un. Las cargas positivas se trasladarían a la placa cargada negativamente y las cargas negativas a la placa cargada positivamente.

Decimos que entre las placas cargadas que se muestran en la Fig. 1b, hay una diferencia de potencial y que en la placa superior cargada positivamente el potencial es mayor que en la placa inferior cargada negativamente. En general, existe una diferencia de potencial entre dos puntos si la conducción entre esos puntos da como resultado una transferencia de carga.

Las cargas positivas se mueven desde un punto de alto potencial a un punto de bajo potencial, la dirección del movimiento de las cargas negativas es opuesta: desde un punto de bajo potencial a un punto de alto potencial.

La unidad para medir la diferencia de potencial es el voltio (V). La diferencia de potencial se llama voltaje y generalmente se denota con la letra U.

Para cuantificar la tensión entre dos puntos se utiliza el concepto campo eléctrico… En el caso que se muestra en la fig.1b, hay un campo eléctrico uniforme entre las placas dirigido desde la región de mayor potencial (desde la placa positiva) a la región de menor potencial (hacia la placa negativa).

La fuerza de este campo, expresada en voltios por metro, es proporcional a la carga en las placas y puede calcularse a partir de las leyes de la física si se conoce la distribución de cargas. La relación entre la magnitud del campo eléctrico y el voltaje U entre las placas tiene la forma U = E NS e (voltio = voltio / metro x metro).

Entonces, la transición de un potencial más bajo a uno más alto corresponde al movimiento en contra de la dirección del campo.En una estructura más compleja, el campo eléctrico puede no ser uniforme en todas partes, y para determinar la diferencia de potencial entre dos puntos, es necesario utilizar repetidamente la ecuación U = E NS e.

El intervalo entre los puntos que nos interesan se divide en muchas secciones, cada una de las cuales es lo suficientemente pequeña para que el campo sea uniforme en ella. Luego se aplica la ecuación sucesivamente a cada segmento U = E NS e y se suman las diferencias de potencial para cada sección. Por lo tanto, para cualquier distribución de cargas y campos eléctricos, puede encontrar la diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera.

Al determinar la diferencia de potencial, es necesario indicar no solo la magnitud del voltaje entre dos puntos, sino también qué punto tiene el potencial más alto. Sin embargo, en circuitos eléctricos que contienen varios elementos diferentes, no siempre es posible determinar de antemano qué punto tiene el mayor potencial. Para evitar confusiones, es necesario aceptar la condición de signos (Fig. 2).

Arroz. 2… Determinación de la polaridad del voltaje (el voltaje puede ser positivo o negativo).

Un elemento de circuito bipolar está representado por una caja equipada con dos terminales (Fig. 2, a). Se supone que las líneas que van de la caja a los terminales son conductores ideales de corriente eléctrica. Un terminal está marcado con un signo más, el otro con un signo menos. Estos caracteres fijan la polaridad relativa. Tensión U en la fig. 2, y está determinada por la condición U = (potencial del terminal «+») — (potencial del terminal «-«).

En la Fig. 2b, las placas cargadas se conectan a los terminales de manera que el terminal «+» se conecta a la placa con mayor potencial. Aquí el voltaje U es un número positivo. En la Fig. 2, el borne «+» se conecta a la placa de potencial inferior. Como resultado, obtenemos un voltaje negativo.

Es importante recordar acerca de la forma algebraica de representación del estrés. Una vez determinada la polaridad, una tensión positiva significa que el borne «+» tiene un (potencial más alto) y una tensión negativa significa que el borne «-» tiene un potencial más alto.

Actual

Se señaló anteriormente que los portadores de carga positiva se mueven de la región de alto potencial a la región de bajo potencial, mientras que los portadores de carga negativa se mueven de la región de bajo potencial a la región de alto potencial. Cualquier transferencia de cuotas significa caducidad. electricidad.

En la Fig. 3 muestra algunos casos simples de flujo de corriente eléctrica, se elige la superficie C y se muestra la dirección positiva teórica. Si con el tiempo dt a través de la sección S, la carga total Q pasará en la dirección elegida, entonces la corriente I a través de S será igual a I = dV/dT. La unidad de medida de la corriente es el amperio (A) (1A = 1C/s).

Arroz. 3… La relación entre la dirección de la corriente y la dirección del flujo de las cargas móviles.La corriente es positiva (a y b) si el flujo resultante de cargas positivas a través de alguna superficie C coincide con la dirección elegida. La corriente es negativa (b y d) si el flujo resultante de cargas positivas a través de la superficie es opuesto a la dirección elegida.

A menudo surgen dificultades para determinar el signo de la corriente Iz. Si los portadores de carga móvil son positivos, entonces la corriente positiva describe el movimiento real de los portadores móviles en la dirección elegida, mientras que la corriente negativa describe el flujo de portadores de carga móvil opuesto a la dirección elegida.

Si los operadores móviles son negativos, debe tener cuidado al determinar la dirección de la corriente. Considere la fig. 3d en el que los portadores de carga negativa del móvil cruzan S en la dirección elegida. Suponga que cada portador tiene carga -q y la tasa de flujo a través de S es de n portadores por segundo. Durante dt es el paso total de cargas C en el sentido elegido será dV = -n NS q NS dt, lo que corresponde a la corriente I = dV/ dT.

Por lo tanto, la corriente en la figura 3d es negativa. Además, esta corriente coincide con la corriente creada por el movimiento de portadores positivos con carga + q a través de la superficie S a una velocidad de n portadores por segundo en dirección opuesta a la elegida (Fig. 3, b). Por lo tanto, las cargas de dos dígitos se reflejan en la corriente de dos dígitos. Para la mayoría de los casos en circuitos electrónicos, el signo de la corriente es significativo y no importa qué portadores de carga (positivos o negativos) transporten esa corriente. Por lo tanto, a menudo cuando hablan de corriente eléctrica, asumen que los portadores de carga son positivos (ver — Dirección de la corriente eléctrica).

Sin embargo, en los dispositivos semiconductores, la diferencia entre los portadores de carga positiva y negativa es fundamental para el funcionamiento del dispositivo.Un examen detallado del funcionamiento de estos dispositivos debe distinguir claramente los signos de los portadores de carga móvil. El concepto de una corriente que fluye a través de un área determinada se puede generalizar fácilmente a una corriente a través de un elemento de circuito.

En la Fig. 4 muestra un elemento bipolar. La dirección de la corriente positiva se muestra con una flecha.

Arroz. 4. Corriente a través de un elemento de circuito. Las cargas entran a la celda a través de la terminal A a una velocidad i (culombios por segundo) y salen de la celda a través de la terminal A' a la misma velocidad.

Si una corriente positiva fluye a través de un elemento del circuito, una carga positiva ingresa a la terminal A a razón de i culombios por segundo. Pero, como ya se señaló, los materiales (y los elementos del circuito) por lo general permanecen eléctricamente neutros. (Incluso una celda "cargada" en la Fig. 1 tiene carga total cero.) Por lo tanto, si la carga fluye hacia la celda a través del terminal A, una cantidad igual de carga debe fluir simultáneamente fuera de la celda a través del terminal A'. Esta continuidad del flujo de corriente eléctrica a través del elemento del circuito se deriva de la neutralidad del elemento como un todo.

Fuerza

Cualquier elemento bipolar en un circuito puede tener un voltaje entre sus terminales y la corriente puede fluir a través de él. Los signos de corriente y voltaje se pueden determinar de forma independiente, pero existe una relación física importante entre las polaridades de voltaje y corriente, para cuya aclaración se suelen tomar algunas condiciones adicionales.

En la Fig. 4 muestra cómo se determinan las polaridades relativas de voltaje y corriente. Cuando se selecciona la dirección actual, fluye hacia el terminal «+». Cuando se cumple esta condición adicional, se puede determinar una cantidad eléctrica importante, la potencia eléctrica. Considere el elemento del circuito en la Fig. 4.

Si el voltaje y la corriente son positivos, entonces hay un flujo continuo de cargas positivas desde un punto de alto potencial hasta un punto de bajo potencial. Para mantener este flujo, es necesario separar las cargas positivas de las negativas e introducirlas en el borne «+». Esta separación continua requiere un gasto continuo de energía.

A medida que las cargas pasan a través del elemento, liberan esta energía. Y dado que la energía debe almacenarse, se libera en el elemento del circuito en forma de calor (por ejemplo, en una tostadora) o se almacena en él (por ejemplo, cuando se carga la batería de un automóvil). La velocidad a la que se produce esta conversión de energía se denomina fuerza y está determinada por la expresión P = U NS Az (vatios = voltios x amperios).

La unidad de medida de la potencia es el vatio (W), que corresponde a la conversión de 1 J de energía en 1 s. Potencia igual al producto de la tensión y la corriente con las polaridades definidas en la fig. 4 es una cantidad algebraica.

Si P > 0, como en el caso anterior, el elemento disipa o absorbe potencia. Si P < 0, entonces, en este caso, el elemento suministra energía al circuito en el que está conectado.

Elementos resistivos

Para cada elemento del circuito, puede escribir una relación específica entre el voltaje terminal y la corriente a través del elemento. Un elemento resistivo es un elemento para el cual se puede trazar la relación entre el voltaje y la corriente.Este gráfico se llama característica corriente-voltaje. Un ejemplo de tal característica se muestra en la fig. 5.

Arroz. 5. Característica corriente-voltaje de un elemento resistivo

Si se conoce el voltaje en las terminales del elemento D, entonces el gráfico puede determinar la corriente a través del elemento D.Asimismo, si se conoce la corriente, se puede determinar el voltaje.

Perfecta resistencia

La resistencia ideal (o resistor) es elemento resistivo lineal… Por definición de linealidad, la relación entre voltaje y corriente en un elemento resistivo lineal es tal que cuando se duplica la corriente, también se duplica el voltaje. En general, el voltaje debe ser proporcional a la corriente.

La relación proporcional entre el voltaje y la corriente se llama Ley de Ohm para una sección de un circuito y se escribe de dos formas: U = I NS R, donde R es la resistencia del elemento, e I = G NS U, donde G = I/R es la conductividad del elemento. La unidad de resistencia es el ohmio (ohm), y la unidad de conductividad es el siemens (cm).

La característica corriente-voltaje de la resistencia ideal se muestra en la Fig. 6. La gráfica es una línea recta que pasa por el origen con una pendiente igual a Az/R.

Arroz. 6. Designación (a) y característica corriente-voltaje (b) de una resistencia ideal.

Potencia con resistencia perfecta

Expresando la potencia absorbida por la resistencia ideal:

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

Así como la potencia absorbida, en una resistencia ideal, depende del cuadrado de la corriente (o tensión), el signo de la potencia absorbida v en una resistencia ideal depende del signo de R. Aunque a veces se utilizan valores de resistencia negativos al simular ciertos tipos de dispositivos que funcionan en ciertos modos, todas las resistencias reales suelen ser positivas. Para estas resistencias, la potencia absorbida es siempre positiva.

La energía eléctrica absorbida por la resistencia, según ley de la conservación de la energía, Debe NStransformarse en otras especies.La mayoría de las veces, la energía eléctrica se convierte en energía térmica, llamada calor Joule. Tasa de excreción julio de calor en términos de resistencia, coincide con la tasa de absorción de energía eléctrica. Las excepciones son aquellos elementos resistivos (por ejemplo, una bombilla o un altavoz), donde parte de la energía absorbida se convierte en otras formas (energía luminosa y sonora).

Interrelación de las principales magnitudes eléctricas

Para corriente continua, las unidades básicas se muestran en la fig. 7.

Arroz. 7. Interrelación de las principales magnitudes eléctricas

Cuatro unidades básicas (corriente, voltaje, resistencia y potencia) están interconectadas por relaciones establecidas de manera confiable, lo que nos permite realizar no solo mediciones directas, sino también indirectas o calcular los valores que necesitamos de otros medidos. Entonces, para medir el voltaje en una parte del circuito, uno debe tener un voltímetro, pero incluso en su ausencia, conociendo la corriente en el circuito y la resistencia actual en esta sección, puede calcular el valor del voltaje.