O čemu ovisi trenutni napon? Trenutni napon je važan koncept u elektrotehnici.

Jedna od najčešće korištenih karakteristika u elektrotehnici je električni napon, ili samo kažu - napon. Vrlo često čak i stručnjacima s iskustvom u elektrotehnici teško je objasniti što je to napon. Ovaj fenomen je sasvim objašnjiv činjenicom da za praktične potrebe servisiranja električne opreme nije potrebno duboko razumijevanje suštine napona, dovoljno je poznavanje napona u granicama razumijevanja.

Onda se postavlja pitanje. Kada i pod kojim okolnostima je potrebno duboko razumijevanje električnog napona? Prije svega, to je potrebno za razumijevanje prirode (fizike) elektriciteta, kao i za razvoj novih električnih uređaja i stvaranje novih električnih materijala. S druge strane, dublje razumijevanje napetosti potiče samospoznaju.

Misaoni eksperiment s paralelnim pločastim kondenzatorom

Da biste prešli na objašnjenje suštine električnog napona, morate razumjeti što su , i.

Osim silnica, opis polja sadrži i ekvipotencijalne linije, što znači da postoji još jedna karakteristika kao što je . Zamislite sliku ravnomjerno raspoređenih linija sile električno polje, koji sijeku ekvipotencijalne linije, a svaka takva linija će imati svoju vrijednost potencijala polja. Za takav prikaz zgodno je koristiti sliku električnog polja ravnog kondenzatora, koji ima dvije ploče i potpuno je napunjen do određene maksimalne vrijednosti. Na takvom će se kondenzatoru inducirati električno punjenje, a prostor između ploča neka bude ispunjen plinovitim dielektrikom, na primjer zrakom. Svaka ploča kondenzatora ima određenu količinu naboja Q. Budući da su ploče kondenzatora izrađene od metala u kojem su nositelji naboja negativni naboji - elektroni, tada će na jednoj ploči biti višak elektrona, a na drugoj manjak. Dakle, jedan pokrov se može označiti kao +Q, a drugi kao -Q, I električni vodovi električna polja bit će usmjerena prema pravilima iz +Q Do -Q. Kao rezultat toga, dobivamo sliku prikazanu na donjoj slici.

Pretpostavimo da je veličina takvog kondenzatora nekoliko puta veća od ljudske visine, neka ploče budu zidovi dva velika visoke zgrade, koji su bili prekriveni metalnim limovima zavarenim zajedno u jedan lim. Možete se slobodno kretati unutar takvog kondenzatora s jedne ploče na drugu u bilo kojem smjeru. Možete mentalno zamisliti da je tamo gdje su prikazani dalekovodi netko učvrstio grede od suhog drveta, a na mjestima ekvipotencijalnih vodova postavljene su stepenice od istog materijala. Kao rezultat toga, moći ćete se slobodno kretati u takvom prostoru unutar kondenzatora. Ako imate dovoljno mašte, možete bez problema zamisliti takav dizajn. Veličina može biti bilo koja, ali pod uvjetom da su duljina i visina ploča mnogo puta veće od udaljenosti između ploča.

Električno polje potpuno napunjenog kondenzatora u našem će slučaju biti statično, odnosno nepromijenjeno tijekom vremena, njegove karakteristike se ne mijenjaju tijekom vremena. Što imamo? Imamo dvije ploče s određenom količinom naboja jednake veličine, ali suprotnog predznaka. Te će se ploče privlačiti jedna drugoj u skladu s , ali se ta električna sila kompenzira činjenicom da su ploče čvrsto pričvršćene na zidove zamišljenih zgrada. Slika električnog polja takvog kondenzatora prikazana je silnicama i ekvipotencijalnim linijama, koje označavaju materijalni objekti kao npr. drvene grede i stepenice. Možete slobodno putovati unutar takvog kondenzatora i obavljati potrebna mjerenja. Ovdje nema govora ni o kakvoj struji, a kamoli o jakosti struje, jer slobodnih nositelja naboja nema.

Iskusni električar može pitati koji će napon biti na takvom kondenzatoru? Ovo je logično i pošteno pitanje, ali moramo shvatiti što je to napon. Ovdje se trebamo sjetiti ispitni naboj, koji je korišten za objašnjenje jakosti električnog polja. Pretpostavimo da se takav naboj pojavio i da se može slobodno kretati u prostoru između ploča kondenzatora. Što bi to moglo biti? Zamislite da ste vi taj ispitni naboj i doživjeti dugotrajne učinke električne sile. Naravno, u stvaran život To je malo vjerojatno, ali u našem misaonom eksperimentu sasvim je moguće.

Fizikalni rad probnog naboja u električnom polju

Pa si se pretvorio u ispitni električni naboj q višestruko manji od naboja Q na pločama kondenzatora i započeli svoje putovanje između ploča kondenzatora. Istovremeno ćete doživjeti akciju. Recimo da ste negativno nabijena čestica poput elektrona, tada ćete biti privučeni prema ploči +Q, i bit ćete odbijeni od ploče za punjenje -Q. Što ste bliže jednoj od ploča, to ćete jače osjetiti njenu snagu.

Pretpostavimo da ste u kondenzator unijeli s ploče -Q i odmah ste se počeli odgurivati ​​od njega prema podstavi +Q. Niste odoljeli tom utjecaju i odlučili ste ne odoljeti prirodi i kretati se u potpunom suglasju s privlačnošću. U tu su svrhu prikladno smještene grede i stepenice, uz koje možete slobodno doći do obloge +Q bilo koja ruta. Budući da na vas djeluje električna Coulombova sila, počinjete slobodno ubrzavati, kao da vas nosi vjetar. Kao rezultat toga, prešli ste udaljenost duž grede od jednog stubišta do drugog u smjeru od točke A do točke B (vidi sliku iznad). Stepenice su ekvipotencijalne linije i prema tome ste prešli udaljenost od jedne do druge potencijalne vrijednosti. U našem slučaju, prešli ste iz potencijala koji vam je bio veći na onaj koji je bio manji. Da ste naboj različitog predznaka, to jest +q, tada bi potencijali promijenili predznak i veći bi postao manji, a manji veći. Matematički, to znači množenje potencijala s -1 .

Na vas je djelovala sila i pomaknuli ste se s točke A točno B, drugim riječima, preselili ste se iz potencijal φa(više) do potencijal φ b(manji). To je kao da plutate niz rijeku na splavi, gdje ne morate veslati i ne trebate motor koji vas pokreće. Možete reći da ste se obvezali mehanički rad, koji se izračunava kao umnožak sile i udaljenosti. Takvim kretanjem izgubili ste dio potencijalne energije koja se pretvorila u kinetičku energiju (brzinu vašeg kretanja), a zatim se vjerojatno oslobodila u obliku topline tijekom kočenja. Vrativši se s točke B točno A, kretat ćete se kao protiv struje, morat ćete trošiti energiju, veslati, koristiti motor itd. Pomicanjem unatrag povećat ćete svoju potencijalnu energiju, jer ćete se pomaknuti do točke s većim potencijalom i vašom energijom stanje će se povećati.

Razlika između ova dva potencijala φa I φ b i pojavit će se električni napon. To su ekvivalentni pojmovi, ali u praktičnoj elektrotehnici najčešće se koristi izraz ne, ali napon. Kada se razmatraju električni krugovi, izraz koji se koristi je pad napona na dijelu kruga, a za izvore električne energije ista razlika potencijala definirana je kao elektromotorna sila(EMF).

Potencijalna razlika Δφ=φ 1 -φ 2 uvijek pokazuje što rade A nositelj naboja može učiniti q kada se ovaj naboj pomakne iz točke s jednim potencijalom φ 1 do točke s drugačijim potencijalom φ 2. Pri izračunavanju treba imati na umu da potencijali mogu biti ili potpisani plus, i sa znakom minus.

Ako naboj treba potrošiti energiju za takvo kretanje, a time i povećati svoj potencijal, onda je rad A imat će predznak (-), a ako se nositelj naboja pomiče iz područja visokog potencijala u područje niskog potencijala, tada se energija oslobađa i radi A imat će znak (+). Tako električni napon- Ovo energetske karakteristike električno polje i predstavlja Δφ . To znači da je fundamentalno netočno reći da je napon potencijal. Električni napon- to je uvijek razlika potencijala i moguća je samo između dvije točke električnog polja. Ako postoji jedna točka u prostoru električnog polja, tada je prikladno govoriti samo o potencijalu te točke, ali ne io njenom naponu.

To je električno polje morao "povući" elektrone kroz opterećenje, a energija koja je bila potrošena karakterizirana je količinom koja se naziva električni napon. Ista energija potrošena je na neku promjenu agregatnog stanja tvari tereta. Energija, kao što znamo, ne nestaje niotkuda i ne pojavljuje se niotkuda. To je ono što piše Zakon održanja energije. To jest, ako je struja potrošena energija prolazeći kroz opterećenje, opterećenje je steklo tu energiju i, na primjer, zagrijalo se.

Odnosno, dolazimo do definicije: napon električne struje je veličina koja pokazuje koliki je rad polje izvršilo pri premještanju naboja s jedne točke na drugu. Napon u različitim dijelovima kruga bit će različit. Napon na dijelu prazne žice bit će vrlo mali, a napon na dijelu s bilo kojim opterećenjem bit će puno veći, a veličina napona ovisit će o količini rada koju struja izvrši. Napon se mjeri u voltima (1 V). Za određivanje napona postoji formula:

gdje je U napon, A je rad koji struja izvrši da premjesti naboj q na određeni dio kruga.

Napon na polovima izvora struje

Što se tiče napona na dijelu kruga, sve je jasno. Što onda znači napon na polovima? strujni izvor? U ovom slučaju, ovaj napon znači potencijalnu količinu energije koju izvor može prenijeti na struju. To je kao pritisak vode u cijevima. To je količina energije koja će se potrošiti ako se na izvor spoji određeno opterećenje. Stoga, što je veći napon na izvoru struje, struja može izvršiti veći rad.

2) Dielektrici u električnom polju

Za razliku od vodiča, dielektrici nemaju slobodnih naboja. Sve naknade su

povezani: elektroni pripadaju svojim atomima, a ioni čvrstih dielektrika titraju

u blizini čvorova kristalne rešetke.

Prema tome, kada se dielektrik stavi u električno polje, ne dolazi do usmjerenog kretanja naboja

Stoga naši dokazi svojstava ne prolaze kao dielektrici

vodiči - uostalom, svi su se ti argumenti temeljili na mogućnosti pojave struje. Doista, niti jedno od četiri svojstva vodiča formulirana u prethodnom članku

ne odnosi se na dielektrike.

2. Volumetrijska gustoća naboja u dielektriku može biti različita od nule.

3. Naponske linije ne smiju biti okomite na površinu dielektrika.

4. Različite točke dielektrika mogu imati različite potencijale. Stoga, razgovarajte o

“dielektrični potencijal” nije potreban.

Polarizacija dielektrika- pojava povezana s ograničenim pomakom vezanih naboja u dielektriku ili rotacijom električnih dipola, obično pod utjecajem vanjskog električnog polja, ponekad pod utjecajem drugih vanjskih sila ili spontano.

Polarizaciju dielektrika karakterizira vektor električne polarizacije. Fizičko značenje vektora električne polarizacije je dipolni moment po jedinici volumena dielektrika. Ponekad se vektor polarizacije kratko naziva jednostavno polarizacija.

Vektor polarizacije primjenjiv je za opisivanje makroskopskog stanja polarizacije ne samo običnih dielektrika, već i feroelektrika, te, u načelu, bilo kojeg medija sličnih svojstava. Primjenjiv je ne samo za opisivanje inducirane polarizacije, već i spontane polarizacije (u feroelektricima).

Polarizacija je stanje dielektrika, koje je karakterizirano prisutnošću električnog dipolnog momenta u bilo kojem (ili gotovo svakom) elementu njegovog volumena.

Razlikuju se polarizacija inducirana u dielektriku pod utjecajem vanjskog električnog polja i spontana (spontana) polarizacija, koja se javlja u feroelektricima u odsutnosti vanjskog polja. U nekim slučajevima dolazi do polarizacije dielektrika (feroelektrika) pod utjecajem mehaničkih naprezanja, sila trenja ili zbog promjena temperature.

Polarizacija ne mijenja ukupni naboj u bilo kojem makroskopskom volumenu unutar homogenog dielektrika. Međutim, to je popraćeno pojavom na njegovoj površini vezanih električnih naboja s određenom površinskom gustoćom σ. Ovi vezani naboji stvaraju u dielektriku dodatno makroskopsko polje s intenzitetom, usmjereno protiv vanjskog polja s intenzitetom. Kao rezultat toga, jakost polja unutar dielektrika bit će izražena jednakošću:

Ovisno o mehanizmu polarizacije, polarizacija dielektrika se može podijeliti na sljedeće vrste:

Elektronski - pomicanje elektronskih ljuski atoma pod utjecajem vanjskog električnog polja. Najbrža polarizacija (do 10-15 s). Nije povezano s gubicima.

Ionski - pomak čvorova kristalne strukture pod utjecajem vanjskog električnog polja, a pomak je za iznos manji od konstante rešetke. Vrijeme protoka 10−13 s, bez gubitaka.

Dipol (Orijentacijski) - javlja se uz gubitke u svladavanju sila sprega i unutarnjeg trenja. Povezano s orijentacijom dipola u vanjskom električnom polju.

Relaksacija elektrona - orijentacija defektnih elektrona u vanjskom električnom polju.

Ionska relaksacija - pomicanje iona koji su slabo fiksirani u čvorovima kristalne strukture ili se nalaze u međuprostoru.

Strukturno - usmjerenje nečistoća i nehomogenih makroskopskih uključaka u dielektriku. Najsporiji tip.

Spontana (spontana) - zbog ove vrste polarizacije, u dielektricima u kojima se promatra, polarizacija pokazuje značajno nelinearna svojstva čak i pri niskim vrijednostima vanjskog polja, te se uočava pojava histereze. Takve dielektrike (feroelektrike) karakteriziraju vrlo visoke dielektrične konstante (od 900 do 7500 za neke vrste kondenzatorske keramike). Uvođenje spontane polarizacije, u pravilu, povećava tangens gubitka materijala (do 10 −2)

Rezonantna – orijentacija čestica čije se vlastite frekvencije podudaraju s frekvencijama vanjskog električnog polja.

Migracijska polarizacija uzrokovana je prisutnošću u materijalu slojeva različite vodljivosti, stvaranje prostornih naboja, posebno pri visokim naponskim gradijentima, ima velike gubitke i sporo djeluje polarizacija.

Polarizacija dielektrika (osim rezonantne polarizacije) najveća je u statičkim električnim poljima. U izmjeničnim poljima, zbog prisutnosti tromosti elektrona, iona i električnih dipola, vektor električne polarizacije ovisi o frekvenciji.

Električna energija je oblik energije koji ljudi najviše koriste. Bez pretjerivanja možemo reći da je definicija električne struje kao uređenog gibanja elektrona dobro poznata iz školskog udžbenika fizike. Ali ne može svatko odgovoriti na struju i kako se to "uredno kretanje" osigurava. Podsjetimo se da se elementarni elektron sam po sebi ne kreće duž vodiča. S druge strane, samo kretanje naboja duž lanca prati obavljanje korisnog rada u obliku transformacije energije iz jedne vrste u drugu. Upravo zahvaljujući tim transformacijama struja u nekim slučajevima zagrijava žarnu nit žarulje, a u drugima okreće rotor elektromotora. U prvom slučaju imamo transformaciju u toplinsku, au drugom - u magnetsku. Energiju gibljivih naboja troši izvor koji održava električnu struju u krugu. Prolazeći kroz vodič, struja prenosi energiju izvora EMF na potrošača - žarnu nit, namote elektromotora itd.

Ako struju definiramo kao broj naboja koji protječu kroz vodič, tada možemo reći da rad struje ovisi o broju tih naboja u jedinici vremena. O čemu ovisi električna struja u krugu? Razmotrimo model toka struje na primjeru vodenog mlaza koji teče iz otvora na dnu cilindra ispunjenog do vrha. Zamislimo da je u našem modelu cilindar vodič, a voda veliki broj kapljice elektrona. Tada je potpuno jasno da količina vode koja istječe u jedinici vremena ovisi o dva parametra - tlaku vodenog stupca, koji se u električnim krugovima naziva strujnim naponom, i promjeru otvora - analognom. vodeni stupac u ovom modelu određuje gornji potencijal izvora energije, kapljice naboja slične su protoku elektrona koji se kreću od gornjeg sloja prema dnu. vodene mase, tj. sposobnost obavljanja nekog korisnog rada razlikuje se na višoj i nižoj razini. Zbog postojanja potencijalne razlike, voda može istjecati iz rupe i uz pretvorbu potencijalne energije vodenog stupca u kinetičku energiju vodenog mlaza. Ako se povećava visina vodenog stupca, povećava se razlika potencijala, odnosno strujni napon, a povećava se i jakost struje, točnije masa vode koja teče u jedinici vremena. Dakle, predloženi model pokazuje izravno proporcionalnu ovisnost struje o naponu.

U teoriji elektriciteta ovaj zaključak je zapisan na sljedeći način: I = f(U)* K, gdje je I struja, U napon, a K je individualne karakteristike reakcija električnog kruga na prolaznu struju – vodljivost. U tehnici se obično koristi recipročna vrijednost vodljivosti R = 1/K, a naziva se “otpor”. Otpor se obično tretira kao korisno opterećenje kruga. U našem modelu taj “otpor” je površina otvora za odvod vode: što je veći, to je veća njegova propusnost, ili, jezikom elektrotehnike, vodljivost, što znači otpor protoku vode smanjuje se.

Model jasno pokazuje kako se potencijalna energija protoka kapljica naboja pretvara u kinetičku energiju mlaza koji teče. Što je manji otpor (odnosno veća vodljivost), to se veći mehanički rad vrši na masu vode. Drugim riječima, korisni tereti različiti tipovi- to su pretvarači struje, na primjer, pretvara žarna nit električna energija u toplinu i svjetlost, zavojnica releja pretvara električnu energiju u magnetsku energiju, itd.

vraćajući se u električni krugovi, možemo zaključiti da su jakost struje I i napon U električni parametri, koji određuju rad struje A (A = U*I).

U ovom slučaju, jakost struje određena je količinom prenesenog naboja, a napon je razlog koji tjera elektrone da se kreću "uredno" od višeg potencijala prema nižem. Ako nema trenutnog napona, tada nikakva količina slobodnih elektrona u tvari neće dovesti do kretanja naboja. To znači da odsutnost napona ne rezultira prijenosom energije.

Hidroelektrane su dobar dokaz ovih spoznaja: one se grade pomoću velikih razlika u vodostajima (potencijalima). Ovdje je masa padajuće vode slična struji, a razlika u razinama gornjeg i donjeg bazena igra ulogu potencijalne razlike.