تفاوت پتانسیل در مهندسی برق به چه معناست؟ در مورد اختلاف پتانسیل، نیروی الکتروموتور و ولتاژ

اگر در Explorer ایجاد کنید میدان الکتریکیو برای حفظ آن اقداماتی انجام ندهید، در این صورت حرکت حامل های بار خیلی سریع منجر به این واقعیت می شود که میدان داخل هادی ناپدید می شود و در نتیجه جریان متوقف می شود. به منظور حفظ جریان کافی مدت زمان طولانی، از انتهای هادی با پتانسیل کمتر نیاز دارید j 2(حامل های شارژ مثبت فرض می شوند) بارهای وارد شده به اینجا را به طور مداوم حذف کنید و تا انتها با پتانسیل بالا j 1به طور مداوم آنها را وارد کنید (شکل 20.1).

j 1 j 2

برنج. 20.1. به مفهوم EMF.

به عبارت دیگر، لازم است چرخشی از بارها انجام شود که در آن در یک مسیر بسته حرکت کنند. گردش بردار میدان الکترواستاتیک k برابر با صفر است. بنابراین، در یک مدار بسته، همراه با مقاطعی که در آن بارهای مثبت در جهت کاهش حرکت می کنند j، باید مناطقی وجود داشته باشد که انتقال بارهای مثبت در جهت افزایش صورت می گیرد j، یعنی در برابر نیروهای میدان الکترواستاتیک (به قسمت نقطه چین در شکل 20.1 مراجعه کنید). حرکت ناوها در این مناطق تنها با کمک نیرو امکان پذیر است منشا غیر الکترواستاتیکی نامیده می شود نیروهای خارجی . بنابراین، برای حفظ جریان، نیروهای خارجی لازم است که در تمام طول مدار یا در بخش های جداگانه آن عمل می کنند. آنها می توانند توسط نیروهای منشاء مکانیکی، فرآیندهای شیمیایی، انتشار حامل های بار در یک محیط ناهمگن یا در سراسر مرز دو ماده غیر مشابه، میدان های الکتریکی (اما نه الکترواستاتیک) تولید شده توسط میدان های مغناطیسی متغیر با زمان و غیره ایجاد شوند.

نیروهای شخص ثالث را می توان با کاری که بر روی بارهایی که در طول زنجیره حرکت می کنند، مشخص کرد. مقداری برابر با کار نیروهای خارجی در واحد بار مثبت را نیروی الکتروموتور (EMF) E می گویند که در مدار یا برش آن عمل می کند. بنابراین، اگر کار نیروهای خارجی بر روی بار qبرابر با A است، سپس طبق تعریف

E= A/q. (20.6)

از مقایسه فرمول های پتانسیل و emf، نتیجه می شود که بعد emf با بعد پتانسیل منطبق است. از همین رو Eدر همان واحد اندازه گیری شد j- بر حسب ولت (V).

نیروی شخص ثالثی که به اتهام وارد می شود q, را می توان در فرم نشان داد

کمیت برداری غذا خوردنقدرت میدان نیروهای خارجی نامیده می شود. کار نیروهای خارجی بر روی بار qدر سراسر مدار بسته را می توان به صورت زیر بیان کرد:

با تقسیم این کار بر q pr = +1، EMF عمل کننده در مدار را بدست می آوریم:

بنابراین، EMF که در یک مدار بسته عمل می کند را می توان به عنوان گردش بردار قدرت میدان نیروهای خارجی تعریف کرد.

نیروی محرکه الکتریکی اعمال شده در بخش 1 - 2 آشکارا برابر است

E 12 = (20.7)

علاوه بر نیروهای خارجی، نیروهای میدان الکترواستاتیکی نیز بر بار وارد می شوند f E = q E. در نتیجه، نیروی حاصله در هر نقطه از زنجیره در بار q برابر است

.

کار انجام شده توسط این نیرو بر روی شارژ qدر بخش زنجیره 1 - 2، با عبارت داده می شود

= q E 12 + q( j 1 - j 2). (20.8)

برای یک مدار بسته، کار انجام شده توسط نیروهای الکترواستاتیک صفر است، بنابراین A = qE..

مقدار از نظر عددی برابر با کار استکه توسط نیروهای الکترواستاتیک و شخص ثالث هنگام حرکت یک بار مثبت انجام می شود، افت ولتاژ نامیده می شود یا به سادگی ولتاژ U در این بخش از زنجیره مطابق با فرمول (20.8)

U 12 = j 1 - j 2 + E 12 . (20.9)

در غیاب نیروهای خارجی، ولتاژ U با اختلاف پتانسیل منطبق است j 1 - j 2 .

اختلاف پتانسیل

واضح است که یک بدن را می توان بیشتر گرم کرد و دیگری را کمتر. درجه حرارت بدن را دمای آن می گویند. به همین ترتیب، یک جسم می تواند بیش از دیگری برق دار شود. درجه الکتریکی شدن بدن با کمیتی به نام پتانسیل الکترونیکی یا به سادگی پتانسیل بدن مشخص می شود.

برق انداختن بدن به چه معناست؟ این یعنی بهش گفتن بار الکترونیعنی اگر جسم را بار منفی کنیم تعداد معینی الکترون به آن اضافه کنیم یا اگر جسم را بار مثبت کنیم از آن کم کنیم. در هر دو حالت، بدن دارای درجه خاصی از الکتریکی شدن است، یعنی یک یا آن پتانسیل، در حالی که یک جسم با بار مثبت دارای پتانسیل مثبت و یک جسم با بار منفی دارای پتانسیل منفی است.

تفاوت در سطوح بار الکترونمعمولاً دو جسم نامیده می شود تفاوت پتانسیل الکترونیکییا فقط اختلاف پتانسیل.

باید درک کرد که اگر دو جسم مشابه با بارهای یکسانی شارژ شوند، اما یکی بزرگتر از دیگری باشد، در این صورت تفاوت پتانسیل بین آنها نیز وجود خواهد داشت.

علاوه بر این، یک اختلاف پتانسیل بین دو چنین جسمی وجود دارد که یکی باردار است و دیگری بدون بار. بنابراین، به عنوان مثال، اگر هر جسم جدا شده از زمین دارای پتانسیل مشخصی باشد، اختلاف پتانسیل بین آن و زمین (که معمولاً پتانسیل آن در نظر گرفته می شود. برابر با صفر) از نظر عددی با پتانسیل این جسم برابر است.

بنابراین، اگر دو جسم به گونه ای باردار شوند که پتانسیل های آنها یکسان نباشد، ناگزیر اختلاف پتانسیل بین آنها وجود دارد.

همه میدانند پدیده الکتریکی شدنهنگام مالیدن شانه به مو، چیزی جز ایجاد اختلاف پتانسیل بین شانه و موی انسان وجود ندارد.

در واقع، وقتی شانه به مو ساییده می‌شود، برخی از الکترون‌ها به سمت شانه حرکت می‌کنند و آن را منفی می‌کنند، در حالی که مو، با از دست دادن مقداری از الکترون‌ها، به همان میزان شانه باردار می‌شود، اما مثبت. اختلاف پتانسیل ایجاد شده در این روش را می توان با لمس مو با شانه به صفر رساند. اگر یک شانه برق دار به گوش نزدیک شود، این انتقال برگشت پذیر الکترون ها به سادگی قابل شنیدن است. صدای تروق مشخص نشان می دهد که تخلیه در حال رخ دادن است.

در بالا در مورد اختلاف پتانسیل صحبت کردیم، منظور ما دو جسم باردار بود، اما اختلاف پتانسیل را نیز می توان بین قسمت های مختلف (نقاط) یک جسم به دست آورد.

برای مثال، بیایید ببینیم اگر تحت تأثیر نیروی خارجی، بتوانیم الکترون‌های آزاد موجود در سیم را به یک سر آن ببریم، در یک تکه سیم مسی چه اتفاقی می‌افتد. البته در انتهای دیگر سیم کمبود الکترون وجود خواهد داشت و سپس اختلاف پتانسیل بین انتهای سیم ایجاد می شود.

به محض اینکه عمل نیروی خارجی را تمام کنیم، الکترون‌ها بلافاصله به دلیل جذب بارهای مخالف، به سمت انتهای سیم با بار مثبت، یعنی به محلی که در آن وجود ندارد، می‌روند و دوباره تعادل الکترونیکی برقرار می‌شود. در سیم رخ می دهد.

نیروی محرکه الکتریکی و ولتاژ

D برای حفظ جریان الکترونیکی در یک هادی، مقداری منبع انرژی خارجی مورد نیاز است که همیشه اختلاف پتانسیل را در انتهای این هادی حفظ کند.

چنین منابع انرژی به اصطلاح منابع جریان الکترونیکی، داشتن یک معین نیروی محرکه برقیکه باعث ایجاد و حفظ اختلاف پتانسیل در انتهای هادی برای مدت طولانی می شود.

نیروی محرکه الکتریکی (به اختصار EMF) با حرف E مشخص می شود. واحد اندازه گیری EMF ولت است. در کشور ما ولت با حرف "B" و در نام بین المللی با حرف "V" مخفف می شود.

بنابراین، برای به دست آوردن یک جریان پیوسته از جریان الکترونی، شما نیاز به نیروی حرکتی الکترونی دارید، یعنی به منبع جریان الکترونی نیاز دارید.

اولین منبع این جریان، به اصطلاح "ستون ولتایی" بود که از یک سری دایره های مس و روی تشکیل شده بود که با چرم آغشته به آب اسیدی پوشانده شده بود. بنابراین یکی از روش های بدست آوردن نیروی الکتروموتور، برهمکنش شیمیایی برخی از مواد است که در نتیجه انرژی شیمیایی به انرژی الکترونیکی تبدیل می شود. منابع جریانی که در آنها نیروی محرکه الکتریکی با استفاده از این روش ایجاد می شود نامیده می شوند منابع جریان شیمیایی.

در حال حاضر منابع جریان شیمیایی هستند سلول های گالوانیکیو باتری - به طور گسترده در مهندسی برق و مهندسی برق استفاده می شود.

یکی دیگر از منابع اصلی جریان، که به طور گسترده در تمام زمینه های مهندسی برق و مهندسی برق استفاده می شود، ژنراتورها هستند.

ژنراتورها در نیروگاه ها نصب می شوند و به عنوان تنها منبع جریان برای تامین برق شرکت های صنعتی، روشنایی الکترونیک شهری، راه آهن الکترونیکی، تراموا، مترو، واگن برقی و غیره عمل می کنند.

هم در منابع شیمیایی جریان الکترونیکی (قطعات و باتری ها) و هم در ژنراتورها، عمل نیروی الکتروموتور کاملاً یکسان است. این شامل این واقعیت است که EMF یک اختلاف پتانسیل در پایانه های منبع فعلی ایجاد می کند و آن را برای مدت طولانی حفظ می کند.

این پایانه ها قطب منبع جریان نامیده می شوند. یک قطب منبع جریان همیشه با کمبود الکترون مواجه می شود و به شرح زیر دارای بار مثبت است، قطب دیگر دارای الکترون اضافی و به شرح زیر دارای بار منفی است.

بر این اساس، یک قطب منبع فعلی مثبت (+) و دیگری منفی (-) نامیده می شود.

منابع فعلی برای تامین جریان الکترونیکی به دستگاه های مختلف - مصرف کنندگان فعلی - خدمت می کنند. مصرف کننده های فعلی با استفاده از هادی ها به قطب های منبع جریان متصل می شوند و یک مدار الکترونیکی بسته را تشکیل می دهند. اختلاف پتانسیلی که بین قطب های منبع جریان در هنگام بسته شدن مدار الکترونیکی ایجاد می شود، ولتاژ نامیده می شود و با حرف U مشخص می شود.

واحد اندازه گیری ولتاژ، مانند EMF، ولت است.

به عنوان مثال، اگر باید بنویسید که ولتاژ منبع جریان 12 ولت است، سپس بنویسید: U - 12 V.

برای اندازه گیری EMF یا ولتاژ از دستگاهی به نام ولت متر استفاده می شود.

برای اندازه گیری EMF یا ولتاژ منبع جریان، باید یک ولت متر را به طور خاص به قطب های آن وصل کنید. با همه اینها، اگر مدار الکترونیکی باز باشد، ولت متر EMF منبع جریان را نشان می دهد. اگر مدار را ببندید، ولت متر دیگر EMF را نشان نمی دهد، بلکه ولتاژ را در پایانه های منبع جریان نشان می دهد.

EMF ایجاد شده توسط یک منبع جریان همیشه بیشتر از ولتاژ در پایانه های آن است.

یک میدان الکترواستاتیک دارای انرژی است. اگر در یک میدان الکترواستاتیک وجود دارد شارژ الکتریکی، سپس میدان که با مقداری نیرو بر روی آن عمل می کند، آن را حرکت می دهد و کار را انجام می دهد. هر کاری مستلزم تغییر در نوعی انرژی است. کار میدان الکترواستاتیک برای حرکت بار معمولاً از طریق کمیتی به نام اختلاف پتانسیل بیان می شود.

که در آن q مقدار بار جابجا شده است،

j 1 و j 2 پتانسیل های نقطه شروع و پایان مسیر هستند.

برای اختصار، در موارد زیر به آن اشاره خواهیم کرد. V - اختلاف پتانسیل.

V = A/q. تفاوت بالقوه بین نقاط یک میدان الکترواستاتیک، کاری است که نیروهای الکتریکی در زمانی که بار یک کولومب بین آنها حرکت می کند انجام می دهند. .

[V] = V. 1 ولت اختلاف پتانسیل بین نقاط است، هنگام جابجایی بار 1 کولن بین آنها، نیروهای الکترواستاتیکی 1 ژول کار می کنند.

اختلاف پتانسیل بین اجسام با الکترومتر اندازه گیری می شود که برای آن یکی از اجسام توسط هادی به بدنه الکترومتر و دیگری به فلش متصل می شود. در مدارهای الکتریکی، اختلاف پتانسیل بین نقاط مدار با ولت متر اندازه گیری می شود.

با فاصله گرفتن از بار، میدان الکترواستاتیک ضعیف می شود. در نتیجه، مشخصه انرژی میدان، پتانسیل نیز به سمت صفر میل می کند. در فیزیک، پتانسیل یک نقطه در بی نهایت صفر در نظر گرفته می شود. در مهندسی برق اعتقاد بر این است که سطح زمین پتانسیل صفر دارد.

اگر یک بار از یک نقطه معین به بی نهایت حرکت کند، پس

A = q(j - O) = qj => j= A/q، یعنی. پتانسیل یک نقطه کاری است که باید توسط نیروهای الکتریکی انجام شود، انتقال یک بار شارژ از یک نقطه معین به بی نهایت .

بگذارید یک بار مثبت q در امتداد جهت بردار شدت به فاصله d در یک میدان الکترواستاتیکی یکنواخت با شدت E حرکت کند. کار انجام شده توسط میدان برای حرکت بار را می توان هم از طریق قدرت میدان و هم از طریق اختلاف پتانسیل پیدا کرد. بدیهی است با هر روش محاسبه کار، همان مقدار به دست می آید.

A = Fd = Eqd = qV. =>

این فرمول ویژگی های نیرو و انرژی میدان را به هم متصل می کند. علاوه بر این، یک واحد تنش به ما می دهد.

[E] = V/m. 1 V/m شدت چنین میدان الکترواستاتیکی یکنواختی است که پتانسیل آن هنگام حرکت در جهت بردار شدت 1 متر 1 ولت تغییر می کند.

قانون OHM برای یک بخش مدار.

افزایش اختلاف پتانسیل در انتهای هادی باعث افزایش قدرت جریان در آن می شود. اهم به طور تجربی ثابت کرد که قدرت جریان در یک هادی با اختلاف پتانسیل در سراسر آن نسبت مستقیم دارد.

هنگام اتصال مصرف کنندگان مختلف به همان مدار الکتریکیقدرت فعلی در آنها متفاوت است. این بدان معنی است که مصرف کنندگان مختلف به طرق مختلف مانع عبور از آنها می شوند. جریان الکتریسیته. کمیت فیزیکی که مشخص کننده توانایی هادی برای جلوگیری از عبور جریان الکتریکی از طریق آن است، مقاومت الکتریکی نامیده می شود. . مقاومت یک هادی معین یک مقدار ثابت در دمای ثابت است. با افزایش دما، مقاومت فلزات افزایش می یابد و مقاومت مایعات کاهش می یابد. [R] = اهم. 1 اهم مقاومت رسانایی است که جریان 1 A با اختلاف پتانسیل 1 ولت در انتهای آن عبور می کند. هادی های فلزی بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند. حامل های جریان در آنها الکترون های آزاد هستند. هنگام حرکت در امتداد یک رسانا، آنها با یون های مثبت شبکه کریستالی برهمکنش می کنند و بخشی از انرژی خود را به آنها می دهند و سرعت خود را از دست می دهند. برای به دست آوردن مقاومت مورد نیاز، از یک مجله مقاومت استفاده کنید. انبار مقاومت مجموعه ای از مارپیچ های سیم با مقاومت های شناخته شده است که می تواند در یک مدار در ترکیب مورد نظر گنجانده شود.

اهم به طور تجربی این را ثابت کرد قدرت فعلی در یک بخش همگن مدار به طور مستقیم متناسب با اختلاف پتانسیل در انتهای این بخش و معکوس با مقاومت این بخش است.

بخش همگن مدار قسمتی است که در آن هیچ منبع جریانی وجود ندارد. این قانون اهم برای بخش همگن یک مدار است - اساس همه محاسبات الکتریکی.

از جمله هادی هایی با طول های مختلف، مقطع های مختلف، ساخته شده از مواد مختلف، پیدا شد: مقاومت یک هادی به طور مستقیم با طول رسانا و نسبت معکوس با سطح مقطع آن است. مقاومت یک مکعب با لبه 1 متر، ساخته شده از مقداری ماده، در صورتی که جریان بر وجهه مخالف آن عمود برود، مقاومت خاص این امر نامیده می شود. . [r] = اهم متر اغلب از یک واحد مقاومت غیر سیستمی استفاده می شود - مقاومت یک هادی با سطح مقطع 1 میلی متر 2 و طول 1 متر. متر

مقاومتمواد - مقدار جدولی. مقاومت یک هادی متناسب با مقاومت آن است.

عملکرد رئوستات های لغزنده و پله ای بر اساس وابستگی مقاومت هادی به طول آن است. رئوستات لغزنده یک استوانه سرامیکی است که سیم نیکلی دور آن پیچیده شده است. رئوستات با استفاده از یک نوار لغزنده به مدار متصل می شود که شامل طول سیم پیچ بزرگتر یا کوچکتر در مدار است. سیم با لایه ای از مقیاس پوشانده شده است که پیچ ها را از یکدیگر عایق می کند.

الف) ارتباط سری و موازی مصرف کنندگان.

اغلب چندین مصرف کننده جریان در یک مدار الکتریکی قرار می گیرند. این به دلیل این واقعیت است که منطقی نیست که هر مصرف کننده منبع فعلی خود را داشته باشد. دو راه برای اتصال مصرف کنندگان وجود دارد: سریال و موازی و ترکیب آنها به صورت یک اتصال مخلوط.

الف) اتصال سریال مصرف کنندگان.

با اتصال سری، مصرف کنندگان یک زنجیره پیوسته را تشکیل می دهند که در آن مصرف کنندگان یکی پس از دیگری به هم متصل می شوند. با اتصال سری، هیچ شاخه ای از سیم های اتصال وجود ندارد. برای سادگی، اجازه دهید مداری از دو مصرف کننده متصل به سری را در نظر بگیریم. بار الکتریکی که از یکی از مصرف کننده ها عبور می کند از مصرف کننده دوم نیز عبور می کند، زیرا در هادی که مصرف کنندگان را به هم وصل می کند، ناپدید شدن، ظهور یا انباشته شدن شارژ وجود ندارد. q=q 1 =q 2 . با تقسیم معادله به دست آمده بر زمان عبور جریان از مدار، رابطه ای بین جریانی که در کل اتصال می گذرد و جریان هایی که از بخش های آن می گذرد به دست می آوریم.

بدیهی است که کار برای جابجایی یک بار مثبت منفرد در سراسر ترکیب شامل کار برای حرکت این بار در تمام بخش های آن است. آن ها V=V 1 + V 2 (2).

مجموع اختلاف پتانسیل بین مصرف کنندگان متصل به سری برابر است با مجموع تفاوت های پتانسیل بین مصرف کنندگان.

بیایید هر دو طرف رابطه (2) را بر جریان مدار تقسیم کنیم، به دست می آید: U/I=V 1 /I+V 2 /I. آن ها مقاومت کل بخش متصل به سری برابر است با مجموع مقاومت های ولتاژ اجزای آن.

ب) اتصال موازی مصرف کنندگان.

این رایج ترین راه برای فعال کردن مصرف کنندگان است. با این اتصال، همه مصرف کنندگان به دو نقطه مشترک برای همه مصرف کنندگان متصل می شوند.

هنگام عبور اتصال موازی، بار الکتریکی که از مدار عبور می کند به چندین قسمت تقسیم می شود که به مصرف کنندگان منفرد می رسد. طبق قانون بقای بار q=q 1 +q 2. با تقسیم این معادله بر زمان عبور شارژ، رابطه ای بین کل جریانی که از مدار می گذرد و جریان هایی که از طریق مصرف کنندگان منفرد می گذرد به دست می آوریم.

مطابق با تعریف اختلاف پتانسیل V=V 1 =V 2 (2).

با توجه به قانون اهم برای مقطعی از مدار، نسبت اختلاف پتانسیل به مقاومت، نقاط قوت جریان در رابطه (1) را جایگزین می کنیم. دریافت می کنیم: V/R=V/R 1 +V/R 2. پس از کاهش: 1/R=1/R 1 +1/R2،

آن ها متقابل مقاومت یک اتصال موازی برابر است با مجموع متقابل مقاومت های شاخه های جداگانه آن.