Grandeurs électriques de base : charge, tension, courant, puissance, résistance
Grandeurs électriques de base : courant, tension, résistance et puissance.
Mise en charge
Le phénomène physique le plus important dans les circuits électriques est le mouvement charge électrique… Il y a deux sortes de charges dans la nature—positives et négatives. Comme les charges s'attirent, comme les charges se repoussent. Cela conduit au fait qu'il existe une tendance à regrouper les charges positives avec les charges négatives en quantités égales.
Un atome est constitué d'un noyau chargé positivement entouré d'un nuage d'électrons chargés négativement. La charge négative totale en valeur absolue est égale à la charge positive du noyau. Par conséquent, l'atome a une charge totale nulle, on dit aussi qu'il est électriquement neutre.
Dans des matériaux pouvant contenir électricité, certains électrons sont séparés des atomes et ont la capacité de se déplacer dans un matériau conducteur. Ces électrons sont appelés charges mobiles ou porteurs de charge.
Étant donné que chaque atome à l'état initial est neutre, après la séparation de l'électron chargé négativement, il devient un ion chargé positivement.Les ions positifs ne peuvent pas se déplacer librement et forment un système de charges stationnaires et fixes (voir — Quelles substances conduisent l'électricité).
Dans les semi-conducteursconstituant une classe importante de matériaux, les électrons mobiles peuvent se déplacer de deux manières : ou les électrons se comportent simplement comme des porteurs chargés négativement. Ou une collection complexe de nombreux électrons se déplace comme s'il y avait des porteurs mobiles chargés positivement dans le matériau. Les charges fixes peuvent être de l'un ou l'autre caractère.
Les matériaux conducteurs peuvent être considérés comme des matériaux contenant des porteurs de charge mobiles (qui peuvent avoir l'un des deux signes) et des charges fixes de polarité opposée.
Il existe également des matériaux appelés isolants qui ne conduisent pas l'électricité. Toutes les charges dans l'isolateur sont fixes. Des exemples d'isolants sont l'air, le mica, le verre, les fines couches d'oxydes qui se forment à la surface de nombreux métaux et, bien sûr, le vide (dans lequel il n'y a aucune charge).
La charge est mesurée en coulombs (C) et est généralement notée Q.
La quantité de charge ou la quantité d'électricité négative par électron a été établie par de nombreuses expériences et s'est avérée être de 1,601 × 10-19 CL ou 4,803 x 10-10 charges électrostatiques.
Une idée du nombre d'électrons traversant un fil même à des courants relativement faibles peut être obtenue comme suit. Puisque la charge de l'électron est de 1,601 • 10-19 CL, alors le nombre d'électrons créant une charge égale au coulomb est l'inverse de la donnée, c'est-à-dire qu'il est approximativement égal à 6 • 1018.
Un courant de 1 A correspond à un flux de 1 C par seconde, et à un courant de seulement 1 μmka (10-12 A) à travers la section transversale du fil, environ 6 millions d'électrons par seconde.Des courants d'une telle amplitude sont en même temps si faibles que leur détection et leur mesure sont associées à des difficultés expérimentales importantes.
La charge d'un ion positif est un multiple entier de la charge d'un électron, mais a le signe opposé. Pour les particules ionisées individuellement, la charge s'avère être égale à la charge de l'électron.
La densité du noyau est beaucoup plus élevée que la densité de l'électron, la majeure partie du volume occupé par l'atome dans son ensemble est vide.
Le concept de phénomènes électriques
En frottant deux corps différents ensemble, ainsi que par induction, on peut donner aux corps des propriétés spéciales - électriques. De tels corps sont dits électrifiés.
Les phénomènes liés à l'interaction des corps électrifiés sont appelés phénomènes électriques.
L'interaction entre les corps électrifiés est déterminée par la soi-disant Forces électriques qui diffèrent des forces d'une autre nature en ce qu'elles font que les corps chargés se repoussent et s'attirent, quelle que soit la vitesse de leur mouvement.
De cette façon, l'interaction entre les corps chargés diffère, par exemple, de l'interaction gravitationnelle, qui se caractérise uniquement par l'attraction des corps, ou des forces d'origine magnétique, qui dépendent de la vitesse relative de mouvement des charges, provoquant des phénomènes.
Le génie électrique étudie principalement les lois de manifestation externe des propriétés corps électrifiés — lois des champs électromagnétiques.
Tension
En raison de la forte attraction entre les charges opposées, la plupart des matériaux sont électriquement neutres. Il faut de l'énergie pour séparer les charges positives et négatives.
En figue. La figure 1 montre deux plaques conductrices initialement non chargées espacées d'une distance d.On suppose que l'espace entre les plaques est rempli d'un isolant, tel que l'air, ou qu'elles sont dans le vide.
Riz. 1. Deux plaques conductrices initialement non chargées : a — les plaques sont électriquement neutres ; b — la charge -Q est transférée à la plaque inférieure (il y a une différence de potentiel et un champ électrique entre les plaques).
En figue. 1, les deux plaques sont neutres et la charge nulle totale sur la plaque supérieure peut être représentée par la somme des charges +Q et -Q. En figue. 1b, la charge -Q est transférée de la plaque supérieure à la plaque inférieure. Si dans la fig. 1b, nous connectons les plaques avec un fil, puis les forces d'attraction des charges opposées provoqueront un transfert rapide de la charge et nous reviendrons à la situation illustrée à la fig. 1, un. Les charges positives se déplaceraient vers la plaque chargée négativement et les charges négatives vers la plaque chargée positivement.
Nous disons qu'entre les plaques chargées illustrées à la Fig. 1b, il y a une différence de potentiel et que sur la plaque supérieure chargée positivement le potentiel est plus élevé que sur la plaque inférieure chargée négativement. En général, il existe une différence de potentiel entre deux points si la conduction entre ces points entraîne un transfert de charge.
Les charges positives se déplacent d'un point de potentiel élevé à un point de potentiel faible, le sens de déplacement des charges négatives est opposé - d'un point de potentiel faible à un point de potentiel élevé.
L'unité de mesure de la différence de potentiel est le volt (V). La différence de potentiel est appelée tension et est généralement désignée par la lettre U.
Pour quantifier la tension entre deux points, on utilise le concept champ électrique… Dans le cas illustré à la fig.1b, il existe un champ électrique uniforme entre les plaques dirigé de la région de potentiel supérieur (de la plaque positive) vers la région de potentiel inférieur (vers la plaque négative).
L'intensité de ce champ, exprimée en volts par mètre, est proportionnelle à la charge sur les plaques et peut être calculée à partir des lois de la physique si la répartition des charges est connue. La relation entre l'amplitude du champ électrique et la tension U entre les plaques a la forme U = E NS e (volt = volt / mètre x mètre).
Ainsi, le passage d'un potentiel inférieur à un potentiel supérieur correspond au mouvement contre la direction du champ. Dans une structure plus complexe, le champ électrique peut ne pas être uniforme partout, et afin de déterminer la différence de potentiel entre deux points, il est nécessaire d'utiliser à plusieurs reprises l'équation U = E NS e.
L'intervalle entre les points qui nous intéressent est divisé en plusieurs sections, dont chacune est suffisamment petite pour que le champ y soit uniforme. L'équation est ensuite appliquée successivement à chaque segment U = E NS e et les différences de potentiel pour chaque section sont additionnées. Ainsi, pour toute distribution de charges et de champs électriques, vous pouvez trouver la différence de potentiel entre deux points quelconques.
Lors de la détermination de la différence de potentiel, il est nécessaire d'indiquer non seulement l'amplitude de la tension entre deux points, mais également quel point a le potentiel le plus élevé. Cependant, dans les circuits électriques contenant plusieurs éléments différents, il n'est pas toujours possible de déterminer à l'avance quel point a le potentiel le plus élevé. Pour éviter toute confusion, il est nécessaire d'accepter la condition des signes (Fig. 2).
Riz. 2… Déterminer la polarité de la tension (la tension peut être positive ou négative).
Un élément de circuit bipolaire est représenté par un boîtier équipé de deux bornes (Fig. 2, a). Les lignes allant du boîtier aux bornes sont supposées être des conducteurs idéaux de courant électrique. Une borne est marquée d'un signe plus, l'autre d'un signe moins. Ces caractères fixent la polarité relative. Tension U dans la fig. 2, et est déterminé par la condition U = (potentiel de la borne «+») — (potentiel de la borne «-«).
En figue. 2b, les plaques chargées sont reliées aux bornes de manière à ce que la borne «+» soit reliée à la plaque avec un potentiel plus élevé. Ici, la tension U est un nombre positif. En figue. 2, la borne «+» est reliée à la plaque de potentiel inférieur. En conséquence, nous obtenons une tension négative.
Il est important de se souvenir de la forme algébrique de la représentation des contraintes. Une fois la polarité déterminée, une tension positive signifie que la borne «+» a un (potentiel plus élevé) et une tension négative signifie que la borne «-» a un potentiel plus élevé.
Actuel
Il a été noté ci-dessus que les porteurs de charge positifs se déplacent de la région à haut potentiel vers la région à faible potentiel, tandis que les porteurs de charge négatifs se déplacent de la région à bas potentiel vers la région à haut potentiel. Tout transfert de frais vaut expiration électricité.
En figue. 3 montre quelques cas simples de circulation de courant électrique, la surface est choisie C et la direction positive fictive est indiquée. Si au cours du temps dt à travers la section S, la charge totale Q passera dans la direction choisie, alors le courant I à travers S sera égal à I = dV/dT. L'unité de mesure du courant est l'ampère (A) (1A = 1C/s).
Riz. 3… La relation entre le sens du courant et le sens d'écoulement des charges mobiles.Le courant est positif (a et b) si le flux résultant de charges positives à travers une surface C coïncide avec la direction choisie. Le courant est négatif (b et d) si le flux résultant de charges positives à travers la surface est opposé à la direction choisie.
Des difficultés surgissent souvent pour déterminer le signe du courant Iz. Si les porteurs de charge mobiles sont positifs, alors le courant positif décrit le mouvement réel des porteurs mobiles dans la direction choisie, tandis que le courant négatif décrit le flux de porteurs de charge mobiles opposé à la direction choisie.
Si les opérateurs mobiles sont négatifs, vous devez être prudent lorsque vous déterminez la direction du courant. Considérez la fig. 3d dans laquelle les porteurs de charge mobiles négatifs croisent S dans la direction choisie. Supposons que chaque porteuse a une charge -q et que le débit à travers S est de n porteuses par seconde. Pendant dt is le passage total des charges C dans le sens choisi sera dV = -n NS q NS dt, ce qui correspond au courant I = dV/ dT.
Par conséquent, le courant sur la Fig.3d est négatif. De plus, ce courant coïncide avec le courant créé par le mouvement des porteurs positifs de charge + q à travers la surface S à une vitesse de n porteurs par seconde dans le sens opposé à celui choisi (Fig. 3, b). Ainsi, les charges à deux chiffres sont reflétées dans le courant à deux chiffres. Dans la plupart des cas dans les circuits électroniques, le signe du courant est significatif et peu importe quels porteurs de charge (positifs ou négatifs) transportent ce courant. Par conséquent, souvent lorsqu'ils parlent de courant électrique, ils supposent que les porteurs de charge sont positifs (voir — Sens du courant électrique).
Dans les dispositifs à semi-conducteurs, cependant, la différence entre les porteurs de charge positifs et négatifs est essentielle au fonctionnement du dispositif.Un examen détaillé du fonctionnement de ces appareils devrait clairement distinguer les signes des porteurs de charge mobiles. Le concept d'un courant traversant une certaine zone peut facilement être généralisé à un courant traversant un élément de circuit.
En figue. 4 montre un élément bipolaire. Le sens du courant positif est indiqué par une flèche.
Riz. 4. Courant à travers un élément de circuit. Les charges entrent dans la cellule par la borne A à un taux i (coulombs par seconde) et quittent la cellule par la borne A' au même taux.
Si un courant positif traverse un élément de circuit, une charge positive entre dans la borne A à un taux de i coulombs par seconde. Mais, comme déjà noté, les matériaux (et les éléments de circuit) restent généralement électriquement neutres. (Même une cellule "chargée" sur la figure 1 a une charge totale nulle.) Par conséquent, si une charge pénètre dans la cellule via la borne A, une quantité égale de charge doit simultanément sortir de la cellule via la borne A'. Cette continuité de circulation du courant électrique à travers l'élément de circuit découle de la neutralité de l'élément dans son ensemble.
Pouvoir
Tout élément bipolaire dans un circuit peut avoir une tension entre ses bornes et un courant peut le traverser. Les signes de courant et de tension peuvent être déterminés indépendamment, mais il existe une relation physique importante entre les polarités de tension et de courant, pour la clarification de laquelle certaines conditions supplémentaires sont généralement prises.
En figue. 4 montre comment les polarités relatives de la tension et du courant sont déterminées. Lorsque le sens du courant est sélectionné, il se jette dans la borne « + ». Lorsque cette condition supplémentaire est remplie, une grandeur électrique importante - la puissance électrique - peut être déterminée. Considérez l'élément de circuit de la Fig. 4.
Si la tension et le courant sont positifs, il y a un flux continu de charges positives d'un point de potentiel élevé à un point de potentiel bas. Pour maintenir ce flux, il faut séparer les charges positives des négatives et les introduire dans la borne «+». Cette séparation continue nécessite une dépense d'énergie continue.
Lorsque les charges traversent l'élément, elles libèrent cette énergie. Et comme l'énergie doit être stockée, elle est soit libérée dans l'élément de circuit sous forme de chaleur (par exemple, dans un grille-pain), soit stockée dans celui-ci (par exemple, lors du chargement d'une batterie de voiture). La vitesse à laquelle cette conversion d'énergie se produit est appelée pouvoir et est déterminé par l'expression P = U NS Az (watts = volts x ampères).
L'unité de mesure de la puissance est le watt (W), qui correspond à la conversion de 1 J d'énergie en 1 s. Puissance égale au produit de la tension et du courant avec les polarités définies à la fig. 4 est une quantité algébrique.
Si P > 0, comme dans le cas ci-dessus, la puissance est dissipée ou absorbée dans l'élément. Si P < 0, alors dans ce cas l'élément alimente le circuit dans lequel il est connecté.
Éléments résistifs
Pour chaque élément de circuit, vous pouvez écrire une relation spécifique entre la tension aux bornes et le courant traversant l'élément. Un élément résistif est un élément pour lequel on peut tracer la relation entre la tension et le courant, ce graphique est appelé caractéristique courant-tension. Un exemple d'une telle caractéristique est illustré à la fig. 5.
Riz. 5. Caractéristique courant-tension d'un élément résistif
Si la tension aux bornes de l'élément D est connue, alors le graphique peut déterminer le courant traversant l'élément D.De même, si le courant est connu, la tension peut être déterminée.
Résistance parfaite
La résistance (ou résistance) idéale est élément résistif linéaire… Par définition de la linéarité, la relation entre la tension et le courant dans un élément résistif linéaire est telle que lorsque le courant est doublé, la tension est également doublée. En général, la tension doit être proportionnelle au courant.
La relation proportionnelle entre la tension et le courant est appelée Loi d'Ohm pour une section d'un circuit et s'écrit de deux manières : U = I NS R, où R est la résistance de l'élément, et I = G NS U, où G = I / R est la conductivité de l'élément. L'unité de résistance est l'ohm (ohm) et l'unité de conductivité est le siemens (cm).
La caractéristique courant-tension de la résistance idéale est illustrée à la Fig. 6. Le graphique est une ligne droite passant par l'origine avec une pente égale à Az/R.
Riz. 6. Désignation (a) et caractéristique courant-tension (b) d'une résistance idéale.
Puissance avec une résistance parfaite
Exprimant la puissance absorbée par la résistance idéale :
P = U NS I = I2NS R, P = U2/ R
Tout comme la puissance absorbée, dans une résistance idéale, dépend du carré du courant (ou de la tension), le signe de la puissance absorbée v dans une résistance idéale dépend du signe de R. Bien que des valeurs de résistance négatives soient parfois utilisées lors de la simulation de certains types d'appareils fonctionnant dans certains modes, toutes les résistances réelles sont généralement positives. Pour ces résistances, la puissance absorbée est toujours positive.
L'énergie électrique absorbée par la résistance, selon loi de conservation de l'énergie, Doit NStransformer en d'autres espèces.Le plus souvent, l'énergie électrique est convertie en énergie thermique, appelée chaleur Joule. Taux d'excrétion chaleur en joules en termes de résistance, il correspond au taux d'absorption de l'énergie électrique. Les exceptions sont les éléments résistifs (par exemple, une ampoule ou un haut-parleur), où une partie de l'énergie absorbée est convertie en d'autres formes (énergie lumineuse et sonore).
Interrelation des principales grandeurs électriques
Pour le courant continu, les unités de base sont représentées sur la fig. 7.
Riz. 7. Interrelation des principales grandeurs électriques
Quatre unités de base - courant, tension, résistance et puissance - sont interconnectées par des relations établies de manière fiable, ce qui nous permet d'effectuer des mesures non seulement directes, mais également indirectes ou de calculer les valeurs dont nous avons besoin à partir d'autres mesures. Ainsi, pour mesurer la tension dans une partie du circuit, il faut avoir un voltmètre, mais même en son absence, connaissant le courant dans le circuit et la résistance actuelle dans cette section, on peut calculer la valeur de la tension.