Sähkövirta: Mikä se on?

Electrical4u

Kenttä: Perus sähkötiede

China

Mikä on sähkövirta?

Sähkövirta määritellään varautuneiden osioiden, kuten elektronien tai ionien, virtauksena sähköisen johtimen tai avaruuden läpi. Se on sähkövarauksen virran nopeus sähköisessä johtimessa ajan suhteen. Sähkövirtaa ilmaistaan matemaattisesti (esimerkiksi kaavoissa) symbolilla "I" tai "i". Virtauksen yksikkö on amper, jota merkitään kirjaimella A.

Matemaattisesti sähkövarauksen virran nopeutta voidaan ilmaista ajan suhteen seuraavasti,

$\begin{align*} I = \frac {dQ} {dt} \end{align*}$

Toisin sanoen, varautuneiden osioiden virtaus sähköisen johtimen tai avaruuden läpi tunnetaan sähkövirtana. Liikkuvia varautuneita osioita kutsutaan varauksen kuljettajiksi, jotka voivat olla elektronit, reikiä, ionit jne.

Virtauksen virran riippuu johtavan mediumin ominaisuuksista. Esimerkiksi:

Johtimessa virtauksen virran aiheuttavat elektronit.
Puolijohteissa virtauksen virran aiheuttavat elektronit tai reikit.
Elektrolyytissä virtauksen virran aiheuttavat ionit ja
Plasmassa—ionioidussa kaasussa, virtauksen virran aiheuttavat ionit ja elektronit.

Kun sähköinen potentiaaliero sovelletaan kahden pisteen välille johtavan mediumissa, sähkövirta alkaa virtaa korkeammasta potentiaalistaylempään potentiaaliin. Mitä suurempi jännite tai potentiaaliero, sitä enemmän virtaa kahden pisteen välillä.

Jos kaksi pistettä piirityksessä ovat samalla potentiaalitasolla, sähkövirta ei voi virtaa. Virtauksen virran suuruus riippuu jännitteestä tai potentiaalierosta kahden pisteen välillä. Siksi voimme sanoa, että sähkövirta on jännitteen vaikutus.

Sähkövirta voi tuottaa sähkömagneettisia kenttiä, jotka käytetään induktoreissa, muuntajissa, generaattoreissa ja moottoreissa. Sähkönjohtimissa virta aiheuttaa vastuslämmityksen tai joulen lämmityksen, joka tuottaa valoa lyhdynlampussa.

Aikavaihteleva sähkövirta tuottaa sähkömagneettisia aaltoja, joita käytetään tietoliikenteessä tiedon levittämiseen.

Vaihtovirta vs Suoritusvirta

Pohjautuen varauksen virtausmalliin, sähkövirta on luokiteltu kahteen tyyppiin, eli vaihtovirtaan (AC) ja suoritusvirtaan (DC).

Vaihtovirta

Sähkövarauksen virtaus säännöllisesti vaihtuvaan suuntaan tunnetaan nimellä vaihtovirta (AC). Vaihtovirtaa kutsutaan myös "AC Current" -nimellä. Vaikka tämä teknisesti tarkoittaa samaa asiaa kahdesti "AC Current Current".

Vaihtovirta muuttaa suuntaansa säännöllisin väliajoin.

Vaihtovirta alkaa nollasta, nousee maksimiin, laskee nollaan, kääntyy ja saavuttaa maksimin vastakkaiseen suuntaan, palaa alkuperäiseen arvoonsa ja toistaa tätä sykliä äärettömän monta kertaa.

Vaihtovirran aallonmuodon tyypiksi voi olla sinimuotoinen, kolmiomuotoinen, neliömäinen, hirvihammasmuotoinen jne.

Aallonmuodon erityisyys ei ole olennaista, kunhan se on toistuva aallonmuoto.

Kuitenkin useimmissa sähköpiireissä vaihtovirran tyypillinen aallonmuoto on sinimuotoinen. Alla olevassa kuvassa on esitetty typinen sinimuotoinen aallonmuoto, jonka voit nähdä vaihtovirrana.

Vaihtojännitevaihtogeneraattori voi tuottaa vaihtosähköä. Vaihtogeneraattori on erityinen sähkögeneraattorin tyyppi, joka on suunniteltu vaihtosähkön tuotantoon.

Vaihtosähkö on laajasti käytössä teollisuudessa ja asuinrakennuksissa.

Vakiosähkö

Sähkövirta, joka kulkee vain yhdessä suunnassa, tunnetaan vakiosähköksi (DC). Vakiosähköä kutsutaan myös "DC Current"iksi. Vaikka teknisesti tämä on sama asia toistettuna "Direct Current Current"ina.

Koska vakiosähkö kulkee vain yhdessä suunnassa, sitä kutsutaan myös yksisuuntaiseksi sähkövirtaksi. Vakiosähkön aalto muodostaa alla olevan kuvan.

Vakiosähkö voidaan tuottaa akkujen, aurinkopaneelien, polttoainelaatojen, termoparien, kommutaattorilla varustettujen sähkögeneraattoreiden jne. avulla. Vaihtosähkö voidaan muuttaa vakiosähköksi käyttämällä suorituslaitetta.

Vakiosähköä käytetään yleensä alavolttilaisissa sovelluksissa. Useimmat elektroniset piirivalmistukset vaativat vakiosähkölähdettä.

Mitä sähkövirta mitataan (virtayksiköt)?

Sähkövirtaa mitataan ampeerissa tai ampereissa. Tämä merkitään kirjaimella A. Ampere on SI-järjestelmän perusyksikkö sähkövirran mittaamiseen. Yksikköä amperi on nimetty ranskalaista fyysikkoa André-Marie Ampèren mukaan.

SI-järjestelmässä 1 amperia vastaa sähköladun virtausnopeutta, jossa kulkee yksi kulombi sekunnissa. Siis,

$\begin{align*} 1 \,\, Ampere = \frac {1\,\,Coulomb} {1\,\,Second} = \frac {C} {S} \end{align*}$

Siten sähkövirta mitataan myös kulomboina sekunnissa tai C/S.

Sähkövirran kaava

Sähkövirran peruskaavat ovat:

Virta, jännite ja vastus välinen suhde (Ohmin laki)
Virta, teho ja jännite välinen suhde
Virta, teho ja vastus välinen suhde

Nämä suhteet on yhteenvetetty alla olevassa kuvassa.

Virtan kaava 1 (Ohmin laki)

Ohmin laissa mukaan,

$\begin{align*} V = I*R \end{align*}$

Joten,

$\begin{align*} I = \frac{V}{R}\,\,A \end{align*}$

Esimerkki

Kuten alla olevassa piirikaaviossa näkyy, $24\,\,V$ jännite on kytketty vastus $12\,\,\Omega$ . Määritä virta, joka kulkee vastuksessa.

Ratkaisu:

Annetut tiedot: $V=24\,\,V ,\,\, R=12\,\,\Omega$

Ohmin laissa mukaan,

$\begin{align*} & I = \frac{V}{R} \\ & = \frac{24}{12} \\ & I = 2\,\,A \end{align*}$

Näin ollen yhtälön avulla saamme vastuksen kautta kulkevan sähkövirran olevan $2\,\,A$ .

Virta kaava 2 (Teho ja jännite)

Siirretty teho on tuotteen jännitteen ja sähkövirran tulo.

$\begin{align*} P = V*I \end{align*}$

Näin ollen saamme virran olevan tehon jaoton jännitteellä. Matemaattisesti,

$\begin{align*} I = \frac{P}{V}\,\,A \end{align*}$

Jossa $A$ tarkoittaa amperiä tai ampereita (sähkövirran yksiköt).

Esimerkki

Kuten alla olevassa piirikaaviossa näkyy, $24\,\,V$ virtalähdettä on yhdistetty $48\,\,W$ valoelimiin. Määritä $48\,\,W$ valoelimella kulkeva virta.Ratkaisu:

Annetut tiedot: $V=24\,\,V ,\,\, P=48\,\,W$

Kaavan mukaan,

$\begin{align*} & I = \frac{P}{V} \\ & = \frac{48}{24} \\ & I = 2\,\,A \end{align*}$

Tällöin edellä mainitun kaavan avulla saamme $48\,\,W$ valoelimella kulkevan virran arvoksi $2\,\,A$ .

Virtakaava 3 (Teho ja vastus, ohmin hukka, vastuslämpö)

Tiedämme, että, $P = V * I$

Kun sijoitamme Ohmin lain $V = I * R$ yllä olevaan yhtälöön, saamme,

$\begin{align*} P = I^2*R \end{align*}$

Siten, virta on voiman ja vastuksen suhteen neliöjuuri. Matemaattisesti tämä kaava on:

$\begin{align*} I = \sqrt{\frac{P}{R}}\,\,A \end{align*}$

Esimerkki

Kuten alla olevassa piirikaaviossa näkyy, määritä $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ valon kytkimään liittyvä virta

Ratkaisu:

Annetut tiedot: $P=100\,\,W ,\,\, R=20\,\,\Omega$

Yllä olevan suhteen mukaan virta, teho ja vastus:

$\begin{align*} & I = \sqrt{\frac{P}{R}} \\ & = \sqrt{\frac{100}{20}} \\ & = \sqrt{5} \\ & I = 2.24\,\,A \end{align*}$

Näin, yhtälön avulla saamme valon, jolla on $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ vastus, virta $2.24\,\,A$ .

Virtan ulottuvuudet

Virtan ulottuvuudet massan (M), pituuden (L), ajan (T) ja amperen (A) suhteen ilmaistaan $M^0L^0T^-^1Q$ .

Virta (I) on coulombi sekunnissa. Näin ollen,

$\begin{align*} I = \frac{Q}{t} = \frac{[Q]}{[T]} = QT^-^1 = M^0L^0T^-^1Q \end{align*}$

Vakiintunut virta vs elektronivirtaus

Vakiintuneen virran ja elektronivirran välillä on pieni väärinkäsitys. Yritetään ymmärtää ero näiden kahden välillä.

Sähköisen latauksen kuljettajina johtimissa toimivat liikkuvat tai vapaat elektronit. Sähkökentän suunta piirissä on määritelmän mukaan lakia, jonka mukaan positiiviset testiladukset työnnätään. Näin ollen nämä negatiivisesti ladattujen osapainojen, eli elektronien, virtaus on sähkökentän vastaisessa suunnassa.

Elektroniteorian mukaan, kun jännite tai potentiaaliero sovelletaan johtimeen, latautuneet osapainot kulkevat piirin läpi, mikä muodostaa sähkövirtauksen.

Nämä latautuneet osapainot kulkevat korkeammasta potentiaalista alhaiseen potentiaaliin, eli positiivisesta terminaalista akun negatiiviseen terminaaliin ulkoisen piirin kautta.

Mutta metallisessa johtimessa positiivisesti ladattujen osapainojen paikka on kiinteä, ja negatiivisesti ladattujen osapainojen, eli elektronien, on vapautta liikkua. Puolijohteissa latautuneiden osapainojen virtaus voi olla positiivinen tai negatiivinen.

Positiivisten latausten ja negatiivisten latausten vastakkainen virtaus on sama vaikutus sähköisessä piirissä. Koska virran virtaus johtuu joko positiivisista tai negatiivisista latauksista, tai molemmista, tarvitaan yleispätevä sopimus virran suunnalle, joka on riippumaton latausten tyyppistä.

Vakiintunut virran suunta pidetään sellaisena, jossa positiiviset latausten kuljettajat kulkevat, eli korkeammasta potentiaalista alhaiseen potentiaaliin. Siksi negatiiviset latausten kuljettajat, eli elektronit, kulkevat vakiintuneen virran vastaisessa suunnassa, eli alhaisemmasta potentiaalista korkeampaan potentiaaliin. Tämän vuoksi vakiintunut virta ja elektronivirtaus kulkevat vastakkaisiin suuntiin, mikä on näkyvissä alla olevassa kuvassa.

vakiintunut virran ja elektronivirran suunta — Vakiintunut virran ja elektronivirran suunta

Perinteinen sähkövirta: Positiivisten varauksien virtaus akun positiivisesta päästekohdasta negatiiviseen päästekohdaan kutsutaan perinteiseksi sähkövirraksi.
Sähkövirta: Elektronien virtaus kutsutaan sähkövirraksi. Negatiivisten varauksien, eli elektronien, virtaus akun negatiivisesta päästekohdasta positiiviseen päästekohdaan kutsutaan sähkövirraksi. Sähkövirta on päinvastainen perinteisen sähkövirran virtauksen suuntaan.

Perinteisen sähkövirran ja sähkövirran suunta on nähtävissä alla olevassa kuvassa.

Konvektiovirta vs. johtovirta

Konvektiovirta

Konvektiovirta tarkoittaa virran virtaamista eristävän aineen, kuten nesteen, kaasun tai tyhjiön, kautta.

Konvektiovirta ei vaadi johtimia virtaakseen; siksi se ei täytä Ohmin laki. Konvektiovirran esimerkki on tyhjiöputki, jossa katodin vapauttamat elektronit virtaavat anodiin tyhjyydessä.

Johtovirta

Virra, joka virtaa minkä tahansa johtimen kautta, kutsutaan johtovirraksi. Johtovirta vaatii johtimia virtaakseen; siksi se täyttää Ohmin lain.

Siirtymävirta

Oletetaan, että vastus ja kapasiteetti on yhdistetty rinnan voimalähteen kanssa, kuten alla olevassa kuvassa näkyvästi. Virtauksen luonne kapasiteetin kautta on erilainen kuin vastuksen kautta.

Jännite tai potentiaaliero vastuksen yli tuottaa jatkuva virran virtauksen, joka annetaan yhtälöllä,

$\begin{align*} I_1 = \frac{V}{R} \end{align*}$

Tämä virta kutsutaan "johtovirtaksi".

Nyt virta kulkee kondensaattorin läpi vain silloin, kun kondensaattorin jännite muuttuu, mikä ilmaistaan yhtälöllä,

$\begin{align*} I_2 = \frac{dQ}{dt} = C \frac{dV}{dt} \end{align*}$

Tätä virtaa kutsutaan "sijoitusvirtaksi".

Fyysisesti sijoitusvirta ei ole sama kuin virta, sillä siinä ei ole fyysisen suureen, kuten varauksen, virrannut.

Miten mitata virtaa

Sähköisessä ja elektronisessa piirissä virtan mittaaminen on olennainen parametri, joka on mitattava.

Laitteena, jolla voidaan mitata sähkövirta, on amperemittari. Virtan mittaamiseksi amperemittarin on oltava sarjaan kytketty piiriin, jonka virta on mitattava.

Virtan mittaaminen vastuksen läpi amperemittarilla on näkyvissä alla olevassa kuvassa.

Sähkövirtaa voidaan myös mitata galvanometrillä. Galvanometri antaa sekä sähkövirran suunnan että sen suuruuden.

Virtaa voidaan mitata havaitsemalla virtaan liittyvä magneettikenttä ilman, että piiri katkeaa. On olemassa useita laitteita, joilla voidaan mitata virta ilman, että piiri katkeaa.

Hallin vaikutuksen sähkövirtasensorit
Virtamukautin (CT) (mitataan vain vaihtovirtaa)
Klemmamittarit
Shunt-vastukset
Magnetoresistiviset kenttäsensorit

Yleisiä kysymyksiä virtasta

Tutkitaan joitakin yleisiä kysymyksiä, jotka liittyvät sähkövirtaan.

Mitä käytetään sähkövirtaan mittaamiseen elektromagnetiilla?

Galvanometri on mittalaitte, joka käyttää elektromagnetia sähkövirtaan mittaamiseen.

Galvanometri on absoluuttinen laite; se mittailee sähkövirtaa tangentin kulman funktiona.

Galvanometri voi mitata sähkövirtaa suoraan, mutta tämä edellyttää piirin katkeamista; siksi se on joskus epäkäytännöllistä.

Miten sähkövirta tuottaa magneettisen voiman?

Virtaa kuljettava johto, joka on sijoitettu magneettikenttään, kokee voiman, koska virta on muuta kuin varauksien virtaus.

Kuvittele virtaa kuljettava johto, jonka läpi kulkee virta, kuten alla olevassa kuvassa (a). Flemingin oikean käden säännön mukaan tämä virta tuottaa magneettikentän myötäpäivään.

企业微信截图_17098660781451.png 企业微信截图_17098660847078.png

Sähkövirta tuottama magneettivoima

Johtimen magneettikentän tulos on, että se vahvistaa magneettikentän johtimen yläpuolella ja heikentää sitä alapuolella.

Kenttäviivat ovat kuin venytetyt kumirengas; siksi ne työntävät johtimen alas, eli voima on alas, kuten kuvassa (b) näkyy.

Tämä esimerkki kertoo, että virtajohdinta vaikutteleva voima on olemassa magneettikentässä. Seuraava yhtälö määrittelee magneettivoiman suuruuden virtajohdinnalla.

$\begin{align*} F_B = BIL\,\,Sin\theta \end{align*}$

Sähkövirta voi kulkea vain, jos on olemassa seuraavat ehdot

Sähkövirta voi kulkea vain, jos on olemassa seuraavat ehdot:

Potentiaaliero, joka on olemassa kahden pisteen välillä. Jos kaksi pistettä ovat samassa potentiaalissa, sähkövirta ei voi kulkea.
Jännite- tai virranlähde, kuten akku tai elementti, joka pakottaa vapaat elektronit, jotka muodostavat sähkövirtan.
Johtaja tai kaapeli, joka kuljettaa sähkövarauksia.
Piiri täytyy olla suljettu tai täydellinen. Jos piirit ovat auki, sähkövirta ei voi kulkea.

Nämä ovat ehdot, jotka ovat tarpeen sähkövirran kulkeakseen. Alla oleva kuva näyttää sähkövirtaa, joka kulkee suljetussa piirissä.

Mikä parhaiten kuvaa eroa sähkövirtan ja staattisen sähkön välillä

Pääasiallinen ero sähkövirtan ja staattisen sähkön välillä on, että elektronit tai varaukset kulkevat johtajan läpi sähkövirrassa.

Sen sijaan staattisessa sähkössä varaukset ovat lepoasennossa ja kertyvät aineen pinnalle.

Sähkövirta on aiheutunut elektronien kulkevasta, kun taas staattinen sähkö on aiheutunut negatiivisten varauksien siirtymästä yhdestä kohteesta toiseen.

Sähkövirta syntyy vain johtajassa, kun taas staattinen sähkö syntyy sekä johtajassa että eristäjässä.

Miten sähkövirta vaikuttaa magneettipoleihin?

Tiedämme, että kun sähkövirta kulkee, eli kun sähkövaraukset ovat liikkeessä, ne tuottavat magneettikentän. Jos asetamme magneetin magneettikenttään, se kokemaan voiman.

Sähkövaraukselle, eli sähkövirtaukselle, samankaltaiset magneettipolot vetävät toisiaan ja vastakkaissuuntaiset magneettipolot repelevät. Joten voimme sanoa, että sähkövirtaus vaikuttaa magneettipoliin magneettikentän kautta.

Mitä laitetta käytetään sähkövirran mittaamiseen

Laitteena, jolla voidaan mitata sähkövirtaa, on amperempi. Amperempi tulee yhdistää sarjaryhmään kyseisen virran mittaamiseksi.

Muitakin erilaisia laitteita käytetään myös sähkövirran mittaamiseen.

Hall-ilmiön perusteella toimivat sähkövirran anturit
Sähkövirtajenkuri (CT) (mittaa vain vaihtovirtaa)
Klemmamittarit
Shunt-resistors
Magnetoresistiiviset kenttäanturit

Lähde: Electrical4u

Lause: Kunnioita alkuperäistä, hyviä artikkeleita on jakamisen arvoista, jos on tekijänoikeusloukkausta ota yhteyttä poistaaksesi.