Elektriskā strāva: Kas tā ir?

Electrical4u

Lauks: Pamata elektrotehnika

China

Kas ir elektrostrāva?

Elektrostrāva tiek definēta kā nomākošu lādētu daļiņu—piemēram, elektronu vai jonu—plūsma caur elektisku pārvestāju vai telpu. Tā ir elektiskās lādes plūsmas ātrums caur pārvestāju attiecībā pret laiku. Elektrostrāva matemātiski (piemēram, formulās) tiek izteikta ar simbolu “I” vai “i”. Strāvas mērvienība ir amperis vai amps. Tas tiek apzīmēts ar A.

Matemātiski lādes plūsmas ātrumu attiecībā pret laiku var izteikt šādi,

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

Citiem vārdiem sakot, nomākošu lādētu daļiņu plūsma caur elektisko pārvestāju vai telpu sauc par elektrostrāvu. Nomākošās lādētas daļiņas tiek dēvētas par lādes nešķiedrām, kas var būt elektroni, dzirnavas, joni utt.

Strāvas plūsma atkarīga no pārvestāja. Piemēram:

Pārvestājā strāvas plūsma notiek dēļ elektronu kustības.
Semivadītājos strāvas plūsma notiek dēļ elektronu vai dzirnavu kustības.
Elektrolītā strāvas plūsma notiek dēļ jonu un
Plazmā—jonizētā gāzē, strāvas plūsma notiek dēļ jonu un elektronu kustības.

Ja elektiskai potenciāla atšķirībai starp diviem punktiem pārvestājā tiek piemērots, elektrostrāva sāk plūst no augstāka potenciāla uz zemāku potenciālu. Jo lielāka sprieguma vai potenciāla atšķirība, jo lielāka strāvas plūsma starp diviem punktiem.

Ja divi punkti shēmā atrodas vienādā potenciālā, tad strāva nevar plūst. Strāvas plūsmas lielums atkarīgs no sprieguma vai potenciāla atšķirības starp diviem punktiem. Tātad, varam teikt, ka strāva ir sprieguma efekts.

Elektriskā strāva var radīt elektromagnētiskus laukus, kuri tiek izmantoti induktoru, transformatoru, ģeneratoru un motora veidošanā. Elektrovedējos strāva rada resistīvo sildīšanos vai dzoul sildīšanos, kas izraisa gaismu svarglābā.

Laika maiņā mainīgā elektriskā strāva radīst elektromagnētiskas viļņotnes, kuras tiek izmantotas telekomunikācijās, lai izraidītu datus.

MA pret LA Strāva

Balstoties uz lādiņa plūsmu, elektriskā strāva ir sadalīta divos veidos, proti, maiņstrāvā (MA) un līdzstrāvā (LA).

MA Strāva

Lādiņu plūsma, kas periodiski maina virzienus, pazīstama kā maiņstrāve (MA). MA tiek arī saukta par “MA Strāvu”. Lai gan šis tehniski nozīmē to pašu divreiz “MA Strāva Strāva”.

Maiņstrāve maina savu virzienu periodiski.

Maiņstrāve sākas no nulles, pieaug līdz maksimālam vērtībai, samazinās līdz nullei, pēc tam apgriežas un sasniedz maksimālo vērtību pretējā virzienā, pēc tam atkal atgriežas uz sākotnējo vērtību un atkārto šo ciklu bezgalīgi.

Maiņstrāves viļņa formas var būt sinusoidālas, trīsstūra, kvadrāta, zobiņa forma utt.

Viļņa formas konkrētā iezīme nav svarīga—tikai, ja tā ir atkārtojoša viļņa forma.

Tomēr daudzos elektriskajos shēmās tipiska maiņstrāvas viļņa forma ir sinusa viļņa forma. Tipiska sinusa viļņa forma, ko var redzēt kā maiņstrāvi, ir parādīta attēlā zemāk.

Alternators alternators var izveidot strāvas maiņas strāvu. Alternators ir īpašs veids no elektriskajiem ģeneratoriem, kas izstrādāts, lai ģenerētu strāvas maiņas strāvu.

AC elektriskā enerģija plaši tiek izmantota rūpnieciskos un dzīvojamajos mērķos.

Uzstājīgā strāva

Elektrokrāju plūsmas tikai vienā virzienā sauc par uzstājīgo strāvu (DC). DC tiek arī saukta par "DC strāvu". Lai gan šis tehniski atkārto to pašu divreiz "Direct Current Current".

Kā DC plūst tikai vienā virzienā, tādēļ to sauc arī par vienvirziena strāvu. Uzstājīgas strāvas formas attēls ir parādīts zemāk esošajā attēlā.

DC var tikt ģenerēta ar baterijām, saules baterijām, degvielas celļiem, termopāriem, komutatora veida elektriskajiem ģeneratoriem utt. Alternācijas strāvu var pārvērst uzstājīgā strāvā, izmantojot rektifikatoru.

DC elektriskā enerģija vispār tiek izmantota zema sprieguma lietojumos. Vairākums elektronikas shēmu nepieciešama DC elektropiekāde.

Kā mēra elektrisko strāvu (strāvas mērvienības)?

SI mērvienība strāvai ir amperis vai amps. Tas ir apzīmēts ar A. Amperis, vai amps, ir pamatīpašības SI mērvienība elektriskajai strāvai. Mērvienība amperis nosaukta cīnītā fiziķa Andreja Marija Ampēra godā.

SI sistēmā 1 amperis ir elektriskās krājas plūsma starp diviem punktiem ar ātrumu viens kulonss sekundē. Tādējādi,

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

Tādēļ strāva tiek mērīta arī kūlumbiem sekundē vai C/S.

Elektriskās strāvas formula

Pamata formulas strāvai ir:

Strāvas, sprieguma un pretestības attiecība (Ohma likums)
Strāvas, jaudas un sprieguma attiecība
Strāvas, jaudas un pretestības attiecība

Šīs attiecības ir apkopotas zemāk redzamajā attēlā.

Strāvas formula 1 (Ohma likums)

Pēc Ohma likuma,

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

Tātad,

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

Piemērs

Kā redzams zemāk esošajā shēmā, $24\,\,V$ piegādes spriegums tiek piestiprināts uz pretestību $12\,\,\Omega$ . Nosakiet strāvas stiprumu caur pretestību.

Risinājums:

Dati: $V=24\,\,V ,\,\, R=12\,\,\Omega$

Saskaņā ar Ohma likumu,

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

Tādēļ, izmantojot vienādojumu, mēs iegūstam, ka strāva, kas plūst caur rezistoru, ir $2\,\,A$ .

Strāvas formula 2 (Jauda un spriegums)

Pārnestā jauda ir pārveidotā sprieguma un elektriskās strāvas reizinājums.

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

Tādēļ, mēs iegūstam, ka strāva vienāda ar jaudu, kas sadalīta ar spriegumu. Matemātiski,

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

Kur $A$ nozīmē amperus (elektriskās strāvas mērvienības).

Piemērs

Kā parādīts zemāk esošajā shēmā, uz $24\,\,V$ sprieguma piegādes avotu pieslēdz $48\,\,W$ gaismas loku. Aprēķiniet strāvu, ko patērē $48\,\,W$ gaismas lokam.Risinājums:

Dati: $V=24\,\,V ,\,\, P=48\,\,W$

Saskaņā ar formulu,

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

Tātad, izmantojot augstāk minēto vienādojumu, mēs iegūstam, ka strāva, ko patērē $48\,\,W$ gaismas lokam, ir vienāda ar $2\,\,A$ .

Strāvas formula 3 (Jauda un pretestība, Omiska zudējuma, Pretestības sildīšana)

Zinām, ka $P = V * I$

Tagad aizvietojot Ohma likumu $V = I * R$ iepriekšējā vienādojumā, iegūstam,

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

Tātad, strāva ir kvadrātsakne no jaudas un pretestības attiecības. Matemātiski šo formulu var izteikt kā:

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

Piemērs

Kā redzams zemāk esošajā shēmā, nosakiet strāvu, ko patērē $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ spuldze

Risinājums:

Dotātie dati: $P=100\,\,W ,\,\, R=20\,\,\Omega$

Saskaņā ar attiecībām starp strāvu, jaudu un pretestību, kas ir parādītas augšējā formulā:

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

Tātad, izmantojot šo vienādojumu, mēs iegūstam, ka strāva, ko patērē $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ lampas, ir $2.24\,\,A$ .

Strāvas dimensijas

Strāvas dimensijas, izsakot tos caur masu (M), garumu (L), laiku (T) un amperu (A), ir dadas ar $M^0L^0T^-^1Q$ .

Strāva (I) ir koulombs per sekundi. Tātad,

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

Parastādītais strāvas virzienš vs elektronu plūsma

Par parastādīto strāvas plūsmu un elektronu plūsmu pastāv mazliet nepareiza priekšstats. Mēģināsim izprast šo divu atšķirību.

Elektrovedības līdzekļi, kas pārnes elektrovedību caur vedējiem, ir mobīlie vai brīvie elektroni. Elektriskā lauka virziens iekšējā shēmā, saskaņā ar definīciju, ir likums, ka pozitīvi testa lādiņi tiek spiesti. Tādējādi šie negatīvie lādiņi, t.i., elektroni, plūst pretēji elektriskajam laukam.

Saskaņā ar elektronu teoriju, kad uz vedēju tiek piemērota sprieguma vai potenciālā atšķirne, ielādēti daļiņi plūst caur shēmu, kas veido elektrisko strāvu.

Šie ielādētie daļiņi plūst no augstāka potenciāla uz zemāko potenciālu, t.i., no akumulatora pozitīvā kontakta uz akumulatora negatīvo kontaktu caur ārējo shēmu.

Tomēr metāllīgajos vedējos pozitīvi ielādētie daļiņi ir fiksētas pozīcijās, un negatīvi ielādētie daļiņi, t.i., elektroni, ir brīvi kustībai. Poluprovadītājos ielādēto daļiņu plūsma var būt pozitīva vai negatīva.

Pozitīvo lādiņu un negatīvo lādiņu plūsma pretējā virzienā elektriskajā shēmā ir vienāda efekta. Tā kā strāvas plūsma notiek gan pozitīvo, gan negatīvo lādiņu dēļ, nepieciešama konvencija par strāvas virzieniem, kas neatkarīga no lādiņu nosūtītāju tipiem.

Parastādītā strāvas virziena tiek uzskatīts par pozitīvo lādiņu nosūtītāju plūsmas virzieniem, t.i., no augstāka potenciāla uz zemāko potenciālu. Tādējādi negatīvie lādiņu nosūtītāji, t.i., elektroni, plūst pretēji parastādītajai strāvas plūsmai, t.i., no zemāka potenciāla uz augstāko potenciālu. Tātad, parastādītā strāva un elektronu plūsma gāžas pretējos virzienos, kā tas ir attēlots zemāk esošajā attēlā.

virzieni parastādītās strāvas un elektronu plūsmas — Parastādītās strāvas un elektronu plūsmas virzieni

Parastāds strāva: Pozitīvo lādiņu plūsma no baterijas pozitīvā galda uz negatīvo galdiņu tiek saukta par parastādu strāvu.
Elektrona plūsma: Elektronu plūsmu sauc par elektronstrāvi. Negatīvo lādiņu - t.i., elektronu - plūsma no baterijas negatīvā galda uz pozitīvo galdiņu tiek saukta par elektronplūsmu. Elektronplūsma ir pretēja parastādai strāvai.

Parastādas strāvas un elektronplūsmas virzieni ir atspoguļoti zemāk redzamajā attēlā.

Parastāda strāvas un elektronplūsmas virzieni

Konvekcijas strāva vs Kondukcijas strāva

Konvekcijas strāva

Konvekcijas strāva attiecas uz strāvas plūsmu caur izolējošu vidu, piemēram, šķidrumu, gāzi vai vakuumu.

Konvekcijas strāvai nav nepieciešamas vedējas, lai plūst; tāpēc tā neatbilst Ohma likumam. Piemērs konvekcijas strāvai ir vakuumtubulis, kur katedras emitētie elektroni plūst uz anodu vakuumā.

Kondukcijas strāva

Strāva, kas plūst caur jebkuru vedēju, tiek saukta par kondukcijas strāvu. Kondukcijas strāvai ir nepieciešams vedējs, lai plūst; tāpēc tā atbilst Ohma likumam.

Novietojuma strāva

Apmeklējiet rezistoru un kapacitoru, kas savienoti paralēli ar spriegumu V, kā to rāda apakšā redzamais attēls. Strāvas plūsmas raksturs caur kapacitoru atšķiras no tā, kas plūst caur rezistoru.

Spriegums vai potenciāla atšķirība pāri rezistoram veido nemainīgu strāvas plūsmu, kas aprakstīta ar vienādojumu,

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

Šis strāvas plūsma tiek saukta par “vadības strāvu”.

Tagad strāva plūst caur kondensatoru tikai tad, kad uz kondensatora mainās spriegums, kas ir aprakstīts ar vienādojumu,

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

Šo strāvas plūsmu sauc par “novietojuma strāvu”.

Fiziski novietojuma strāva nav strāva, jo neeksistē fiziskā lieluma plūsma, piemēram, lādiņu plūsma.

Kā mērīt strāvu

Elektrotīklos un elektronikas shēmās strāvas mērīšana ir svarīga parametra, kas jāmēra.

Instrumentu, kas var mērīt elektrostrāvu, sauc par ampermetru. Lai mērītu strāvu, ampermetrs jāiekļauj šķērsošanā ar tīklu, kura strāvu vajag mērīt.

Strāvas mērīšana caur rezistoru, izmantojot ampermetru, ir parādīta zemāk redzamajā attēlā.

Elektrostrāvu var arī mērīt, izmantojot galvanometru. Galvanometrs sniedz gan strāvas virzieni, gan to lielumu.

Strāvu var mērīt, detektējot ar strāvu saistīto magnetisko lauku, nesalīdzinot tīklu. Ir dažādi instrumenti, kas tiek izmantoti, lai mērītu strāvu, nesalīdzinot tīklu.

Holla efekta strāvas sensori
Strāvas transformatoris (CT) (mēra tikai MA strāvu)
Šķīdinātāji
Shunta rezistori
Magneto rezistīvie lauka sensori

Parastās jautājumi par strāvu

Izpēlosim dažus parastus jautājumus, kas saistīti ar elektrisko strāvu.

Kas izmanto elektromagnētu, lai mērītu elektrisko strāvu?

Galvanometrs ir mērīšanas instruments, kas izmanto elektromagnētu, lai mērītu elektrisko strāvu.

Galvanometrs ir absolūts instruments; tas mēra elektrisko strāvu, izmantojot tangensu novietojuma leņķa.

Galvanometrs var mērīt elektrisko strāvu tieši, bet tas nozīmē, ka jāsadala šķērsla; tāpēc dažreiz tas ir neērti.

Kā elektriskā strāva radīs magnētisko spēku?

Ja strāvas nesējs vednis tiek ievietots magnētiskā laukā, tas pieredzēs spēku, jo strāva nav nekas cits kā lādiņu plūsma.

Apsveram strāvas nesēju, caur ko plūst strāva, kā to rāda apakšā esošā attēla (a) shēma. Saskaņā ar Fleminga labās rokas likumu; šī strāva radīs magnētisko lauku pulksteņrādītāja virzienā.

Uzņēmuma WeChat screenshot_17098660781451.png

Elektriskā strāva radītais magnētiskais spēks

Vadītāja magnētiskā lauka rezultāts ir tāds, ka tas stiprinās magnētisko lauku virs vadītāja un vājinās to zem vadītāja.

Lauklinijas ir līdzīgas izstieptiem gummijostiem; tāpēc tās spiež vadītāju uz leju, t.i., spēks ir uz leju, kā to rāda attēls (b).

Šis piemērs liecina, ka strāvas nesējs magnētiskā laukā pieredz spēku. Nākamā vienādojuma palīdzībā nosaka magnētiskā spēka lielumu uz strāvas nesēju.

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

Lai elektriskā strāva plūst, ir nepieciešams turēt šādus apstākļus

Lai elektriskā strāva plūst, ir nepieciešami šādi apstākļi:

Elektroviļņu atšķirība, kas pastāv starp diviem punktiem. Ja divi punkti šķērslē un tie ir vienāds potenciāls, strāva nevar plūstēt.
Sprieguma avots vai strāvas avots, piemēram, akumulators vai elementa, kas piespiež brīvās elektronas, kas veido elektrisko strāvu.
Strāvas nesējs vai drāts, kas pārneš elektriskos lādiņus.
Šķērslē jābūt aizvērtam vai pilnīgam. Ja šķērslēs ir atvērts, strāva nevar plūstēt.

Šie ir apstākļi, kas nepieciešami, lai elektriskā strāva plūstētu. Zemāk esošajā attēlā redzama strāva, kas plūst aizvērtā šķērslē.

Kas labāk apraksta atšķirību starp elektrisko strāvu un statisko elektrostāvokli

Galvenā atšķirība starp elektrisko strāvu un statisko elektrostāvokli ir tāda, ka elektronu vai lādiņu plūsme caur strāvas nesēju notiek elektriskā strāvā.

Savukārt statiskajā elektrostāvoklī lādiņi ir miera stāvoklī un akumulēti dažādu materiālu virsmā.

Elektriskā strāva rodas tikai konduktori, savukārt statiskais elektrostāvoklis var rodies gan konduktoros, gan izolatoros.

Elektriskā strāva rodas tikai konduktoros, savukārt statiskais elektrostāvoklis var rodies gan konduktoros, gan izolatoros.

Kā ietekmē elektriskā strāva magnētisko polu?

Zinām, ka, kad plūst elektriskā strāva, t.i., elektriskie lādiņi kustas, tā radīs magnētisko lauku. Ja magnēts tiek novietots magnētiskā laukā, tā uzliesmo spēks.

Elektriskām īpašībām, t.i., elektriskajam straumai, līdzīgi magnetiskie poli piesaista un pretējie magnetiskie poli atstumt. Tātad, mēs varam teikt, ka elektriskā strāva ietekmē magnetisko polu caur magnētisko lauku.

Kāds instruments tiek izmantots, lai mērītu elektrisko strāvu

Instruments, ar kura palīdzību var mērīt elektrisko strāvu, sauc par ampermetru. Ampermetrs jāievieto seriālā savienojumā ar tādu shēmu, kuras strāvu ir jāmēra.

Dažādi citi instrumenti arī tiek izmantoti, lai mērītu elektrisko strāvu.