Ładunek przenosi oddziaływania elektryczne.
Elektrony przenoszą ładunek ujemny. W przewodnikach metalicznych niektóre elektrony mogą poruszać się w materiale. Prąd elektryczny opisuje wypadkowy ruch ładunku, a nie ilość energii zmagazynowanej w urządzeniu.
Źródło, takie jak bateria, wytwarza różnicę napięcia. Po podłączeniu odpowiedniej zamkniętej drogi może płynąć ładunek, a energia może być przekazywana do odbiornika.
Ilość ładunku mierzy się w kulombach (C). Kulomb jest jednostką ładunku, a nie energii. Natężenie prądu mówi nam, ile ładunku przepływa przez dany punkt w każdej sekundzie.
Napięcie, prąd i rezystancja.
Napięcie to energia na jednostkę ładunku między dwoma punktami, mierzona w woltach (V). Prąd to szybkość przepływu ładunku przez dany punkt, mierzona w amperach (A). Rezystancja, w omach (Ω), opisuje opór stawiany przepływowi prądu.
Te wielkości są powiązane, ale nie zamienne. Na otwartym łączniku może występować napięcie, chociaż przez przerwę nie płynie prąd.
- 1 amper = 1 kulomb na sekundę
- Prąd 2 A oznacza przepływ 2 C ładunku przez punkt w każdej sekundzie. Nie oznacza, że obwód zawiera tylko 2 C.
- 1 wolt = 1 dżul na kulomb
- Różnica 12 V odpowiada przekazaniu 12 J energii na każdy kulomb przepływający przez tę różnicę napięć.
Pierwszy rozwiązany przykład.
Dla rezystora omowego V = I × R. Po przekształceniu I = V ÷ R, więc 12 ÷ 6 = 2 A.
Utrzymanie napięcia 12 V przy zwiększeniu rezystancji do 12 Ω zmniejsza prąd do 1 A. To prosty model rezystora, a nie pełny opis silnika AC.
- W ciągu jednej sekundy, 2 C przepływa przez rezystor.
- Napięcie 12 V na nim oznacza 12 J na kulomb jest przenoszona.
- 2 C × 12 J/C = 24 J w ciągu jednej sekundy, czyli 24 W.
Rezystor przekształca tę energię elektryczną w ciepło. Ładunek nie jest zużywany: w tym ustalonym obwodzie szeregowym wpływa do rezystora i wypływa z niego w tym samym tempie.
Wiąże to napięcie i natężenie prądu z mocą i energią elektryczną. Wyjaśnia też, dlaczego przepływ ładunku i przekazywanie energii są różnymi wielkościami.
Rezystancja to tylko część opisu obwodu AC.
Przykład rezystora to przydatny punkt wyjścia. Gdy napięcie i prąd są przemienne, magazynowanie energii w elemencie również wpływa na jego reakcję:
- Rezystancja przekształca energię elektryczną w ciepło.
- Indukcyjność magazynuje energię w polu magnetycznym i przeciwdziała zmianom prądu.
- Pojemność gromadzi energię w polu elektrycznym przy rozdzielaniu ładunków i przeciwdziała zmianom napięcia.
Przy zasilaniu sinusoidalnym prąd może osiągać szczyt przed napięciem lub po nim. Ta różnica w czasie nazywa się różnicą faz. Efekty indukcyjne i pojemnościowe powodują reaktancję, która zmienia się z częstotliwością.
Impedancja łączy rezystancję i reaktancję w całościową odpowiedź obwodu na AC: zarówno wartość prądu, jak i jego fazę względem napięcia. Mierzy się ją w omach, lecz zwykle nie oblicza się jej przez proste dodawanie rezystancji i reaktancji jako zwykłych liczb dodatnich.
Pracujący silnik wymienia również energię ze swoim obciążeniem mechanicznym. Jego prądu nie można przewidzieć na podstawie samej rezystancji uzwojeń. Lekcja o AC i DC wprowadza zasilanie przemienne; temat watów, VA i współczynnika mocy wyjaśnia konsekwencje energetyczne.
Opcjonalnie: jak wiążą się ze sobą te wielkości
Dla idealnych elementów przy jednej częstotliwości sinusoidalnej reaktancja indukcyjna wynosi XL = 2πfL, a reaktancja pojemnościowa XC = 1/(2πfC). Częstotliwość f podaje się w hercach, indukcyjność L w henrach, a pojemność C w faradach. Obie reaktancje są wyrażane w omach.
Dla rezystora, cewki i kondensatora połączonych szeregowo moduł impedancji wynosi:
|Z| = √[R² + (XL − XC)²]
Wtedy IRMS = VRMS / |Z|. RMS oznacza pierwiastek ze średniej kwadratów i określa wartość skuteczną, wyjaśnioną w lekcji o AC. Równania te opisują ten konkretny obwód liniowy w sinusoidalnym stanie ustalonym; nie są pełnym modelem pracującego silnika dźwigu.
Powiąż pojęcia z dźwigiem.
Protokół może opisywać napięcie zasilania, prąd silnika lub połączenie o zwiększonej rezystancji. Każde z tych określeń dotyczy innej właściwości. Znajomość różnic pomaga zapytać o zaobserwowane zjawiska bez pochopnego stawiania diagnozy.
Następna lekcja śledzi drogę przepływu prądu w obwodzie.
Bliższe spojrzenie
Umowny kierunek prądu opisuje przepływ od bieguna dodatniego do ujemnego przez obwód zewnętrzny. Elektrony w metalu dryfują w przeciwnym kierunku. Obliczenia obwodów zwykle wykorzystują umowny kierunek prądu.
Sprawdź swoją wiedzę
Czy różnica napięć zawsze oznacza przepływ prądu?
Pokaż wyjaśnienie
Nie. Na przerwie w otwartym obwodzie może występować napięcie, chociaż przez tę przerwę nie płynie prąd.
Dalsza lektura.
Lektura opcjonalna, pozwalająca dokładniej zgłębić tę lekcję.
- OpenStax: prąd i ładunek
Zacznij od sekcji 9.1, zwłaszcza definicji prądu i schematów obwodów. Dalszy przykład z rachunkiem różniczkowym jest opcjonalny; schematy wyjaśniają umowny kierunek prądu i ruch elektronów.
- OpenStax: prawo Ohma i proste obwody
Punkt 20.2 rozwija pojęcia napięcia, prądu i rezystancji na przykładach obliczeniowych. To przydatny kolejny krok po przykładzie 12 V z lekcji.
- OpenStax: napięcie jako energia na jednostkę ładunku
Przeczytaj definicję różnicy potencjałów i zależność wolt = dżul/kulomb. Wyjaśniają one związek ładunku z energią, które nie są tą samą wielkością.
- OpenStax: rezystancja, indukcyjność i pojemność w obwodach AC
Porównaj rozdziały o rezystorze, kondensatorze i cewce indukcyjnej. Wykresy napięcia/prądu pokazują znaczenie wyprzedzania i opóźniania; rachunek różniczkowy i całkowy jest opcjonalny.
- OpenStax: łączenie rezystancji i reaktancji
Rozwinięcie zaawansowane: równanie 15.11 podaje moduł impedancji szeregowego obwodu RLC. Towarzyszące wykresy wskazowe wyjaśniają, dlaczego składników nie dodaje się jak zwykłych liczb dodatnich.