起電力、電圧、電位差
電位差
一方の体をより多く加熱し、もう一方の体をより少なく加熱できることは明らかです。 物体の加熱の程度は、その温度と呼ばれます。 同様に、ある物体が別の物体よりも帯電する可能性があります。 体の帯電の程度は、電子ポテンシャルまたは単に体の電位と呼ばれる値を特徴付けます。
体に電気を流すとはどういう意味ですか？ それは彼に言うことを意味します 電子料金、つまり、体を負に帯電させると一定量の電子が追加され、体を正に帯電させると電子が取り除かれます。 どちらの場合でも、物体はある程度の帯電、つまり、1 つまたは別の電位を持ちますが、正に帯電した物体は正の電位を持ち、負に帯電した物体は負の電位を持ちます。
電子電荷のレベルの違い通常2体と呼ばれる 電子電位差あるいは単に 電位差.
2 つの類似体に同じ電荷が帯電しているが、一方が他方よりも大きい場合、それらの間にも電位差が生じることを理解する必要があります。
さらに、このような 2 つの物体の間には電位差があり、一方は帯電しており、もう一方は帯電していません。 したがって、たとえば、地球から隔離された物体に特定の電位がある場合、その物体と地球 (電位はゼロと見なされます) との間の電位差は、この物体の電位と数値的に等しくなります。
したがって、2 つの物体が同じ電位にならないように帯電している場合、それらの間には必然的に電位差が存在します。
みんな知ってる 帯電現象櫛を髪にこするときの櫛は、櫛と人間の髪の潜在的な違いを生み出すことに他なりません。
実際、くしが髪をこするとき、電子の一部がくしに走ってマイナスに帯電しますが、電子の一部を失った髪の毛は、くしと同じ程度ではあるが正に帯電します。 このようにして生じる電位差は、コームを髪に接触させることでゼロに減らすことができます。 この電子の逆遷移は、帯電した櫛を耳に近づけると簡単に聞こえます。 特徴的なパチパチという音は、放電が起こっていることを示します。
上記の電位差の話で、2つの荷電体を念頭に置いていましたが、 電位差は、1st と同じボディの異なる部分 (ポイント) 間でも取得できます。
たとえば、銅線に外力が作用して、自由電子が銅線の一方の端に移動するとどうなるか見てみましょう。 もちろん、ワイヤーのもう一方の端では電子が不足し、ワイヤーの端の間に電位差が生じます。
外力の作用を終えるとすぐに、電子は反対の電荷の引力により、正に帯電しているワイヤの端、つまり不足している場所に急いで行き、電子平衡を保ちます。再びワイヤーに入ります。
起電力と電圧
D 導体内の電子電流を維持するには、この導体の両端で常に電位差を維持する何らかの外部エネルギー源が必要です。
これらのエネルギー源は、いわゆる 電子電流源特定のものを所有している人 起電力 作るものと 長い間導体の両端で電位差を維持します。
起電力（EMFと略される）は文字Eで表されます. EMF の測定単位はボルトです。 私たちの国では、ボルトは文字「B」と省略されています。 国際指定- 文字「V」。
したがって、電子電流の連続的な流れを得るためには、起電力が必要です。つまり、電子電流源が必要です。
このような最初の電流源は、酸性水に浸した革で裏打ちされた一連の銅と亜鉛の円で構成された、いわゆる「ボルタ柱」でした。 したがって、起電力を得る方法の1つは、特定の物質の化学的相互作用であり、その結果、化学エネルギーが電子エネルギーに変換されます。 この方法で起電力を発生させる電流源を呼びます。 化学電流源.
現在、化学電流源 - ガルバニ電池およびバッテリー - 電気工学および電力産業で広く使用されています。
電気工学および電力産業のすべての分野で普及しているもう 1 つの主な電流源は、発電機です。
発電機は発電所に設置され、産業企業、電子都市照明、電子鉄道、路面電車、地下鉄、トロリーバスなどに電力を供給する唯一の電流源として機能します。
電子電流の化学的供給源（部品とバッテリー）と発電機の両方で、起電力の作用は完全に同じです。 それは、EMFが電流源の端子で電位差を作り、それを長時間維持するという事実にあります。
これらのクランプは、電流源の極と呼ばれます。 電流源の一方の極では常に電子が不足し、正の電荷が発生し、もう一方の極では過剰な電子が発生し、負の電荷が発生します。
したがって、電流源の一方の極は正（+）、もう一方の極は負（-）と呼ばれます。
電流源は、電流消費者であるさまざまなデバイスに電子電流を供給するために使用されます。 電流消費者は、導体の助けを借りて電流源の極に接続され、閉じた電子回路を形成します。 閉じた電子回路を備えた電流源の極間に確立される電位差は電圧と呼ばれ、文字Uで示されます。
EMF のような電圧の単位はボルトです。
たとえば、電流源の電圧が12ボルトであることを書き留める必要がある場合、U - 12 Vと書きます。
EMFまたは電圧を測定するには、電圧計と呼ばれるデバイスが使用されます。
電流源の EMF または電圧を測定するには、電圧計を特にその極に接続する必要があります。 このすべてで、電子回路が開いている場合、電圧計は電流源のEMFを示します。 回路を閉じると、電圧計にはEMFが表示されなくなりますが、電流源の端子の電圧が表示されます。
電流源によって発生する EMF は、常にその端子の電圧より大きくなります。
エクスプローラーで作成する場合 電界それを維持するための措置を講じない場合、電荷キャリアの移動により、導体内の電界が急速に消失し、電流が停止します。 十分な時間電流を維持するためには、導体の端から電位が低い必要があります j2（電荷キャリアは正であると仮定されます）電流によってここにもたらされた電荷を連続的に除去し、大きな電位を持つ端に向かって j1それらを継続的に下げます（図20.1）。
j 1 j 2
米。 20.1. EMFの概念に。
言い換えれば、電荷のサイクルを実行する必要があり、その中でそれらは閉じた経路に沿って移動します。 ベクター循環 静電界 k はゼロに等しい。 したがって、閉回路では、正電荷が減少する方向に移動する領域とともに j、増加する方向に正電荷の転送が発生する領域があるはずです j、すなわち静電界の力に抗する (図 20.1 の点線で示された回路の部分を参照)。 これらの領域でのキャリアの移動は、力の助けを借りてのみ可能です と呼ばれる非静電起源 外力 . したがって、電流を維持するには、回路全体または個々のセクションで作用する外力が必要です。 それらは、機械的起源の力、化学プロセス、不均一な媒体内または2つの異なる物質の境界を介した電荷キャリアの拡散、時間変化によって生成される電界（静電場ではない）によって引き起こされる可能性があります 磁場など
外力は、鎖に沿って移動する電荷に対して行う仕事によって特徴付けることができます。 正電荷の単位と呼ばれる外力の仕事に等しい値は、回路またはそのセクションで作用する起電力（EMF）Eと呼ばれます。 したがって、電荷に対する外力の仕事が qが A に等しい場合、定義により
え= A/q. (20.6)
電位と EMF の式を比較すると、EMF の次元は電位の次元と一致することがわかります。 それが理由です えと同じ単位で測定 j- ボルト (V)。
電荷に作用する外力 f st q, として表すことができます
ベクトル値 食べるを外力場の強さと呼びます。 電荷に対する外力の仕事 q閉回路全体で、次のように表すことができます。
この作業を q pr \u003d +1 で割ると、回路内で動作する EMF が得られます。
したがって、閉回路で作用するEMFは、外力の電界強度ベクトルの循環として定義できます。
セクション 1 - 2 で作用する起電力は、明らかに次のようになります。
え 12 = (20.7)
外力に加えて、静電界力が電荷に作用します へ E = q え. したがって、チェーンの各点で電荷 q に作用する合成力は次のようになります。
.
この力が電荷に対して行った仕事 qチェーン セクション 1 - 2 では、次の式で与えられます。
= q え 12 + q( j 1 - j 2). (20.8)
閉回路の場合、静電力の仕事はゼロなので、 A = qE..
仕事と数値的に等しい量単一の正電荷を移動するときに静電気および外力によって実行され、 いわゆる電圧降下 または単に 電圧U チェーンのこの部分で。 式 (20.8) によると
U 12 = j 1 - j 2 + え 12 . (20.9)
外力がない場合、電圧 U は電位差と一致します。 j 1 - j 2 。
静電場にはエネルギーがあります。 静電場に電荷がある場合、静電場に何らかの力が作用すると、静電場が移動して仕事をします。 すべての仕事は、ある種のエネルギーの変化に関連しています。 電荷を移動させる静電場の仕事は、通常、電位差と呼ばれる量で表されます。
ここで、q は転送された電荷の値です。
j 1 および j 2 - パスの始点と終点のポテンシャル。
簡潔にするために、今後は と表記します。 V は電位差です。
V = A/q。 静電フィールドのポイント間の潜在的な違いは、電荷がそれらの間を移動する1つのペンダントである場合に電気力が行う仕事です .
[V] \u003d V. 1ボルトはポイント間の電位差であり、その間を移動すると1クーロンの電荷、静電気力が1ジュールの仕事をします。
体の間の電位差は電位計で測定され、体の1つは導体によって電位計の体に接続され、もう1つは矢印に接続されます。 電気回路では、回路のポイント間の電位差は電圧計で測定されます。
電荷から離れると、静電場は弱まります。 その結果、フィールドのエネルギー特性 - ポテンシャル - がゼロになる傾向があります。 物理学では、無限遠点のポテンシャルはゼロと見なされます。 電気工学では、地表の電位はゼロであると考えられています。
電荷が特定の点から無限大に移動する場合、
A = q(j - O) = qj => j= A/q、つまり ポイントの可能性は、電気力が行う必要がある仕事であり、1 つのペンダントの電荷を特定のポイントから無限に転送します。 .
距離 d で強度ベクトルの方向に沿って、強度 E の均一な静電界内を正電荷 q が移動するとします。 電荷を移動させる場の仕事は、場の強さと電位差の両方から求めることができます。 明らかに、どのような方法で仕事を計算しても、まったく同じ値が得られます。
A = Fd = Eqd = qV. =>
この式は、フィールドのパワーとエネルギー特性を結び付けます。 さらに、それは私たちに緊張の単位を与えます。
[E] = V/m。 1 V / mは、このような均一な静電場の強度であり、強度ベクトルの方向に1 m移動すると、その電位は1 V変化します。
チェーンセクションのオームの法則。
導体の両端で電位差が増加すると、導体内の電流が増加します。 オームは、導体の電流強度が導体間の電位差に正比例することを実験的に証明しました。
異なるコンシューマを同じに接続する場合 電子回路今の強さが違う。 これは、さまざまな消費者がさまざまな方法で通過を妨げることを意味します。 電流. それを通過する電流を防止する導体の能力を特徴付ける物理量は、電気抵抗と呼ばれます . 特定の導体の抵抗は、一定の温度では一定の値です。 温度が上昇すると、金属の抵抗は増加しますが、液体の抵抗は減少します。 [R] = オーム。 1オームはそのような導体の抵抗であり、1 Aの電流が流れ、その両端で1 Vの電位差があります。 最も一般的に使用される金属導体。 それらの電流キャリアは自由電子です。 導体に沿って移動すると、結晶格子の陽イオンと相互作用し、エネルギーの一部を与えて速度を落とします。 希望の抵抗値を得るには、抵抗ボックスを使用します。 抵抗ボックスは、既知の抵抗を持つワイヤのコイルのセットであり、目的の組み合わせで回路に含めることができます。
Ohm は実験的に次のことを発見しました。 回路の均一な部分の電流強度は、この部分の両端の電位差に正比例し、この部分の抵抗に反比例します。
回路の均質セクションは、電流源がないセクションです。 これは、回路の均一なセクションに対するオームの法則であり、すべての電気計算の基礎です。
異なる長さの導体を含み、異なる 断面から作られた 異なる材料、 発見された： 導体の抵抗は、導体の長さに正比例し、断面積に比例して逆になります。 電流が反対側の面に垂直に流れる場合、物質から作られた 1 メートルの端を持つ立方体の抵抗は、この物質の固有抵抗と呼ばれます。 . [r] \u003d Ohm m.抵抗率の非体系的な単位がよく使用されます-断面積1 mm 2、長さ1 mの導体の抵抗[r] \ u003dオームmm 2 / m。
抵抗率物質 - 表の値。 導体の抵抗は、その抵抗率に比例します。
スライダーとステップ レオスタットの動作は、その長さに対する導体抵抗の依存性に基づいています。 スライダ レオスタットは、ニッケル線が巻かれたセラミック シリンダーです。 回路へのレオスタットの接続は、回路内の巻線の長さを増減するスライダを使用して実行されます。 ワイヤは、ターンを互いに分離するスケールの層で覆われています。
A) 消費者の直列および並列接続。
多くの場合、複数の電流消費者が電気回路に含まれています。 これは、各消費者に独自の電流源を持たせるのは合理的ではないという事実によるものです。 コンシューマーをオンにする方法は 2 つあります。直列と並列、および混合接続の形でのそれらの組み合わせです。
a) 消費者のシリアル接続。
で シリアル接続消費者は、消費者が次々と接続される連続チェーンを形成します。 直列に接続するとタップがありません 接続線. 簡単にするために、直列に接続された 2 つのコンシューマーのチェーンを考えてみましょう。 消費者の1つを通過した電荷は、2番目の消費者も通過します。 消費者をつなぐ導体では、電荷の消失、発生、蓄積はあり得ません。 ｑ＝ｑ １ ＝ｑ ２ ． 得られた式を回路を流れる電流の時間で割ると、接続全体を流れる電流とそのセクションを流れる電流との関係が得られます。
接続全体で単一の正電荷を移動する仕事は、この電荷をそのすべてのセクションを移動する仕事で構成されていることは明らかです。 それらの。 V \u003d V 1 + V 2 (2).
直列に接続されたコンシューマ全体の潜在的な差の合計は、コンシューマ全体の潜在的な差の合計に等しくなります。
式 (2) の両方の部分を回路の電流で割ると、U/I=V 1 /I+V 2 /I が得られます。 それらの。 直列接続されたセクション全体の抵抗は、そのコンポーネントの消費者の抵抗の合計に等しくなります。
B) 消費者の並列接続。
これは、コンシューマーを有効にする最も一般的な方法です。 この接続により、すべての消費者は、すべての消費者の 2 つの共通点に接続されます。
通過時 並列接続、回路を通過する電荷は、個々の消費者を通過するいくつかの部分に分割されます。 電荷保存則によれば、ｑ＝ｑ １ ＋ｑ ２ である。 この式を電荷遷移時間で割ると、回路を流れる総電流と個々の消費者を流れる電流との関係が得られます。
電位差Ｖ＝Ｖ １ ＝Ｖ ２ （２）の定義による。
回路のセクションに対するオームの法則に従って、式 (1) の電流強度を電位差と抵抗の比で置き換えます。 V / R \u003d V / R 1 + V / R 2が得られます。 還元後：1/R=1/R 1 +1/R 2 、
それらの。 並列接続の抵抗の逆数は、個々の分岐の抵抗の逆数の合計に等しくなります。