Podstawy elektryczności

Starożytni Grecy obserwowali zjawiska elektryczne na długo przed rozpoczęciem badań nad elektrycznością. Półszlachetny bursztyn wystarczy natrzeć wełną lub futrem, gdyż zaczyna przyciągać kawałki suchej słomy, papieru czy puchu i piór.

Współczesne eksperymenty szkolne wykorzystują szklane i ebonitowe pręty przecierane jedwabiem lub wełną. W tym przypadku uważa się, że na pręcie szklanym pozostaje ładunek dodatni, a na pręcie ebonitowym ładunek ujemny. Te pręty mogą również przyciągać małe kawałki papieru lub tym podobne. małe przedmioty. To właśnie przyciąganie jest efektem pola elektrycznego, które badał Charles Coulomb.

Po grecku bursztyn nazywany jest elektronem, więc aby opisać taką siłę przyciągania, William Hilbert (1540 - 1603) zaproponował termin „elektryczny”.

W 1891 roku angielski naukowiec Stony George Johnston postawił hipotezę istnienia cząstek elektrycznych w substancjach, które nazwał elektronami. To stwierdzenie znacznie ułatwiło zrozumienie procesów elektrycznych w przewodach.

Elektrony w metalach są dość swobodne i łatwo oddzielają się od swoich atomów, a pod działaniem pola elektrycznego, a dokładniej, różnice potencjałów przemieszczają się między atomami metali, tworząc Elektryczność… Zatem prąd elektryczny w drucie miedzianym to przepływ elektronów przepływających wzdłuż drutu od jednego końca do drugiego.

Nie tylko metale są zdolne do przewodzenia prądu. W pewnych warunkach ciecze, gazy i półprzewodniki przewodzą prąd elektryczny. W tych środowiskach nośnikami ładunku są jony, elektrony i dziury. Ale na razie mówimy tylko o metalach, ponieważ nawet w nich wszystko nie jest takie proste.

Na razie mówimy o prądzie stałym, którego kierunek i wielkość się nie zmieniają. Dlatego na schematach elektrycznych można wskazać strzałkami, gdzie płynie prąd. Uważa się, że prąd płynie od bieguna dodatniego do bieguna ujemnego, co zostało wyciągnięte na wczesnym etapie badań nad elektrycznością.

Później okazało się, że elektrony faktycznie poruszają się dokładnie w przeciwnym kierunku — od minusa do plusa. Ale mimo to nie zrezygnowali z „złego” kierunku, zresztą ten właśnie kierunek nazywany jest technicznym kierunkiem prądu. Co za różnica, jeśli lampka nadal się świeci. Kierunek ruchu elektronów nazywany jest prawdziwym i jest najczęściej wykorzystywany w badaniach naukowych.

Jest to zilustrowane na rysunku 1.

Obrazek 1.

Jeśli przełącznik zostanie „wrzucony” do akumulatora na jakiś czas, kondensator elektrolityczny C zostanie naładowany i zgromadzi się na nim pewien ładunek. Po naładowaniu kondensatora włącznik został przekręcony na żarówkę. Lampka miga i gaśnie - kondensator rozładowuje się. Jest całkiem oczywiste, że czas trwania błysku zależy od ilości ładunku elektrycznego zgromadzonego w kondensatorze.

Akumulator galwaniczny przechowuje również ładunek elektryczny, ale znacznie więcej niż kondensator. Dlatego czas błysku jest wystarczająco długi — lampa może palić się przez kilka godzin.

Ładunek elektryczny, prąd, opór i napięcie

Badanie ładunków elektrycznych przeprowadził francuski naukowiec C. Coulomb, który w 1785 r. Odkrył prawo nazwane jego imieniem.

We wzorach ładunek elektryczny jest oznaczany jako Q lub q. Fizycznym znaczeniem tej wielkości jest zdolność ciał naładowanych do wchodzenia w oddziaływania elektromagnetyczne: gdy ładunki się odpychają, inne się przyciągają.Siła oddziaływania między ładunkami jest wprost proporcjonalna do wielkości ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Jeśli jest w formie formuły, wygląda to tak:

fa = q1 * q2 / r2

Ładunek elektryczny elektronu jest bardzo mały, więc w praktyce używają wielkości ładunku zwanej kulomb... To właśnie ta wartość jest używana w międzynarodowym układzie SI (C). Wisiorek zawiera nie mniej niż 6,24151 * 1018 (dziesięć do potęgi osiemnastej) elektronów. Jeśli z tego ładunku zostanie uwolnionych 1 milion elektronów na sekundę, proces ten potrwa do 200 tysięcy lat!

Jednostką miary prądu w układzie SI jest Amper (A), nazwany na cześć francuskiego naukowca Andre Marie Ampere (1775 — 1836). Przy natężeniu 1 A przez przekrój poprzeczny drutu przepływa ładunek o wartości dokładnie 1 C w ciągu 1 sekundy. Wzór matematyczny w tym przypadku jest następujący: I = Q / t.

W tym wzorze prąd jest w amperach, ładunek w kulombach, a czas w sekundach. Wszystkie urządzenia muszą być zgodne z systemem SI.

Innymi słowy, jeden wisiorek jest uwalniany na sekundę. Bardzo podobny do prędkości samochodu w kilometrach na godzinę.Dlatego siła prądu elektrycznego to nic innego jak szybkość przepływu ładunku elektrycznego.

Częściej w życiu codziennym używana jest jednostka pozasystemowa Ampere * godzina. Wystarczy przypomnieć akumulatory samochodowe, których pojemność jest wskazana tylko w amperogodzinach. I wszyscy to wiedzą i rozumieją, chociaż nikt nie pamięta żadnych wisiorków w sklepach z częściami samochodowymi. Ale jednocześnie nadal istnieje stosunek: 1 C = 1 * / 3600 amperów * godzina. Można nazwać taką ilość amper * sekunda.

W innej definicji prąd o natężeniu 1 A płynie w przewodniku o rezystancji 1 Ω w różnica potencjałów (napięcie) na końcach drutu 1 V. Stosunek między tymi wartościami jest określony przez Prawo Ohma... To chyba najważniejsze prawo elektryczne, nieprzypadkowo mądrość ludowa mówi: „Jeśli nie znasz prawa Ohma, zostań w domu!”

Test prawa Ohma

To prawo jest teraz znane wszystkim: „Prąd w obwodzie jest wprost proporcjonalny do napięcia i odwrotnie proporcjonalny do oporu”. Wydaje się, że są tylko trzy litery — I = U / R, każdy uczeń powie: „No i co z tego?”. Ale tak naprawdę droga do tej krótkiej formuły była dość ciernista i długa.

Aby przetestować prawo Ohma, możesz złożyć najprostszy obwód pokazany na rysunku 2.

Rysunek 2.

Badanie jest dość proste — zwiększając napięcie zasilania punkt po punkcie na kartce, skonstruuj wykres pokazany na rysunku 3.

Rysunek 3.

Wydaje się, że wykres powinien okazać się linią idealnie prostą, ponieważ zależność I = U / R można przedstawić jako U = I * R, aw matematyce jest to linia prosta. W rzeczywistości po prawej stronie linia pochyla się w dół. Może niewiele, ale wygina się iz jakiegoś powodu jest bardzo uniwersalny.W tym przypadku ugięcie będzie zależeć od sposobu nagrzewania badanej rezystancji. Nie bez powodu jest zrobiony z długiego miedzianego drutu: można ciasno nawinąć cewkę na cewkę, można ją zamknąć warstwą azbestu, może dzisiaj temperatura w pomieszczeniu jest taka sama, ale wczoraj była inny lub w pomieszczeniu panuje przeciąg.

Dzieje się tak, ponieważ temperatura wpływa na opór w taki sam sposób, jak wymiary liniowe ciał fizycznych po podgrzaniu. Każdy metal ma swój własny temperaturowy współczynnik rezystancji (TCR). Ale prawie wszyscy wiedzą i pamiętają o rozszerzeniu, ale zapomnij o zmianie właściwości elektrycznych (rezystancja, pojemność, indukcyjność). Ale temperatura w tych eksperymentach jest najbardziej stabilnym źródłem niestabilności.

Z literackiego punktu widzenia okazało się to dość piękną tautologią, ale w tym przypadku bardzo trafnie oddaje istotę problemu.

Wielu naukowców w połowie XIX wieku próbowało odkryć tę zależność, ale niestabilność eksperymentów przeszkadzała i budziła wątpliwości co do prawdziwości uzyskanych wyników.Udało się to tylko Georgowi Simonowi Ohmowi (1787-1854), któremu udało się odrzucić wszystkie skutki uboczne lub, jak to mówią, zobaczyć las dla drzew. Rezystancja 1 Ohm nadal nosi imię tego genialnego naukowca.

Każdy składnik można wyrazić prawem Ohma: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

Aby nie zapomnieć o tych zależnościach, istnieje tak zwany Trójkąt Ohma lub coś podobnego, pokazany na rysunku 4.

Rysunek 4. Trójkąt Ohma

Korzystanie z niego jest bardzo proste: wystarczy zamknąć palcem żądaną wartość, a pozostałe dwie litery pokażą, co z nimi zrobić.

Pozostaje przypomnieć, jaką rolę odgrywa napięcie we wszystkich tych formułach, jakie jest jego fizyczne znaczenie. Napięcie jest zwykle rozumiane jako różnica potencjałów w dwóch punktach pola elektrycznego. Dla łatwiejszego zrozumienia używają z reguły analogii ze zbiornikiem, wodą i rurami.

W tym schemacie „hydraulika” zużycie wody w rurze (litry/s) to tylko prąd (kulomb/s), a różnica między górnym poziomem w zbiorniku a otwartym kranem to różnica potencjałów (napięcie) . Ponadto, jeśli zawór jest otwarty, ciśnienie wylotowe jest równe atmosferycznemu, co można przyjąć jako warunkowy poziom zerowy.

W obwodach elektrycznych ta konwencja umożliwia przyjęcie punktu za wspólny przewodnik („uziemienie”), względem którego dokonywane są wszystkie pomiary i regulacje. Najczęściej przyjmuje się, że ujemny zacisk zasilacza to ten przewód, chociaż nie zawsze tak jest.

Różnica potencjałów jest mierzona w wolcie (V), nazwanym na cześć włoskiego fizyka Alessandro Volty (1745-1827). Zgodnie ze współczesną definicją, przy różnicy potencjałów 1 V, energia 1 J jest zużywana na przemieszczenie ładunku o wartości 1 C. Zużyta energia jest uzupełniana przez źródło zasilania, analogicznie do obwodu „hydraulicznego”, będzie być pompą utrzymującą poziom wody w zbiorniku.