Základy elektriny

Starovekí Gréci pozorovali elektrické javy dávno predtým, ako sa začalo so štúdiom elektriny. Polodrahokam jantár stačí pretrieť vlnou alebo kožušinou, pretože začne priťahovať kúsky suchej slamy, papiera či páperia a peria.

Moderné školské experimenty používajú sklenené a ebonitové tyče potierané hodvábom alebo vlnou. V tomto prípade sa predpokladá, že kladný náboj zostáva na sklenenej tyčinke a záporný náboj na ebonitovej tyčinke. Tieto tyče môžu tiež priťahovať malé kúsky papiera alebo podobne. malé predmety. Práve táto príťažlivosť je efektom elektrického poľa, ktorý študoval Charles Coulomb.

V gréčtine sa jantár nazýva elektrón, takže William Hilbert (1540 - 1603) na opísanie takejto príťažlivej sily navrhol výraz „elektrický“.

V roku 1891 anglický vedec Stony George Johnston vyslovil hypotézu o existencii elektrických častíc v látkach, ktoré nazval elektróny. Toto vyhlásenie umožnilo oveľa ľahšie pochopiť elektrické procesy v drôtoch.

Elektróny v kovoch sú celkom voľné a ľahko sa oddeľujú od ich atómov a pri pôsobení elektrického poľa sa medzi atómami kovov pohybujú potenciálne rozdiely elektriny… Elektrický prúd v medenom drôte je teda tok elektrónov prúdiacich pozdĺž drôtu z jedného konca na druhý.

Nielen kovy sú schopné viesť elektrický prúd. Za určitých podmienok sú kvapaliny, plyny a polovodiče elektricky vodivé. V týchto prostrediach sú nosičmi náboja ióny, elektróny a diery. Ale zatiaľ hovoríme len o kovoch, pretože ani v nich nie je všetko také jednoduché.

Zatiaľ hovoríme o jednosmernom prúde, ktorého smer a veľkosť sa nemení. Preto je na elektrických schémach možné šípkami označiť, kde prúdi prúd. Predpokladá sa, že prúd prúdi z kladného pólu na záporný pól, čo je záver dosiahnutý na začiatku štúdia elektriny.

Neskôr sa ukázalo, že elektróny sa v skutočnosti pohybujú presne opačným smerom - z mínusu do plusu. No napriek tomu sa nevzdali „nesprávneho“ smeru, navyše práve tento smer sa nazýva technický smer prúdu. Aký je rozdiel, ak lampa stále svieti. Smer pohybu elektrónov sa nazýva pravý a najčastejšie sa používa vo vedeckom výskume.

Toto je znázornené na obrázku 1.

Obrázok 1.

Ak je spínač na nejaký čas "prihodený" k batérii, elektrolytický kondenzátor C sa nabije a nahromadí sa na ňom určitý náboj. Po nabití kondenzátora sa prepínač otočil na žiarovku. Lampa bliká a zhasne - kondenzátor sa vybije. Je celkom zrejmé, že trvanie záblesku závisí od množstva elektrického náboja uloženého v kondenzátore.

Galvanická batéria tiež uchováva elektrický náboj, ale oveľa viac ako kondenzátor. Preto je čas záblesku dostatočne dlhý - lampa môže horieť niekoľko hodín.

Elektrický náboj, prúd, odpor a napätie

Štúdiom elektrických nábojov sa zaoberal francúzsky vedec C. Coulomb, ktorý v roku 1785 objavil po ňom pomenovaný zákon.

Vo vzorcoch je elektrický náboj označený ako Q alebo q. Fyzikálny význam tejto veličiny je schopnosť nabitých telies vstúpiť do elektromagnetických interakcií: keď sa náboje odpudzujú, rôzne sa priťahujú. Sila interakcie medzi nábojmi je priamo úmerná veľkosti nábojov a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti. medzi nimi. Ak je vo forme vzorca, vyzerá takto:

F = q1 * q2 / r2

Elektrický náboj elektrónu je veľmi malý, preto v praxi používajú veľkosť náboja nazývanú coulomb... Práve táto hodnota sa používa v medzinárodnom systéme SI (C). Prívesok obsahuje najmenej 6,24151 * 1018 (desať až osemnásta mocnina) elektrónov. Ak sa z tohto náboja uvoľní 1 milión elektrónov za sekundu, bude tento proces trvať až 200 tisíc rokov!

Jednotkou merania prúdu v sústave SI je ampér (A), pomenovaný po francúzskom vedcovi Andre Marie Ampere (1775 — 1836). Pri prúde 1A prejde prierezom drôtu náboj presne 1 C za 1 sekundu. Matematický vzorec je v tomto prípade nasledovný: I = Q / t.

V tomto vzorci je prúd v ampéroch, náboj je v coulomboch a čas je v sekundách. Všetky zariadenia musia byť v súlade so systémom SI.

Inými slovami, za sekundu sa uvoľní jeden prívesok. Veľmi podobné rýchlosti auta v kilometroch za hodinu.Preto sila elektrického prúdu nie je nič iné ako rýchlosť toku elektrického náboja.

V každodennom živote sa častejšie používa mimosystémová jednotka Ampere * hodina. Stačí stiahnuť autobatérie, ktorých kapacita je udávaná iba v ampérhodinách. A každý to vie a chápe, hoci si nikto nepamätá žiadne prívesky v obchodoch s autodielmi. Zároveň však stále existuje pomer: 1 C = 1 * / 3600 ampérov * hodina. Takéto množstvo je možné nazvať ampér * sekunda.

V inej definícii tečie prúd 1 A vo vodiči s odporom 1 Ω at potenciálny rozdiel (napätie) na koncoch drôtu 1 V. Pomer medzi týmito hodnotami je určený Ohmov zákon... Toto je snáď najdôležitejší elektrický zákon, nie náhodou ľudová múdrosť hovorí: «Ak nepoznáš Ohmov zákon, zostaň doma!»

Test Ohmovho zákona

Tento zákon je teraz známy každému: "Prúd v obvode je priamo úmerný napätiu a nepriamo úmerný odporu." Zdá sa, že existujú iba tri písmená - I = U / R, každý študent povie: «No a čo?». Ale v skutočnosti bola cesta k tejto krátkej formule dosť tŕnistá a dlhá.

Ak chcete otestovať Ohmov zákon, môžete zostaviť najjednoduchší obvod znázornený na obrázku 2.

Obrázok 2

Vyšetrovanie je celkom jednoduché – zvyšovaním napájacieho napätia bod po bode na papieri vytvorte graf znázornený na obrázku 3.

Obrázok 3.

Zdá sa, že graf by sa mal ukázať ako dokonale priama čiara, pretože vzťah I = U / R možno znázorniť ako U = I * R a v matematike je to priamka. V skutočnosti sa na pravej strane čiara ohýba nadol. Možno nie veľa, ale ohýba sa a z nejakého dôvodu je veľmi všestranný.V tomto prípade bude ohyb závisieť od spôsobu ohrevu testovaného odporu. Nie nadarmo je vyrobený z dlhého medeného drôtu: cievku môžete pevne namotať na cievku, môžete ju uzavrieť vrstvou azbestu, možno je dnes teplota v miestnosti rovnaká, ale včera bola iný, alebo je v miestnosti prievan.

Teplota totiž ovplyvňuje odpor rovnakým spôsobom ako lineárne rozmery fyzických telies pri zahrievaní. Každý kov má svoj vlastný teplotný koeficient odporu (TCR). Ale takmer každý vie a pamätá si o expanzii, ale zabudnite na zmenu elektrických vlastností (odpor, kapacita, indukčnosť). Ale teplota v týchto experimentoch je najstabilnejším zdrojom nestability.

Z literárneho hľadiska sa to ukázalo ako celkom krásna tautológia, ktorá však v tomto prípade veľmi presne vyjadruje podstatu problému.

Mnoho vedcov sa v polovici 19. storočia pokúšalo objaviť túto závislosť, no nestabilita experimentov prekážala a vyvolávala pochybnosti o pravdivosti získaných výsledkov.To sa podarilo až Georgovi Simonovi Ohmovi (1787-1854), ktorému sa podarilo odmietnuť všetky vedľajšie účinky alebo, ako sa hovorí, pre stromy vidieť les. Odpor 1 Ohm stále nesie meno tohto skvelého vedca.

Každá zložka môže byť vyjadrená Ohmovým zákonom: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

Aby sa na tieto vzťahy nezabudlo, existuje takzvaný Ohmov trojuholník alebo niečo podobné, ako je znázornené na obrázku 4.

Obrázok 4. Ohmov trojuholník

Použitie je veľmi jednoduché: stačí prstom zavrieť požadovanú hodnotu a ďalšie dve písmená vám ukážu, čo s nimi máte robiť.

Zostáva pripomenúť, akú úlohu hrá napätie vo všetkých týchto vzorcoch, aký je jeho fyzikálny význam. Napätie sa zvyčajne chápe ako potenciálny rozdiel v dvoch bodoch elektrického poľa. Pre ľahšie pochopenie používajú spravidla analógie s nádržou, vodou a potrubím.

V tejto schéme „inštalatérstva“ je spotreba vody v potrubí (litre / s) iba prúd (coulomb / s) a rozdiel medzi hornou úrovňou v nádrži a otvoreným kohútikom je potenciálny rozdiel (napätie) . Ak je ventil otvorený, výstupný tlak sa rovná atmosférickému tlaku, čo možno považovať za podmienenú nulovú úroveň.

V elektrických obvodoch táto konvencia umožňuje zaujať bod pre spoločný vodič ("zem"), voči ktorému sa vykonávajú všetky merania a nastavenia. Najčastejšie sa predpokladá, že záporná svorka napájacieho zdroja je tento vodič, aj keď to nie je vždy prípad.

Potenciálny rozdiel sa meria vo voltoch (V), pomenovaný po talianskom fyzikovi Alessandrovi Voltovi (1745-1827). Podľa modernej definície sa pri potenciálnom rozdiele 1 V spotrebuje energia 1 J na presunutie náboja o 1 C. Spotrebovaná energia je doplnená zdrojom energie, analogicky s «inštalačným» obvodom, byť čerpadlom, ktoré podporuje hladinu vody v nádrži.