Grunnleggende om elektrisitet

De gamle grekerne observerte elektriske fenomener lenge før studiet av elektrisitet begynte. Det er nok å gni den halvedelaktige ravsteinen med ull eller pels, da den begynner å tiltrekke seg biter av tørt halm, papir eller lo og fjær.

Moderne skoleeksperimenter bruker glass- og ebonittstaver gnidd med silke eller ull. I dette tilfellet anses det at en positiv ladning forblir på glassstangen, og en negativ ladning på ebonittstaven. Disse stengene kan også tiltrekke seg små papirbiter eller lignende. små gjenstander. Det er denne attraksjonen som er den elektriske felteffekten som ble studert av Charles Coulomb.

På gresk kalles rav elektron, så for å beskrive en slik attraktiv kraft foreslo William Hilbert (1540 - 1603) begrepet "elektrisk".

I 1891 antok den engelske forskeren Stony George Johnston at det fantes elektriske partikler i stoffer, som han kalte elektroner. Denne uttalelsen gjorde det mye lettere å forstå elektriske prosesser i ledninger.

Elektroner i metaller er ganske frie og skilles lett fra atomene deres, og under påvirkning av et elektrisk felt, mer presist, beveger potensielle forskjeller seg mellom metallatomer, og skaper elektrisitet… Dermed er den elektriske strømmen i en kobbertråd en strøm av elektroner som strømmer langs ledningen fra den ene enden til den andre.

Ikke bare metaller er i stand til å lede elektrisitet. Under visse forhold er væsker, gasser og halvledere elektrisk ledende. I disse miljøene er ladningsbærere ioner, elektroner og hull. Men foreløpig snakker vi bare om metaller, for selv i dem er ikke alt så enkelt.

Foreløpig snakker vi om likestrøm, hvis retning og størrelse ikke endres. Derfor er det på elektriske diagrammer mulig å indikere med piler hvor strømmen flyter. Strøm antas å flyte fra den positive polen til den negative polen, en konklusjon som ble nådd tidlig i studiet av elektrisitet.

Senere viste det seg at elektronene faktisk beveger seg i stikk motsatt retning - fra minus til pluss. Men til tross for dette ga de ikke opp "feil" retning, dessuten kalles nettopp denne retningen den tekniske retningen til strømmen. Hvilken forskjell gjør det om lampen fortsatt lyser. Bevegelsesretningen til elektronene kalles sann og brukes oftest i vitenskapelig forskning.

Dette er illustrert i figur 1.

Bilde 1.

Hvis bryteren "kastes" til batteriet i noen tid, vil elektrolytkondensatoren C lades og noe ladning vil samle seg på den. Etter å ha ladet kondensatoren ble bryteren vendt til pæren. Lampen blinker og slukker - kondensatoren utlades. Det er ganske åpenbart at varigheten av blitsen avhenger av mengden elektrisk ladning som er lagret i kondensatoren.

Et galvanisk batteri lagrer også elektrisk ladning, men mye mer enn en kondensator. Derfor er blitstiden lang nok - lampen kan brenne i flere timer.

Elektrisk ladning, strøm, motstand og spenning

Studiet av elektriske ladninger ble utført av den franske vitenskapsmannen C. Coulomb, som i 1785 oppdaget loven oppkalt etter ham.

I formler er elektrisk ladning betegnet som Q eller q. Den fysiske betydningen av denne størrelsen er ladede legemers evne til å gå inn i elektromagnetiske interaksjoner: ettersom ladninger frastøter, tiltrekker seg forskjellige. Kraften til interaksjon mellom ladninger er direkte proporsjonal med størrelsen på ladningene og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem. Hvis det er i form av en formel, ser det slik ut:

F = q1 * q2 / r2

Den elektriske ladningen til elektronet er veldig liten, så i praksis bruker de størrelsen på ladningen som kalles coulomb... Det er denne verdien som brukes i det internasjonale systemet SI (C). Et anheng inneholder ikke mindre enn 6,24151 * 1018 (ti til attende potens) elektroner. Hvis 1 million elektroner per sekund frigjøres fra denne ladningen, vil denne prosessen vare opptil 200 tusen år!

Måleenheten for strøm i SI-systemet er Ampere (A), oppkalt etter den franske vitenskapsmannen Andre Marie Ampere (1775 — 1836). Ved en strøm på 1A passerer en ladning på nøyaktig 1 C gjennom tverrsnittet av ledningen på 1 sekund. Den matematiske formelen i dette tilfellet er som følger: I = Q / t.

I denne formelen er strømmen i ampere, ladningen er i coulombs og tiden er i sekunder. Alle enheter må samsvare med SI-systemet.

Med andre ord frigjøres ett anheng per sekund. Svært lik hastigheten til en bil i kilometer i timen.Derfor er styrken til en elektrisk strøm ikke noe mer enn strømningshastigheten til elektrisk ladning.

Oftere i hverdagen brukes off-system enheten Ampere * time. Det er nok å huske bilbatterier, hvis kapasitet er angitt bare i ampere-timer. Og alle vet og forstår dette, selv om ingen husker noen anheng i bildelebutikker. Men samtidig er det fortsatt et forhold: 1 C = 1 * / 3600 ampere * time. Det er mulig å kalle en slik mengde ampere * sekund.

I en annen definisjon flyter en strøm på 1 A i en leder med motstand 1 Ω ved potensialforskjell (spenning) ved endene av ledningen 1 V. Forholdet mellom disse verdiene bestemmes av Ohms lov... Dette er kanskje den viktigste elektriske loven, det er ikke tilfeldig at folkevisdommen sier: «Hvis du ikke kan Ohms lov, bli hjemme!»

Ohms lovtest

Denne loven er nå kjent for alle: «Strømmen i kretsen er direkte proporsjonal med spenningen og omvendt proporsjonal med motstanden.» Det ser ut til at det bare er tre bokstaver — I = U / R, hver student vil si: «Hva så?». Men egentlig var veien til denne korte formelen ganske vanskelig og lang.

For å teste Ohms lov kan du sette sammen den enkleste kretsen vist i figur 2.

Figur 2.

Undersøkelsen er ganske enkel - ved å øke forsyningsspenningen punkt for punkt på papiret, konstruer grafen vist i figur 3.

Figur 3.

Det ser ut til at grafen skulle vise seg å være en perfekt rett linje, siden forholdet I = U / R kan representeres som U = I * R, og i matematikk er det en rett linje. Faktisk, på høyre side, bøyer linjen seg ned. Kanskje ikke mye, men den bøyer seg og er av en eller annen grunn veldig allsidig.I dette tilfellet vil bøyningen avhenge av metoden for oppvarming av den testede motstanden. Det er ikke for ingenting at den er laget av en lang kobbertråd: du kan spole en spole tett til en spole, du kan lukke den med et lag asbest, kanskje temperaturen i rommet i dag er den samme, men i går var det annerledes, eller det er trekk i rommet.

Dette er fordi temperaturen påvirker motstanden på samme måte som de lineære dimensjonene til fysiske legemer når de varmes opp. Hvert metall har sin egen temperaturkoeffisient for motstand (TCR). Men nesten alle vet og husker om utvidelse, men glem endringen i elektriske egenskaper (motstand, kapasitans, induktans). Men temperaturen i disse eksperimentene er den mest stabile kilden til ustabilitet.

Fra et litterært synspunkt viste det seg å være en ganske vakker tautologi, men i dette tilfellet uttrykker den veldig nøyaktig essensen av problemet.

Mange forskere på midten av 1800-tallet forsøkte å oppdage denne avhengigheten, men ustabiliteten i eksperimentene forstyrret og reiste tvil om sannheten i resultatene som ble oppnådd.Det lyktes kun Georg Simon Ohm (1787-1854), som klarte å avvise alle bivirkninger eller, som de sier, å se skogen for trærne. 1 Ohm-motstanden bærer fortsatt navnet til denne briljante vitenskapsmannen.

Hver ingrediens kan uttrykkes ved Ohms lov: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

For ikke å glemme disse forholdene, er det den såkalte Ohms trekant, eller noe lignende, vist i figur 4.

Figur 4. Ohms trekant

Å bruke det er veldig enkelt: bare lukk ønsket verdi med fingeren og de to andre bokstavene vil vise deg hva du skal gjøre med dem.

Det gjenstår å huske hvilken rolle spenning spiller i alle disse formlene, hva er dens fysiske betydning. Spenning forstås vanligvis som potensialforskjellen ved to punkter i det elektriske feltet. For enklere forståelse bruker de analogier, som regel, med en tank, vann og rør.

I denne "VVS"-ordningen er forbruket av vann i røret (liter / sek) bare strømmen (coulomb / sek), og forskjellen mellom det øvre nivået i tanken og den åpne kranen er potensialforskjellen (spenning) . Også, hvis ventilen er åpen, er utløpstrykket lik atmosfærisk, som kan tas som et betinget nullnivå.

I elektriske kretser gjør denne konvensjonen det mulig å ta et punkt for en felles leder ("jord") som alle målinger og justeringer gjøres mot. Oftest antas den negative terminalen til strømforsyningen å være denne ledningen, selv om dette ikke alltid er tilfelle.

Potensialforskjell måles i volt (V), oppkalt etter den italienske fysikeren Alessandro Volta (1745-1827). I henhold til den moderne definisjonen, med en potensialforskjell på 1 V, brukes en energi på 1 J for å flytte en ladning på 1 C. Den forbrukte energien etterfylles av en strømkilde, analogt med en «rørlegger»-krets, vil den være en pumpe som støtter opp under vannstanden i tanken.