Bazele electricității
Grecii antici au observat fenomenele electrice cu mult înainte de a începe studiul electricității. Este suficient să freci piatra semiprețioasă de chihlimbar cu lână sau blană, deoarece începe să atragă bucăți de paie uscate, hârtie sau puf și pene.
Experimentele școlare moderne folosesc tije din sticlă și ebonită frecate cu mătase sau lână. În acest caz, se consideră că pe tija de sticlă rămâne o sarcină pozitivă, iar pe tija de ebonită o sarcină negativă. Aceste tije pot atrage, de asemenea, bucăți mici de hârtie sau altele asemenea. obiecte mici. Tocmai această atracție este efectul câmpului electric care a fost studiat de Charles Coulomb.
În greacă, chihlimbarul se numește electron, așa că pentru a descrie o astfel de forță atractivă, William Hilbert (1540 - 1603) a propus termenul „electric”.
În 1891, omul de știință englez Stony George Johnston a emis ipoteza existenței particulelor electrice în substanțe, pe care le-a numit electroni. Această afirmație a făcut mult mai ușor de înțeles procesele electrice din fire.
Electronii din metale sunt destul de liberi și ușor separați de atomii lor, iar sub acțiunea unui câmp electric, mai precis, diferențele de potențial se mișcă între atomii de metal, creând electricitate… Astfel, curentul electric dintr-un fir de cupru este un flux de electroni care curge de-a lungul firului de la un capăt la altul.
Nu numai metalele sunt capabile să conducă electricitatea. În anumite condiții, lichidele, gazele și semiconductorii sunt conductoare de electricitate. În aceste medii, purtătorii de sarcină sunt ionii, electronii și găurile. Dar deocamdată vorbim doar despre metale, pentru că nici în ele totul nu este atât de simplu.
Deocamdată, vorbim de curent continuu, a cărui direcție și amploare nu se modifică. Prin urmare, pe schemele electrice se poate indica cu săgeți unde circulă curentul. Se crede că curentul curge de la polul pozitiv la polul negativ, o concluzie la care sa ajuns la începutul studiului electricității.
Mai târziu s-a dovedit că electronii se mișcă de fapt în direcția opusă - de la minus la plus. Dar, în ciuda acestui fapt, nu au renunțat la direcția „greșită”, în plus, chiar această direcție se numește direcția tehnică a curentului. Ce diferență are dacă lampa încă se aprinde. Direcția de mișcare a electronilor se numește adevărată și este folosită cel mai adesea în cercetarea științifică.
Acest lucru este ilustrat în Figura 1.
Poza 1.
Dacă comutatorul este „aruncat” la baterie pentru o perioadă de timp, condensatorul electrolitic C va fi încărcat și se va acumula ceva încărcare pe el. După încărcarea condensatorului, comutatorul a fost îndreptat spre bec. Lampa clipește și se stinge - condensatorul se descarcă. Este destul de evident că durata blițului depinde de cantitatea de sarcină electrică stocată în condensator.
O baterie galvanică stochează și sarcina electrică, dar mult mai mult decât un condensator. Prin urmare, timpul de bliț este suficient de lung - lampa poate arde câteva ore.
Sarcina electrică, curent, rezistență și tensiune
Studiul sarcinilor electrice a fost realizat de omul de știință francez C. Coulomb, care în 1785 a descoperit legea care îi poartă numele.
În formule, sarcina electrică este notată cu Q sau q. Semnificația fizică a acestei mărimi este capacitatea corpurilor încărcate de a intra în interacțiuni electromagnetice: pe măsură ce sarcinile se resping, altele se atrag Forța de interacțiune dintre sarcini este direct proporțională cu dimensiunea sarcinilor și invers proporțională cu pătratul distanței. între ele. Dacă este sub forma unei formule, arată astfel:
F = q1 * q2 / r2
Sarcina electrică a electronului este foarte mică, așa că în practică se utilizează mărimea sarcinii numită coulomb... Această valoare este folosită în sistemul internațional SI (C). Un pandantiv conține nu mai puțin de 6,24151 * 1018 (de zece până la a optsprezecea putere) electroni. Dacă din această sarcină sunt eliberați 1 milion de electroni pe secundă, atunci acest proces va dura până la 200 de mii de ani!
Unitatea de măsură a curentului în sistemul SI este Amperul (A), numit după omul de știință francez Andre Marie Ampere (1775 — 1836). La un curent de 1 A, o sarcină de exact 1 C trece prin secțiunea transversală a firului în 1 secundă. Formula matematică în acest caz este următoarea: I = Q / t.
În această formulă, curentul este în amperi, sarcina este în coulombi și timpul este în secunde. Toate dispozitivele trebuie să fie conforme cu sistemul SI.
Cu alte cuvinte, un pandantiv este eliberat pe secundă. Foarte asemănătoare cu viteza unei mașini în kilometri pe oră.Prin urmare, puterea unui curent electric nu este altceva decât rata de curgere a sarcinii electrice.
Mai des în viața de zi cu zi, este utilizată unitatea în afara sistemului Ampere * oră. Este suficient să rechemați bateriile auto, a căror capacitate este indicată doar în amperi-ore. Și toată lumea știe și înțelege acest lucru, deși nimeni nu își amintește niciun pandantiv din magazinele de piese auto. Dar, în același timp, există încă un raport: 1 C = 1 * / 3600 amperi * oră. Este posibil să se numească o astfel de cantitate amper * secundă.
Într-o altă definiție, un curent de 1 A circulă într-un conductor cu rezistență de 1 Ω la diferență de potențial (tensiune) la capetele firului 1 V. Raportul dintre aceste valori este determinat de Legea lui Ohm... Aceasta este poate cea mai importantă lege electrică, nu întâmplător înțelepciunea populară spune: «Dacă nu cunoști legea lui Ohm, stai acasă!»
Testul Legii lui Ohm
Această lege este acum cunoscută de toată lumea: „Curentul din circuit este direct proporțional cu tensiunea și invers proporțional cu rezistența.” Se pare că există doar trei litere — I = U / R, fiecare elev va spune: «Și ce?». Dar, de fapt, drumul către această formulă scurtă a fost destul de spinos și lung.
Pentru a testa legea lui Ohm, puteți asambla cel mai simplu circuit prezentat în Figura 2.
Figura 2.
Investigația este destul de simplă - prin creșterea tensiunii de alimentare punct cu punct pe hârtie, construiți graficul prezentat în Figura 3.
Figura 3.
Se pare că graficul ar trebui să se dovedească a fi o dreaptă perfectă, deoarece relația I = U / R poate fi reprezentată ca U = I * R, iar în matematică este o linie dreaptă. De fapt, în partea dreaptă, linia se îndoaie în jos. Poate nu mult, dar se îndoaie și din anumite motive este foarte versatil.În acest caz, îndoirea va depinde de metoda de încălzire a rezistenței testate. Nu degeaba este făcut dintr-un fir lung de cupru: poți înfășura strâns o bobină la o bobină, o poți închide cu un strat de azbest, poate că temperatura din cameră azi este aceeași, dar ieri a fost diferit, sau există un curent de aer în cameră.
Acest lucru se datorează faptului că temperatura afectează rezistența în același mod ca dimensiunile liniare ale corpurilor fizice atunci când sunt încălzite. Fiecare metal are propriul coeficient de rezistență la temperatură (TCR). Dar aproape toată lumea știe și își amintește despre expansiune, dar uită de schimbarea proprietăților electrice (rezistență, capacitate, inductanță). Dar temperatura în aceste experimente este cea mai stabilă sursă de instabilitate.
Din punct de vedere literar, s-a dovedit a fi o tautologie destul de frumoasă, dar în acest caz exprimă foarte exact esența problemei.
Mulți oameni de știință la mijlocul secolului al XIX-lea au încercat să descopere această dependență, dar instabilitatea experimentelor a intervenit și a stârnit îndoieli cu privire la adevărul rezultatelor obținute. Doar Georg Simon Ohm (1787-1854) a reușit, care a reușit să respingă. toate efectele secundare sau, după cum se spune, pentru a vedea pădurea pentru copaci. Rezistența de 1 ohm poartă încă numele acestui om de știință genial.
Fiecare ingredient poate fi exprimat prin legea lui Ohm: I = U / R, U = I * R, R = U / I.
Pentru a nu uita aceste relații, există așa-numitul Triunghi al lui Ohm, sau ceva similar, prezentat în Figura 4.
Figura 4. Triunghiul lui Ohm
Utilizarea este foarte simplă: doar închideți valoarea dorită cu degetul și celelalte două litere vă vor arăta ce să faceți cu ele.
Rămâne să ne amintim ce rol joacă tensiunea în toate aceste formule, care este sensul ei fizic. Tensiunea este de obicei înțeleasă ca diferența de potențial în două puncte din câmpul electric. Pentru o înțelegere mai ușoară, ei folosesc analogii, de regulă, cu un rezervor, apă și țevi.
În această schemă „sanatorie”, consumul de apă în conductă (litri / sec) este doar curentul (coulomb / sec), iar diferența dintre nivelul superior al rezervorului și robinetul deschis este diferența de potențial (tensiune) . De asemenea, dacă supapa este deschisă, presiunea de ieșire este egală cu cea atmosferică, care poate fi luată ca un nivel zero condiționat.
În circuitele electrice, această convenție face posibilă luarea unui punct pentru un conductor comun ("împământare") față de care se fac toate măsurătorile și ajustările. Cel mai adesea, se presupune că terminalul negativ al sursei de alimentare este acest fir, deși nu este întotdeauna cazul.
Diferența de potențial este măsurată în volt (V), numit după fizicianul italian Alessandro Volta (1745-1827). Conform definiției moderne, cu o diferență de potențial de 1 V, o energie de 1 J este cheltuită pentru a deplasa o sarcină de 1 C. Energia consumată este completată de o sursă de energie, prin analogie cu un circuit „sanitarie”, va să fie o pompă care susține nivelul apei din rezervor.