Grunderna i el

De gamla grekerna observerade elektriska fenomen långt innan studiet av elektricitet började. Det räcker med att gnugga den halvädla bärnstenen med ull eller päls, eftersom den börjar dra till sig bitar av torrt halm, papper eller ludd och fjädrar.

Moderna skolexperiment använder glas- och ebonitstavar gnidade med siden eller ull. I det här fallet anses det att en positiv laddning finns kvar på glasstaven och en negativ laddning på ebonitstaven. Dessa stavar kan även locka till sig små papperslappar eller liknande. små föremål. Det är denna attraktion som är den elektriska fälteffekten som studerades av Charles Coulomb.

På grekiska kallas bärnsten för elektron, så för att beskriva en sådan attraktionskraft föreslog William Hilbert (1540 - 1603) termen "elektrisk".

År 1891 antog den engelske vetenskapsmannen Stony George Johnston att det fanns elektriska partiklar i ämnen, som han kallade elektroner. Detta uttalande gjorde det mycket lättare att förstå elektriska processer i ledningar.

Elektroner i metaller är ganska fria och lätt att separera från sina atomer, och under inverkan av ett elektriskt fält, mer exakt, rör sig potentiella skillnader mellan metallatomer, vilket skapar elektricitet… Den elektriska strömmen i en koppartråd är alltså ett flöde av elektroner som flyter längs tråden från ena änden till den andra.

Det är inte bara metaller som kan leda elektricitet. Under vissa förhållanden är vätskor, gaser och halvledare elektriskt ledande. I dessa miljöer är laddningsbärare joner, elektroner och hål. Men för närvarande pratar vi bara om metaller, för även i dem är allt inte så enkelt.

För nu talar vi om likström, vars riktning och storlek inte ändras. Därför är det på elektriska diagram möjligt att med pilar ange var strömmen flyter. Ström tros flyta från den positiva polen till den negativa polen, en slutsats som kom tidigt i studien av elektricitet.

Senare visade det sig att elektronerna faktiskt rör sig i rakt motsatt riktning - från minus till plus. Men trots detta gav de inte upp "fel" riktning, dessutom kallas just denna riktning strömmens tekniska riktning. Vilken skillnad gör det om lampan fortfarande lyser. Elektronernas rörelseriktning kallas sann och används oftast inom vetenskaplig forskning.

Detta illustreras i figur 1.

Bild 1.

Om strömbrytaren "kastas" till batteriet under en tid, kommer elektrolytkondensatorn C att laddas och en del laddning kommer att ackumuleras på den. Efter att ha laddat kondensatorn vändes strömbrytaren till glödlampan. Lampan blinkar och slocknar - kondensatorn laddas ur. Det är ganska uppenbart att blixtens varaktighet beror på mängden elektrisk laddning som lagras i kondensatorn.

Ett galvaniskt batteri lagrar också elektrisk laddning, men mycket mer än en kondensator. Därför är blixttiden tillräckligt lång — lampan kan brinna i flera timmar.

Elektrisk laddning, ström, motstånd och spänning

Studiet av elektriska laddningar utfördes av den franske vetenskapsmannen C. Coulomb, som 1785 upptäckte lagen uppkallad efter honom.

I formler betecknas elektrisk laddning som Q eller q. Den fysiska innebörden av denna kvantitet är laddade kroppars förmåga att ingå i elektromagnetiska interaktioner: när laddningar stöter bort, drar olika till sig. Kraften av interaktion mellan laddningar är direkt proportionell mot laddningarnas storlek och omvänt proportionell mot kvadraten på avståndet mellan dem. Om det är i form av en formel ser det ut så här:

F = q1 * q2 / r2

Elektronens elektriska laddning är mycket liten, så i praktiken använder de storleken på laddningen som kallas coulomb... Det är detta värde som används i det internationella systemet SI (C). Ett hängsmycke innehåller inte mindre än 6,24151 * 1018 (10 till artonde potens) elektroner. Om 1 miljon elektroner per sekund frigörs från denna laddning, kommer denna process att pågå upp till 200 tusen år!

Mätenheten för ström i SI-systemet är Ampere (A), uppkallad efter den franske vetenskapsmannen Andre Marie Ampere (1775 — 1836). Vid en ström på 1A passerar en laddning på exakt 1 C genom trådens tvärsnitt på 1 sekund. Den matematiska formeln i detta fall är följande: I = Q / t.

I den här formeln är strömmen i ampere, laddningen i coulombs och tiden i sekunder. Alla enheter måste överensstämma med SI-systemet.

Med andra ord, ett hänge släpps per sekund. Mycket lik hastigheten på en bil i kilometer i timmen.Därför är styrkan hos en elektrisk ström inget annat än flödet av elektrisk laddning.

Oftare i vardagen används off-system enheten Ampere * timme. Det räcker att återkalla bilbatterier, vars kapacitet endast anges i amperetimmar. Och alla vet och förstår detta, även om ingen kommer ihåg några hängsmycken i bildelarbutiker. Men samtidigt finns det fortfarande ett förhållande: 1 C = 1 * / 3600 ampere * timme. Det är möjligt att kalla en sådan kvantitet ampere * sekund.

I en annan definition flyter en ström på 1 A i en ledare med resistans 1 Ω vid potentialskillnad (spänning) vid ändarna av tråden 1 V. Förhållandet mellan dessa värden bestäms av Ohms lag... Detta är kanske den viktigaste elektriska lagen, det är inte av en slump som folkvisdom säger: «Om du inte kan Ohms lag, stanna hemma!»

Ohms lagtest

Denna lag är nu känd för alla: "Strömmen i kretsen är direkt proportionell mot spänningen och omvänt proportionell mot motståndet." Det verkar som att det bara finns tre bokstäver - I = U / R, varje elev kommer att säga: "Så vad?". Men egentligen var vägen till denna korta formel ganska svår och lång.

För att testa Ohms lag kan du sätta ihop den enklaste kretsen som visas i figur 2.

Figur 2.

Undersökningen är ganska enkel - genom att öka matningsspänningen punkt för punkt på papperet, konstruera grafen som visas i figur 3.

Figur 3.

Det verkar som att grafen skulle visa sig vara en helt rät linje, eftersom förhållandet I = U / R kan representeras som U = I * R, och i matematik är det en rät linje. Faktum är att på höger sida böjer linjen ner. Kanske inte mycket, men den böjer sig och är av någon anledning väldigt mångsidig.I detta fall kommer böjningen att bero på metoden för uppvärmning av det testade motståndet. Det är inte för inte som den är gjord av en lång koppartråd: du kan linda en spole tätt till en spole, du kan stänga den med ett lager asbest, kanske är temperaturen i rummet idag densamma, men igår var det annorlunda, eller så finns det drag i rummet.

Detta beror på att temperaturen påverkar motståndet på samma sätt som de linjära dimensionerna hos fysiska kroppar när de värms upp. Varje metall har sin egen temperaturkoefficient för motstånd (TCR). Men nästan alla vet och minns om expansion, men glöm förändringen i elektriska egenskaper (motstånd, kapacitans, induktans). Men temperaturen i dessa experiment är den mest stabila källan till instabilitet.

Ur litterär synvinkel visade det sig vara en ganska vacker tautologi, men i det här fallet uttrycker det mycket exakt problemets kärna.

Många forskare i mitten av 1800-talet försökte upptäcka detta beroende, men experimentens instabilitet störde och väckte tvivel om sanningen i de erhållna resultaten.Det lyckades endast Georg Simon Ohm (1787-1854), som lyckades avvisa alla biverkningar eller, som man säger, att se skogen för träden. Motståndet på 1 Ohm bär fortfarande namnet på denna briljanta vetenskapsman.

Varje ingrediens kan uttryckas med Ohms lag: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

För att inte glömma dessa relationer finns den så kallade Ohms triangel, eller något liknande, som visas i figur 4.

Figur 4. Ohms triangel

Att använda det är väldigt enkelt: stäng bara det önskade värdet med fingret och de andra två bokstäverna visar dig vad du ska göra med dem.

Det återstår att komma ihåg vilken roll spänning spelar i alla dessa formler, vad är dess fysiska betydelse. Spänning förstås vanligtvis som potentialskillnaden vid två punkter i det elektriska fältet. För enklare förståelse använder de analogier, som regel, med en tank, vatten och rör.

I detta "VVS" -schema är förbrukningen av vatten i röret (liter / sek) endast strömmen (coulomb / sek), och skillnaden mellan den övre nivån i tanken och den öppna kranen är potentialskillnaden (spänning) . Dessutom, om ventilen är öppen, är utloppstrycket lika med atmosfäriskt, vilket kan tas som en villkorad nollnivå.

I elektriska kretsar gör denna konvention det möjligt att ta en punkt för en gemensam ledare ("jord") mot vilken alla mätningar och justeringar görs. Oftast antas den negativa terminalen på strömförsörjningen vara denna tråd, även om detta inte alltid är fallet.

Potentiell skillnad mäts i volt (V), uppkallad efter den italienske fysikern Alessandro Volta (1745-1827). Enligt den moderna definitionen, med en potentialskillnad på 1 V, används en energi på 1 J för att flytta en laddning på 1 C. Den förbrukade energin fylls på av en strömkälla, i analogi med en "VVS"-krets, kommer den att vara en pump som stödjer vattennivån i tanken.