Βασικά στοιχεία του ηλεκτρισμού

Οι αρχαίοι Έλληνες παρατηρούσαν ηλεκτρικά φαινόμενα πολύ πριν ξεκινήσει η μελέτη του ηλεκτρισμού. Αρκεί να τρίψετε την ημιπολύτιμη κεχριμπαρένια πέτρα με μαλλί ή γούνα, καθώς αρχίζει να προσελκύει κομμάτια από ξηρό άχυρο, χαρτί ή χνούδι και φτερά.

Τα σύγχρονα σχολικά πειράματα χρησιμοποιούν ράβδους από γυαλί και εβονίτη που τρίβονται με μετάξι ή μαλλί. Σε αυτή την περίπτωση, θεωρείται ότι ένα θετικό φορτίο παραμένει στη γυάλινη ράβδο και ένα αρνητικό φορτίο στη ράβδο εβονίτη. Αυτές οι ράβδοι μπορούν επίσης να προσελκύσουν μικρά κομμάτια χαρτιού ή παρόμοια. μικροαντικειμενα. Είναι αυτή η έλξη που είναι το φαινόμενο ηλεκτρικού πεδίου που μελετήθηκε από τον Charles Coulomb.

Στα ελληνικά το κεχριμπάρι ονομάζεται ηλεκτρόνιο, οπότε για να περιγράψει μια τέτοια ελκτική δύναμη, ο William Hilbert (1540 - 1603) πρότεινε τον όρο «ηλεκτρικό».

Το 1891, ο Άγγλος επιστήμονας Stony George Johnston υπέθεσε την ύπαρξη ηλεκτρικών σωματιδίων σε ουσίες, τις οποίες ονόμασε ηλεκτρόνια. Αυτή η δήλωση έκανε πολύ πιο εύκολη την κατανόηση των ηλεκτρικών διεργασιών στα καλώδια.

Τα ηλεκτρόνια στα μέταλλα είναι αρκετά ελεύθερα και διαχωρίζονται εύκολα από τα άτομά τους, και υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου, πιο συγκεκριμένα, οι διαφορές δυναμικού κινούνται μεταξύ των ατόμων μετάλλου, δημιουργώντας ηλεκτρική ενέργεια… Έτσι, το ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα χάλκινο σύρμα είναι μια ροή ηλεκτρονίων που ρέουν κατά μήκος του σύρματος από τη μια άκρη στην άλλη.

Όχι μόνο τα μέταλλα είναι ικανά να μεταφέρουν ηλεκτρισμό. Υπό ορισμένες συνθήκες, τα υγρά, τα αέρια και οι ημιαγωγοί είναι ηλεκτρικά αγώγιμα. Σε αυτά τα περιβάλλοντα, φορείς φορτίου είναι ιόντα, ηλεκτρόνια και οπές. Αλλά προς το παρόν μιλάμε μόνο για μέταλλα, γιατί ακόμα και σε αυτά όλα δεν είναι τόσο απλά.

Προς το παρόν, μιλάμε για συνεχές ρεύμα, του οποίου η κατεύθυνση και το μέγεθος δεν αλλάζουν. Επομένως, στα ηλεκτρικά διαγράμματα είναι δυνατό να υποδεικνύεται με βέλη πού ρέει το ρεύμα. Το ρεύμα πιστεύεται ότι ρέει από τον θετικό πόλο στον αρνητικό πόλο, ένα συμπέρασμα που κατέληξε νωρίς στη μελέτη της ηλεκτρικής ενέργειας.

Αργότερα αποδείχθηκε ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται στην πραγματικότητα προς την ακριβώς αντίθετη κατεύθυνση - από το μείον στο συν. Αλλά παρ 'όλα αυτά, δεν εγκατέλειψαν τη "λάθος" κατεύθυνση, επιπλέον, αυτή ακριβώς η κατεύθυνση ονομάζεται τεχνική κατεύθυνση του ρεύματος. Τι διαφορά έχει αν η λάμπα εξακολουθεί να ανάβει. Η κατεύθυνση της κίνησης των ηλεκτρονίων ονομάζεται αληθής και χρησιμοποιείται συχνότερα στην επιστημονική έρευνα.

Αυτό φαίνεται στο Σχήμα 1.

Εικόνα 1.

Εάν ο διακόπτης «πεταχτεί» στην μπαταρία για κάποιο χρονικό διάστημα, ο ηλεκτρολυτικός πυκνωτής C θα φορτιστεί και θα συσσωρευτεί κάποιο φορτίο σε αυτόν. Μετά τη φόρτιση του πυκνωτή, ο διακόπτης στράφηκε στη λάμπα. Η λυχνία αναβοσβήνει και σβήνει - ο πυκνωτής αποφορτίζεται. Είναι προφανές ότι η διάρκεια του φλας εξαρτάται από την ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου που είναι αποθηκευμένο στον πυκνωτή.

Μια γαλβανική μπαταρία αποθηκεύει επίσης ηλεκτρικό φορτίο, αλλά πολύ περισσότερο από έναν πυκνωτή. Επομένως, ο χρόνος φλας είναι αρκετά μεγάλος — η λάμπα μπορεί να καίει για αρκετές ώρες.

Ηλεκτρικό φορτίο, ρεύμα, αντίσταση και τάση

Η μελέτη των ηλεκτρικών φορτίων έγινε από τον Γάλλο επιστήμονα C. Coulomb, ο οποίος το 1785 ανακάλυψε τον νόμο που ονομάστηκε προς τιμήν του.

Στους τύπους, το ηλεκτρικό φορτίο συμβολίζεται ως Q ή q. Η φυσική έννοια αυτής της ποσότητας είναι η ικανότητα των φορτισμένων σωμάτων να εισέρχονται σε ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις: καθώς τα φορτία απωθούνται, τα διαφορετικά έλκονται. Η δύναμη αλληλεπίδρασης μεταξύ των φορτίων είναι ευθέως ανάλογη με το μέγεθος των φορτίων και αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης μεταξυ τους. Εάν έχει τη μορφή τύπου, μοιάζει με αυτό:

F = q1 * q2 / r2

Το ηλεκτρικό φορτίο του ηλεκτρονίου είναι πολύ μικρό, οπότε στην πράξη χρησιμοποιούν το μέγεθος του φορτίου που ονομάζεται κουλόμπ... Αυτή η τιμή είναι που χρησιμοποιείται στο διεθνές σύστημα SI (C). Ένα κρεμαστό κόσμημα περιέχει όχι λιγότερα από 6,24151 * 1018 (δέκα έως δέκατη όγδοη ισχύ) ηλεκτρόνια. Εάν απελευθερωθούν 1 εκατομμύριο ηλεκτρόνια ανά δευτερόλεπτο από αυτό το φορτίο, τότε αυτή η διαδικασία θα διαρκέσει έως και 200 ​​χιλιάδες χρόνια!

Η μονάδα μέτρησης του ρεύματος στο σύστημα SI είναι το Ampere (A), που πήρε το όνομά του από τον Γάλλο επιστήμονα Andre Marie Ampere (1775 — 1836). Σε ρεύμα 1Α, ένα φορτίο ακριβώς 1 C διέρχεται από τη διατομή του σύρματος σε 1 δευτερόλεπτο. Ο μαθηματικός τύπος σε αυτή την περίπτωση είναι ο εξής: I = Q / t.

Σε αυτόν τον τύπο, το ρεύμα είναι σε αμπέρ, το φορτίο σε κουλόμπ και ο χρόνος σε δευτερόλεπτα. Όλες οι συσκευές πρέπει να συμμορφώνονται με το σύστημα SI.

Με άλλα λόγια, απελευθερώνεται ένα μενταγιόν ανά δευτερόλεπτο. Πολύ παρόμοια με την ταχύτητα ενός αυτοκινήτου σε χιλιόμετρα την ώρα.Επομένως, η ισχύς ενός ηλεκτρικού ρεύματος δεν είναι τίποτα άλλο από τον ρυθμό ροής του ηλεκτρικού φορτίου.

Συχνότερα στην καθημερινή ζωή, χρησιμοποιείται η μονάδα εκτός συστήματος Ampere * ώρα. Αρκεί να ανακαλέσουμε τις μπαταρίες αυτοκινήτων, η χωρητικότητα των οποίων υποδεικνύεται μόνο σε αμπέρ-ώρες. Και όλοι το γνωρίζουν και το καταλαβαίνουν αυτό, αν και κανείς δεν θυμάται κανένα μενταγιόν σε καταστήματα ανταλλακτικών αυτοκινήτων. Αλλά ταυτόχρονα υπάρχει ακόμα μια αναλογία: 1 C = 1 * / 3600 αμπέρ * ώρα. Είναι δυνατόν να ονομάσουμε μια τέτοια ποσότητα αμπέρ * δευτερόλεπτο.

Σε έναν άλλο ορισμό, ένα ρεύμα 1 Α ρέει σε έναν αγωγό με αντίσταση 1 Ω στο διαφορά δυναμικού (τάση) στα άκρα του σύρματος 1 V. Η αναλογία μεταξύ αυτών των τιμών καθορίζεται από Νόμος του Ohm... Αυτός είναι ίσως ο πιο σημαντικός ηλεκτρικός νόμος, δεν είναι τυχαίο που η λαϊκή σοφία λέει: «Αν δεν γνωρίζετε τον νόμο του Ohm, μείνετε σπίτι!»

Το τεστ του νόμου του Ohm

Αυτός ο νόμος είναι πλέον γνωστός σε όλους: «Το ρεύμα στο κύκλωμα είναι ευθέως ανάλογο με την τάση και αντιστρόφως ανάλογο με την αντίσταση». Φαίνεται ότι υπάρχουν μόνο τρία γράμματα — I = U / R, κάθε μαθητής θα πει: «Και τι;». Αλλά στην πραγματικότητα ο δρόμος προς αυτή τη σύντομη φόρμουλα ήταν αρκετά ακανθώδης και μακρύς.

Για να ελέγξετε τον νόμο του Ohm, μπορείτε να συναρμολογήσετε το απλούστερο κύκλωμα που φαίνεται στο Σχήμα 2.

Σχήμα 2.

Η διερεύνηση είναι αρκετά απλή - αυξάνοντας την τάση τροφοδοσίας σημείο προς σημείο στο χαρτί, κατασκευάστε το γράφημα που φαίνεται στο Σχήμα 3.

Εικόνα 3.

Φαίνεται ότι το γράφημα θα πρέπει να αποδειχθεί μια τέλεια ευθεία γραμμή, αφού η σχέση I = U / R μπορεί να αναπαρασταθεί ως U = I * R και στα μαθηματικά είναι μια ευθεία γραμμή. Στην πραγματικότητα, στη δεξιά πλευρά, η γραμμή σκύβει προς τα κάτω. Ίσως όχι πολύ, αλλά λυγίζει και για κάποιο λόγο είναι πολύ ευέλικτο.Σε αυτή την περίπτωση, η κάμψη θα εξαρτηθεί από τη μέθοδο θέρμανσης της δοκιμασμένης αντίστασης. Δεν είναι για τίποτα που είναι κατασκευασμένο από ένα μακρύ χάλκινο σύρμα: μπορείτε να τυλίγετε σφιχτά ένα πηνίο σε ένα πηνίο, μπορείτε να το κλείσετε με ένα στρώμα αμιάντου, ίσως η θερμοκρασία στο δωμάτιο σήμερα να είναι η ίδια, αλλά χθες ήταν διαφορετικό ή υπάρχει βύθισμα στο δωμάτιο.

Αυτό συμβαίνει επειδή η θερμοκρασία επηρεάζει την αντίσταση με τον ίδιο τρόπο όπως οι γραμμικές διαστάσεις των φυσικών σωμάτων όταν θερμαίνονται. Κάθε μέταλλο έχει το δικό του συντελεστή αντίστασης θερμοκρασίας (TCR). Αλλά σχεδόν όλοι γνωρίζουν και θυμούνται για την επέκταση, αλλά ξεχάστε την αλλαγή στις ηλεκτρικές ιδιότητες (αντίσταση, χωρητικότητα, επαγωγή). Αλλά η θερμοκρασία σε αυτά τα πειράματα είναι η πιο σταθερή πηγή αστάθειας.

Από λογοτεχνική άποψη, αποδείχθηκε μια αρκετά όμορφη ταυτολογία, αλλά σε αυτή την περίπτωση εκφράζει με μεγάλη ακρίβεια την ουσία του προβλήματος.

Πολλοί επιστήμονες στα μέσα του 19ου αιώνα προσπάθησαν να ανακαλύψουν αυτή την εξάρτηση, αλλά η αστάθεια των πειραμάτων παρενέβη και δημιούργησε αμφιβολίες για την αλήθεια των αποτελεσμάτων που προέκυψαν.Μόνο ο Georg Simon Ohm (1787-1854) κατάφερε να απορρίψει όλες οι παρενέργειες ή, όπως λένε, να δεις το δάσος για τα δέντρα. Η αντίσταση 1 Ohm εξακολουθεί να φέρει το όνομα αυτού του λαμπρού επιστήμονα.

Κάθε συστατικό μπορεί να εκφραστεί με το νόμο του Ohm: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

Για να μην ξεχνάμε αυτές τις σχέσεις, υπάρχει το λεγόμενο Τρίγωνο του Ohm, ή κάτι παρόμοιο, που φαίνεται στο Σχήμα 4.

Εικόνα 4. Τρίγωνο του Ohm

Η χρήση του είναι πολύ απλή: απλώς κλείστε την επιθυμητή τιμή με το δάχτυλό σας και τα άλλα δύο γράμματα θα σας δείξουν τι να κάνετε με αυτά.

Μένει να θυμηθούμε τι ρόλο παίζει η ένταση σε όλες αυτές τις φόρμουλες, ποιο είναι το φυσικό της νόημα. Η τάση συνήθως νοείται ως η διαφορά δυναμικού σε δύο σημεία του ηλεκτρικού πεδίου. Για ευκολότερη κατανόηση, χρησιμοποιούν αναλογίες, κατά κανόνα, με δεξαμενή, νερό και σωλήνες.

Σε αυτό το σχέδιο "υδραυλικών", η κατανάλωση νερού στο σωλήνα (λίτρα / δευτερόλεπτο) είναι μόνο το ρεύμα (κουλόμπ / δευτερόλεπτο) και η διαφορά μεταξύ του ανώτερου επιπέδου στη δεξαμενή και της ανοιχτής βρύσης είναι η διαφορά δυναμικού (τάση) . Επίσης, εάν η βαλβίδα είναι ανοιχτή, η πίεση εξόδου είναι ίση με την ατμοσφαιρική, η οποία μπορεί να ληφθεί ως μηδενικό επίπεδο υπό όρους.

Στα ηλεκτρικά κυκλώματα, αυτή η σύμβαση καθιστά δυνατή τη λήψη ενός σημείου για έναν κοινό αγωγό («γείωση») έναντι του οποίου γίνονται όλες οι μετρήσεις και οι ρυθμίσεις. Τις περισσότερες φορές, ο αρνητικός ακροδέκτης του τροφοδοτικού θεωρείται ότι είναι αυτό το καλώδιο, αν και αυτό δεν συμβαίνει πάντα.

Η διαφορά δυναμικού μετριέται στο βολτ (V), που πήρε το όνομά του από τον Ιταλό φυσικό Alessandro Volta (1745-1827). Σύμφωνα με τον σύγχρονο ορισμό, με διαφορά δυναμικού 1 V, δαπανάται ενέργεια 1 J για να μετακινηθεί ένα φορτίο 1 C. Η ενέργεια που καταναλώνεται αναπληρώνεται από μια πηγή ισχύος, κατ' αναλογία με ένα κύκλωμα «υδραυλικών», θα να είναι μια αντλία που υποστηρίζει τη στάθμη του νερού στη δεξαμενή.