Grundlæggende om elektricitet

De gamle grækere observerede elektriske fænomener længe før studiet af elektricitet begyndte. Det er nok at gnide den halvædelsten med uld eller pels, da den begynder at tiltrække stykker af tørt halm, papir eller fnug og fjer.

Moderne skoleeksperimenter bruger glas- og ebonitstænger gnidet med silke eller uld. I dette tilfælde anses det for, at en positiv ladning forbliver på glasstangen, og en negativ ladning på ebonitstangen. Disse stænger kan også tiltrække små stykker papir eller lignende. små genstande. Det er denne attraktion, der er den elektriske felteffekt, som blev undersøgt af Charles Coulomb.

På græsk kaldes rav elektron, så for at beskrive sådan en tiltrækningskraft foreslog William Hilbert (1540 - 1603) udtrykket "elektrisk".

I 1891 fremsatte den engelske videnskabsmand Stony George Johnston en hypotese om eksistensen af ​​elektriske partikler i stoffer, som han kaldte elektroner. Denne udtalelse gjorde det meget lettere at forstå elektriske processer i ledninger.

Elektroner i metaller er ret frie og adskilles let fra deres atomer, og under påvirkning af et elektrisk felt bevæger sig mere præcist potentielle forskelle mellem metalatomer, hvilket skaber elektricitet… Den elektriske strøm i en kobbertråd er således en strøm af elektroner, der strømmer langs ledningen fra den ene ende til den anden.

Ikke kun metaller er i stand til at lede elektricitet. Under visse forhold er væsker, gasser og halvledere elektrisk ledende. I disse miljøer er ladningsbærere ioner, elektroner og huller. Men for nu taler vi kun om metaller, for selv i dem er alt ikke så enkelt.

For nu taler vi om jævnstrøm, hvis retning og størrelse ikke ændres. Derfor er det på elektriske diagrammer muligt at angive med pile, hvor strømmen løber. Strøm menes at flyde fra den positive pol til den negative pol, en konklusion nået tidligt i studiet af elektricitet.

Senere viste det sig, at elektronerne faktisk bevæger sig i den stik modsatte retning - fra minus til plus. Men på trods af dette opgav de ikke den "forkerte" retning, desuden kaldes netop denne retning for strømmens tekniske retning. Hvilken forskel gør det, hvis lampen stadig lyser. Elektronernes bevægelsesretning kaldes sand og bruges oftest i videnskabelig forskning.

Dette er illustreret i figur 1.

Billede 1.

Hvis kontakten "kastes" til batteriet i nogen tid, vil elektrolytkondensatoren C blive opladet, og en vis ladning vil akkumulere på den. Efter opladning af kondensatoren blev kontakten drejet til pæren. Lampen blinker og slukker - kondensatoren aflades. Det er helt indlysende, at flashens varighed afhænger af mængden af ​​elektrisk ladning, der er lagret i kondensatoren.

Et galvanisk batteri gemmer også elektrisk ladning, men meget mere end en kondensator. Derfor er flashtiden lang nok - lampen kan brænde i flere timer.

Elektrisk ladning, strøm, modstand og spænding

Studiet af elektriske ladninger blev udført af den franske videnskabsmand C. Coulomb, som i 1785 opdagede loven opkaldt efter ham.

I formler er elektrisk ladning betegnet som Q eller q. Den fysiske betydning af denne størrelse er ladede legemers evne til at indgå i elektromagnetiske vekselvirkninger: Efterhånden som ladninger frastøder, tiltrækker forskellige. Kraften af ​​vekselvirkning mellem ladninger er direkte proportional med ladningernes størrelse og omvendt proportional med kvadratet af afstanden mellem dem. Hvis det er i form af en formel, ser det sådan ud:

F = q1 * q2 / r2

Elektronens elektriske ladning er meget lille, så i praksis bruger de størrelsen af ​​ladningen kaldet coulomb... Det er denne værdi, der bruges i det internationale system SI (C). Et vedhæng indeholder ikke mindre end 6,24151 * 1018 (ti til attende potens) elektroner. Hvis 1 million elektroner i sekundet frigives fra denne ladning, så vil denne proces vare op til 200 tusind år!

Strømmenheden i SI-systemet er Ampere (A), opkaldt efter den franske videnskabsmand Andre Marie Ampere (1775 — 1836). Ved en strøm på 1A passerer en ladning på præcis 1 C gennem ledningens tværsnit på 1 sekund. Den matematiske formel i dette tilfælde er som følger: I = Q / t.

I denne formel er strømmen i ampere, ladningen er i coulombs, og tiden er i sekunder. Alle enheder skal være i overensstemmelse med SI-systemet.

Med andre ord frigives et vedhæng i sekundet. Meget lig en bils hastighed i kilometer i timen.Derfor er styrken af ​​en elektrisk strøm intet andet end strømningshastigheden af ​​elektrisk ladning.

Oftere i hverdagen bruges off-system enheden Ampere * time. Det er nok at huske bilbatterier, hvis kapacitet kun er angivet i ampere-timer. Og alle ved og forstår dette, selvom ingen husker nogen vedhæng i autoreservebutikker. Men samtidig er der stadig et forhold: 1 C = 1 * / 3600 ampere * time. Det er muligt at kalde en sådan mængde ampere * sekund.

I en anden definition løber en strøm på 1 A i en leder med modstand 1 Ω ved potentialforskel (spænding) ved enderne af ledningen 1 V. Forholdet mellem disse værdier bestemmes af Ohms lov... Dette er måske den vigtigste elektriske lov, det er ikke tilfældigt, at folkevisdommen siger: «Hvis du ikke kender Ohms lov, så bliv hjemme!»

Ohms lovtest

Denne lov er nu kendt af alle: "Strømmen i kredsløbet er direkte proportional med spændingen og omvendt proportional med modstanden." Det ser ud til, at der kun er tre bogstaver - I = U / R, hver elev vil sige: "Hvad så?". Men faktisk var vejen til denne korte formel ret vanskelig og lang.

For at teste Ohms lov kan du samle det enkleste kredsløb vist i figur 2.

Figur 2.

Undersøgelsen er ret enkel - ved at øge forsyningsspændingen punkt for punkt på papiret, konstruer grafen vist i figur 3.

Figur 3.

Det ser ud til, at grafen skulle vise sig at være en helt ret linje, da forholdet I = U / R kan repræsenteres som U = I * R, og i matematik er det en ret linje. Faktisk bøjer linjen i højre side ned. Måske ikke meget, men den bøjer og er af en eller anden grund meget alsidig.I dette tilfælde vil bøjningen afhænge af metoden til opvarmning af den testede modstand. Det er ikke for ingenting, at det er lavet af en lang kobbertråd: du kan spole en spole tæt til en spole, du kan lukke den med et lag asbest, måske er temperaturen i rummet i dag den samme, men i går var det anderledes, eller der er træk i rummet.

Dette skyldes, at temperaturen påvirker modstanden på samme måde som de lineære dimensioner af fysiske legemer, når de opvarmes. Hvert metal har sin egen temperaturkoefficient for modstand (TCR). Men næsten alle kender og husker om ekspansion, men glem alt om ændringen i elektriske egenskaber (modstand, kapacitans, induktans). Men temperaturen i disse eksperimenter er den mest stabile kilde til ustabilitet.

Fra et litterært synspunkt viste det sig at være en ret smuk tautologi, men i dette tilfælde udtrykker det meget præcist essensen af ​​problemet.

Mange videnskabsmænd i midten af ​​det 19. århundrede forsøgte at opdage denne afhængighed, men eksperimenternes ustabilitet blandede sig og rejste tvivl om sandheden af ​​de opnåede resultater.Det lykkedes kun Georg Simon Ohm (1787-1854), som formåede at afvise. alle bivirkninger eller, som man siger, at se skoven for træerne. 1 Ohm modstanden bærer stadig navnet på denne geniale videnskabsmand.

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

For ikke at glemme disse forhold, er der den såkaldte Ohms Trekant, eller noget lignende, vist i figur 4.

Figur 4. Ohms trekant

Det er meget enkelt at bruge det: luk blot den ønskede værdi med din finger, og de to andre bogstaver vil vise dig, hvad du skal gøre med dem.

Det er tilbage at huske, hvilken rolle spænding spiller i alle disse formler, hvad er dens fysiske betydning. Spænding forstås normalt som potentialforskellen på to punkter i det elektriske felt. For lettere forståelse bruger de analogier som regel med en tank, vand og rør.

I denne "VVS"-ordning er forbruget af vand i røret (liter / sek.) kun strømmen (coulomb / sek), og forskellen mellem det øverste niveau i tanken og den åbne hane er potentialforskellen (spænding) . Også, hvis ventilen er åben, er udgangstrykket lig med atmosfærisk, hvilket kan tages som et betinget nulniveau.

I elektriske kredsløb gør denne konvention det muligt at tage et punkt for en fælles leder ("jord"), mod hvilken alle målinger og justeringer foretages. Oftest antages den negative terminal på strømforsyningen at være denne ledning, selvom dette ikke altid er tilfældet.

Potentialforskel måles i volt (V), opkaldt efter den italienske fysiker Alessandro Volta (1745-1827). Ifølge den moderne definition, med en potentialforskel på 1 V, bruges en energi på 1 J til at flytte en ladning på 1 C. Den forbrugte energi genopfyldes af en strømkilde, analogt med et «VVS»-kredsløb, vil det være en pumpe, der understøtter vandstanden i tanken.