Az elektromosság alapjai

Az ókori görögök már jóval az elektromosság tanulmányozása előtt megfigyelték az elektromos jelenségeket. Elég, ha a borostyán féldrágakövet gyapjúval vagy szőrmével dörzsöljük, mert elkezdi magához vonzani a száraz szalma-, papír- vagy pihedarabokat és a tollakat.

A modern iskolai kísérletek selyemmel vagy gyapjúval dörzsölt üveg- és ebonitrudakat használnak. Ebben az esetben azt tekintjük, hogy pozitív töltés marad az üvegrúdon, és negatív töltés az ebonit rúdon. Ezek a rudak kis papírdarabokat vagy hasonlókat is magukhoz vonzanak. kis tárgyakat. Ez a vonzás az az elektromos térhatás, amelyet Charles Coulomb tanulmányozott.

A görögben a borostyánt elektronnak nevezik, ezért egy ilyen vonzó erő leírására William Hilbert (1540-1603) az "elektromos" kifejezést javasolta.

1891-ben az angol tudós, Stony George Johnston feltételezte, hogy az anyagokban elektromos részecskék léteznek, amelyeket elektronoknak nevezett. Ez az állítás sokkal könnyebbé tette a vezetékekben zajló elektromos folyamatok megértését.

A fémekben lévő elektronok meglehetősen szabadok és könnyen elválaszthatók atomjaiktól, és elektromos tér hatására, pontosabban, potenciálkülönbségek mozognak a fématomok között, létrehozva elektromosság… Így a rézhuzal elektromos árama elektronok áramlása, amelyek a vezeték egyik végétől a másikig áramlanak.

Nemcsak a fémek képesek elektromos áramot vezetni. Bizonyos körülmények között a folyadékok, gázok és félvezetők elektromosan vezetőképesek. Ezekben a környezetekben a töltéshordozók ionok, elektronok és lyukak. De egyelőre csak a fémekről beszélünk, mert még bennük sem olyan egyszerű minden.

Egyelőre egyenáramról beszélünk, melynek iránya és nagysága nem változik. Ezért az elektromos diagramokon nyilakkal lehet jelezni, hogy hol folyik az áram. Úgy gondolják, hogy az áram a pozitív pólusról a negatív pólusra folyik, erre a következtetésre az elektromosság tanulmányozásának korai szakaszában jutottak.

Később kiderült, hogy az elektronok valójában pont ellenkező irányba mozognak - mínuszból pluszba. De ennek ellenére sem adták fel a "rossz" irányt, sőt, pont ezt az irányt nevezik az áramlat technikai irányának. Mi a különbség, ha a lámpa még mindig világít. Az elektronok mozgási irányát igaznak nevezik, és leggyakrabban tudományos kutatásokban használják.

Ezt szemlélteti az 1. ábra.

1. kép

Ha a kapcsolót egy ideig az akkumulátorra "dobják", a C elektrolitkondenzátor feltöltődik, és némi töltés halmozódik fel rajta. A kondenzátor feltöltése után a kapcsolót az izzóra fordítottuk. A lámpa villog és kialszik - a kondenzátor kisül. Nyilvánvaló, hogy a villanás időtartama a kondenzátorban tárolt elektromos töltés mértékétől függ.

A galvanikus akkumulátor elektromos töltést is tárol, de sokkal többet, mint egy kondenzátor. Ezért a villanási idő elég hosszú - a lámpa több órán keresztül is éghet.

Elektromos töltés, áram, ellenállás és feszültség

Az elektromos töltések vizsgálatát C. Coulomb francia tudós végezte, aki 1785-ben fedezte fel a róla elnevezett törvényt.

A képletekben az elektromos töltést Q vagy q jelöléssel jelöljük. Ennek a mennyiségnek a fizikai jelentése a töltött testek azon képessége, hogy elektromágneses kölcsönhatásba léphessenek: ahogy a töltések taszítják, a különbözőek vonzzák egymást A töltések közötti kölcsönhatás ereje egyenesen arányos a töltések méretével és fordítottan arányos a távolság négyzetével közöttük. Ha képlet formájában van, akkor így néz ki:

F = q1 * q2 / r2

Az elektron elektromos töltése nagyon kicsi, ezért a gyakorlatban a coulomb nevű töltés nagyságát használják... Ezt az értéket használják az SI (C) nemzetközi rendszerben. Egy medál nem kevesebb, mint 6,24151 * 1018 (tíz-tizennyolcadik hatvány) elektront tartalmaz. Ha ebből a töltésből másodpercenként 1 millió elektron szabadul fel, akkor ez a folyamat akár 200 ezer évig is tart!

Az SI rendszerben az áram mértékegysége az Amper (A), amelyet Andre Marie Ampere (1775-1836) francia tudósról neveztek el. 1A áramerősségnél pontosan 1 C töltés halad át a vezeték keresztmetszetén 1 másodperc alatt. A matematikai képlet ebben az esetben a következő: I = Q / t.

Ebben a képletben az áramot amperben, a töltést coulombban, az időt másodpercben adják meg. Minden eszköznek meg kell felelnie az SI rendszernek.

Más szavakkal, másodpercenként egy medál szabadul fel. Nagyon hasonlít egy autó sebességéhez kilométer per óra.Ezért az elektromos áram erőssége nem más, mint az elektromos töltés áramlási sebessége.

A mindennapi életben gyakrabban használják az Amper * óra rendszeren kívüli egységet. Elég visszahívni az autóakkumulátorokat, amelyek kapacitása csak amperórában van feltüntetve. És ezt mindenki tudja és érti, bár senki sem emlékszik semmilyen medálra az autóalkatrész boltokban. De ugyanakkor még mindig van egy arány: 1 C = 1 * / 3600 amper * óra. Lehetséges egy ilyen mennyiséget ampernek * másodpercnek nevezni.

Egy másik definíció szerint 1 A áram folyik egy 1 Ω ellenállású vezetőben at potenciálkülönbség (feszültség) a vezeték végein 1 V. Az értékek közötti arányt a Ohm törvénye... Ez talán a legfontosabb elektromos törvény, nem véletlenül mondja a népi bölcsesség: «Ha nem ismered Ohm törvényét, maradj otthon!»

Az Ohm-törvény tesztje

Ezt a törvényt ma már mindenki ismeri: "Az áramkörben lévő áram egyenesen arányos a feszültséggel és fordítottan arányos az ellenállással." Úgy tűnik, hogy csak három betű van - I = U / R, minden diák azt mondja: "Na és?". De valójában az út ehhez a rövid formulához meglehetősen bonyolult és hosszú volt.

Az Ohm-törvény teszteléséhez összeállíthatja a 2. ábrán látható legegyszerűbb áramkört.

2. ábra.

A vizsgálat meglehetősen egyszerű – a tápfeszültség pontonkénti növelésével a papíron készítse el a 3. ábrán látható grafikont.

3. ábra.

Úgy tűnik, hogy a grafikonnak tökéletesen egyenesnek kell lennie, mivel az I = U / R összefüggést U = I * R alakban ábrázolhatjuk, és a matematikában ez egy egyenes. Valójában a jobb oldalon a vonal lehajlik. Talán nem sok, de hajlik és valamiért nagyon sokoldalú.Ebben az esetben a hajlítás a vizsgált ellenállás melegítésének módjától függ. Nem hiába van hosszú rézdrótból: tekercset szorosan tekercsre lehet tekercselni, azbesztréteggel le lehet zárni, lehet, hogy ma is ugyanannyi a hőmérséklet a szobában, de tegnap az volt. eltérő, vagy huzat van a szobában.

Ennek az az oka, hogy a hőmérséklet ugyanúgy befolyásolja az ellenállást, mint a fizikai testek lineáris méreteit hevítéskor. Minden fémnek megvan a saját hőmérsékleti ellenállási együtthatója (TCR). De a tágulásról szinte mindenki tud és emlékszik, de felejtse el az elektromos tulajdonságok (ellenállás, kapacitás, induktivitás) változását. De ezekben a kísérletekben a hőmérséklet az instabilitás legstabilabb forrása.

Irodalmi szempontból elég szép tautológiának bizonyult, de ebben az esetben nagyon pontosan kifejezi a probléma lényegét.

A 19. század közepén sok tudós próbálta felfedezni ezt a függőséget, de a kísérletek instabilitása közbeszólt, és kételyeket ébresztett a kapott eredmények valódiságával kapcsolatban, ez csak Georg Simon Ohmnak (1787-1854) sikerült, akinek sikerült visszautasítania minden mellékhatás, vagy ahogy mondják, látni az erdőt a fákért. Az 1 ohmos ellenállás még mindig ennek a zseniális tudósnak a nevét viseli.

Minden összetevő kifejezhető Ohm törvényével: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

Hogy ezeket az összefüggéseket ne felejtsük el, létezik az úgynevezett Ohm-háromszög, vagy valami hasonló, amit a 4. ábra mutat be.

4. ábra Ohm-háromszög

Használata nagyon egyszerű: csak zárja be az ujjával a kívánt értéket, és a másik két betű megmutatja, mit kell tenni velük.

Fel kell idéznünk, hogy a feszültség milyen szerepet játszik ezekben a képletekben, mi a fizikai jelentése. A feszültség alatt általában az elektromos tér két pontján fellépő potenciálkülönbséget értjük. A könnyebb megértés érdekében analógiákat használnak általában egy tartállyal, vízzel és csövekkel.

Ebben a "vízvezeték" sémában a csőben lévő vízfogyasztás (liter / mp) csak az áramerősség (coulomb / s), és a tartály felső szintje és a nyitott csap közötti különbség a potenciálkülönbség (feszültség) . Továbbá, ha a szelep nyitva van, a kimeneti nyomás megegyezik a légköri nyomással, ami feltételes nulla szintnek tekinthető.

Az elektromos áramkörökben ez a konvenció lehetővé teszi egy pont felvételét egy közös vezetőre ("földelésre"), amelyhez képest minden mérést és beállítást végeznek. Leggyakrabban feltételezik, hogy a tápegység negatív kapcsa ez a vezeték, bár ez nem mindig van így.

A potenciálkülönbséget Alessandro Volta (1745-1827) olasz fizikusról elnevezett voltban (V) mérik. A modern definíció szerint 1 V potenciálkülönbség mellett 1 J energiát fordítanak egy 1 C-os töltés mozgatására. Az elfogyasztott energiát egy áramforrás pótolja, a „vízvezeték” áramkörhöz hasonlóan. legyen egy szivattyú, amely támogatja a vízszintet a tartályban.