Osnove elektrike

Stari Grki so opazovali električne pojave veliko pred začetkom preučevanja elektrike. Dovolj je, da poldragi kamen jantar podrgnete z volno ali krznom, saj začne privlačiti koščke suhe slame, papirja ali dlake in perje.

Sodobni šolski poskusi uporabljajo steklene in ebonitne palice, podrgnjene s svilo ali volno. V tem primeru velja, da na stekleni palici ostane pozitiven naboj, na ebonitni palici pa negativen. Te palice lahko pritegnejo tudi majhne koščke papirja ali podobno. majhnih predmetov. To privlačnost je učinek električnega polja, ki ga je preučeval Charles Coulomb.

V grščini se jantar imenuje elektron, zato je William Hilbert (1540 - 1603) za opis takšne privlačne sile predlagal izraz "električen".

Leta 1891 je angleški znanstvenik Stony George Johnston postavil hipotezo o obstoju električnih delcev v snoveh, ki jih je poimenoval elektroni. Ta izjava je veliko olajšala razumevanje električnih procesov v žicah.

Elektroni v kovinah so precej prosti in se zlahka ločijo od svojih atomov, pod delovanjem električnega polja, natančneje, se potencialne razlike premikajo med kovinskimi atomi, kar ustvarja elektrika… Tako je električni tok v bakreni žici tok elektronov, ki tečejo po žici od enega konca do drugega.

Ne le kovine so sposobne prevajati elektriko. Pod določenimi pogoji so tekočine, plini in polprevodniki električno prevodni. V teh okoljih so nosilci naboja ioni, elektroni in luknje. A za zdaj govorimo le o kovinah, saj tudi pri njih ni vse tako preprosto.

Za zdaj govorimo o enosmernem toku, katerega smer in velikost se ne spreminjata. Zato je na električnih shemah mogoče s puščicami označiti, kje tok teče. Verjame se, da tok teče od pozitivnega do negativnega pola, kar je bil zaključek, ki smo ga dosegli na začetku preučevanja elektrike.

Kasneje se je izkazalo, da se elektroni pravzaprav gibljejo ravno v nasprotni smeri - od minusa k plusu. A kljub temu se niso odpovedali »napačni« smeri, še več, prav tej smeri pravijo tehnična smer toka. Kakšna je razlika, če lučka še vedno sveti. Smer gibanja elektronov imenujemo prava in se najpogosteje uporablja v znanstvenih raziskavah.

To je prikazano na sliki 1.

Slika 1.

Če stikalo nekaj časa "vržemo" na baterijo, se elektrolitski kondenzator C napolni in na njem se nabere nekaj naboja. Po polnjenju kondenzatorja smo stikalo obrnili na žarnico. Lučka utripa in ugasne - kondenzator se izprazni. Povsem očitno je, da je trajanje bliska odvisno od količine električnega naboja, shranjenega v kondenzatorju.

Tudi galvanska baterija shranjuje električni naboj, vendar veliko več kot kondenzator. Zato je čas bliskanja dovolj dolg - svetilka lahko gori več ur.

Električni naboj, tok, upor in napetost

Preučevanje električnih nabojev je izvedel francoski znanstvenik C. Coulomb, ki je leta 1785 odkril zakon, imenovan po njem.

V formulah je električni naboj označen kot Q ali q. Fizikalni pomen te količine je sposobnost naelektrenih teles, da vstopijo v elektromagnetne interakcije: ker se naboji odbijajo, se različni privlačijo. Sila interakcije med naboji je premo sorazmerna z velikostjo nabojev in obratno sorazmerna s kvadratom razdalje. med njimi. Če je v obliki formule, je videti takole:

F = q1 * q2 / r2

Električni naboj elektrona je zelo majhen, zato v praksi uporabljajo velikost naboja, imenovano kulon... Prav ta vrednost se uporablja v mednarodnem sistemu SI (C). Obesek ne vsebuje manj kot 6,24151 * 1018 (deset na osemnajsto potenco) elektronov. Če se iz tega naboja sprosti 1 milijon elektronov na sekundo, bo ta proces trajal do 200 tisoč let!

Merska enota za tok v sistemu SI je amper (A), poimenovana po francoskem znanstveniku Andre Marie Ampere (1775-1836). Pri toku 1A gre skozi presek žice v 1 sekundi naboj natančno 1 C. Matematična formula v tem primeru je naslednja: I = Q / t.

V tej formuli je tok v amperih, naboj v kulonih in čas v sekundah. Vse naprave morajo ustrezati sistemu SI.

Z drugimi besedami, en obesek se sprosti na sekundo. Zelo podobna hitrosti avtomobila v kilometrih na uro.Zato moč električnega toka ni nič drugega kot hitrost pretoka električnega naboja.

V vsakdanjem življenju se pogosteje uporablja izvensistemska enota Amper * ura. Dovolj je, da se spomnimo avtomobilskih baterij, katerih zmogljivost je navedena samo v amper-urah. In to vsi vedo in razumejo, čeprav se nihče ne spomni nobenih obeskov v trgovinah z avtodeli. Toda hkrati še vedno obstaja razmerje: 1 C = 1 * / 3600 amperov * uro. To količino lahko imenujemo amper * sekunda.

V drugi definiciji teče tok 1 A v prevodniku z uporom 1 Ω at potencialna razlika (napetost) na koncih žice 1 V. Razmerje med temi vrednostmi je določeno z Ohmov zakon... To je morda najpomembnejši električni zakon, ni naključje, da ljudska modrost pravi: »Če ne poznaš Ohmovega zakona, ostani doma!«

Test Ohmovega zakona

Ta zakon je zdaj znan vsem: "Tok v vezju je neposredno sorazmeren z napetostjo in obratno sorazmeren z uporom." Zdi se, da so samo tri črke - I = U / R, vsak študent bo rekel: "Pa kaj?". A pravzaprav je bila pot do te kratke formule precej trnova in dolga.

Če želite preizkusiti Ohmov zakon, lahko sestavite najpreprostejše vezje, prikazano na sliki 2.

Slika 2.

Preiskava je precej preprosta - s povečanjem napajalne napetosti točko za točko na papirju sestavite graf, prikazan na sliki 3.

Slika 3.

Zdi se, da bi se moral graf izkazati kot popolnoma ravna črta, saj je razmerje I = U / R mogoče predstaviti kot U = I * R, v matematiki pa je ravna črta. Pravzaprav se na desni strani črta upogne navzdol. Morda ne veliko, vendar se upogne in je iz neznanega razloga zelo vsestranski.V tem primeru bo upogib odvisen od načina segrevanja testiranega upora. Ni zaman, da je narejen iz dolge bakrene žice: tuljavo lahko tesno navijete na tuljavo, lahko jo zaprete s plastjo azbesta, morda je temperatura v prostoru danes enaka, včeraj pa je bila drugače, ali pa je v prostoru prepih.

To je zato, ker temperatura vpliva na odpornost na enak način kot linearne dimenzije fizičnih teles pri segrevanju. Vsaka kovina ima svoj temperaturni koeficient upora (TCR). Toda skoraj vsi vedo in se spominjajo raztezanja, pozabijo pa na spremembo električnih lastnosti (upor, kapacitivnost, induktivnost). Toda temperatura v teh poskusih je najstabilnejši vir nestabilnosti.

Z literarnega vidika se je izkazalo za precej lepo tavtologijo, vendar v tem primeru zelo natančno izraža bistvo problema.

Številni znanstveniki so sredi 19. stoletja poskušali odkriti to odvisnost, vendar je nestabilnost poskusov motila in vzbujala dvome o resničnosti dobljenih rezultatov.To je uspelo šele Georgu Simonu Ohmu (1787-1854), ki je uspel zavrniti vsi stranski učinki ali, kot pravijo, videti gozd za drevesi. Upornost 1 Ohm še vedno nosi ime tega briljantnega znanstvenika.

Vsako sestavino lahko izrazimo z Ohmovim zakonom: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

Da ne bi pozabili na ta razmerja, obstaja tako imenovani Ohmov trikotnik ali nekaj podobnega, prikazano na sliki 4.

Slika 4. Ohmov trikotnik

Uporaba je zelo enostavna: samo s prstom zaprite želeno vrednost in drugi dve črki vam bosta pokazali, kaj storiti z njima.

Ostaja, da se spomnimo, kakšno vlogo igra napetost v vseh teh formulah, kakšen je njen fizični pomen. Napetost običajno razumemo kot potencialno razliko na dveh točkah v električnem polju. Za lažje razumevanje uporabljajo praviloma analogije z rezervoarjem, vodo in cevmi.

V tej "vodovodni" shemi je poraba vode v cevi (litrov / s) samo tok (kulon / s), razlika med zgornjim nivojem v rezervoarju in odprto pipo pa je potencialna razlika (napetost) . Tudi, če je ventil odprt, je izhodni tlak enak atmosferskemu, kar lahko vzamemo za pogojno ničelno raven.

V električnih tokokrogih ta konvencija omogoča vzeti točko za skupni vodnik ("ozemljitev"), glede na katero se izvajajo vse meritve in prilagoditve. Najpogosteje se domneva, da je ta žica negativni priključek napajalnika, čeprav to ni vedno tako.

Potencialna razlika se meri v voltu (V), poimenovanem po italijanskem fiziku Alessandru Volti (1745-1827). Po sodobni definiciji se s potencialno razliko 1 V porabi energija 1 J za premikanje naboja 1 C. Porabljena energija se dopolni z virom energije, po analogiji z "vodovodnim" vezjem bo biti črpalka, ki podpira nivo vode v rezervoarju.