Elektrības pamati

Senie grieķi novēroja elektriskās parādības ilgi pirms elektrības izpētes sākuma. Pietiek tikai ierīvēt pusdārgakmeni ar vilnu vai kažokādu, jo tas sāk piesaistīt sausu salmu, papīra vai pūku un spalvu gabalus.

Mūsdienu skolas eksperimentos izmanto stikla un ebonīta stieņus, kas berzēti ar zīdu vai vilnu. Šajā gadījumā tiek uzskatīts, ka uz stikla stieņa paliek pozitīvs lādiņš, bet uz ebonīta stieņa - negatīvs. Šie stieņi var piesaistīt arī mazus papīra gabaliņus vai tamlīdzīgus priekšmetus. mazi priekšmeti. Tieši šī pievilcība ir elektriskā lauka efekts, ko pētīja Čārlzs Kulons.

Grieķu valodā dzintaru sauc par elektronu, tāpēc, lai aprakstītu šādu pievilcīgu spēku, Viljams Hilberts (1540 - 1603) ierosināja terminu "elektrisks".

1891. gadā angļu zinātnieks Stonijs Džordžs Džonstons izvirzīja hipotēzi par elektrisko daļiņu esamību vielās, kuras viņš sauca par elektroniem. Šis apgalvojums ļāva daudz vieglāk izprast elektriskos procesus vados.

Elektroni metālos ir diezgan brīvi un viegli atdalāmi no saviem atomiem, un elektriskā lauka iedarbībā, precīzāk, potenciālu atšķirības pārvietojas starp metālu atomiem, radot elektrība… Tādējādi elektriskā strāva vara stieplē ir elektronu plūsma, kas plūst pa vadu no viena gala līdz otram.

Ne tikai metāli spēj vadīt elektrību. Noteiktos apstākļos šķidrumi, gāzes un pusvadītāji ir elektriski vadoši. Šajās vidēs lādiņu nesēji ir joni, elektroni un caurumi. Bet pagaidām runa ir tikai par metāliem, jo ​​arī tajos viss nav tik vienkārši.

Pagaidām runa ir par līdzstrāvu, kuras virziens un lielums nemainās. Tāpēc uz elektriskajām shēmām ir iespējams ar bultiņām norādīt, kur plūst strāva. Tiek uzskatīts, ka strāva plūst no pozitīvā pola uz negatīvo polu, secinājums tika izdarīts elektrības pētīšanas sākumā.

Vēlāk izrādījās, ka elektroni patiesībā pārvietojas tieši pretējā virzienā - no mīnusa uz plusu. Bet, neskatoties uz to, viņi neatteicās no "nepareizā" virziena, turklāt tieši šo virzienu sauc par strāvas tehnisko virzienu. Kāda starpība, ja lampiņa joprojām deg. Elektronu kustības virzienu sauc par patieso un visbiežāk izmanto zinātniskajos pētījumos.

Tas ir parādīts 1. attēlā.

1. attēls.

Ja slēdzis kādu laiku tiek "uzmests" uz akumulatoru, elektrolītiskais kondensators C tiks uzlādēts un uz tā uzkrāsies kāds lādiņš. Pēc kondensatora uzlādes slēdzis tika pagriezts uz spuldzi. Lampa mirgo un nodziest - kondensators izlādējas. Ir pilnīgi skaidrs, ka zibspuldzes ilgums ir atkarīgs no kondensatorā uzkrātā elektriskā lādiņa.

Galvaniskais akumulators arī uzglabā elektrisko lādiņu, taču daudz vairāk nekā kondensators. Tāpēc mirgošanas laiks ir pietiekami ilgs — lampa var degt vairākas stundas.

Elektriskais lādiņš, strāva, pretestība un spriegums

Elektrisko lādiņu izpēti veica franču zinātnieks K. Kulons, kurš 1785. gadā atklāja viņa vārdā nosaukto likumu.

Formulās elektriskais lādiņš tiek apzīmēts kā Q vai q. Šī lieluma fiziskā nozīme ir uzlādētu ķermeņu spēja iesaistīties elektromagnētiskajā mijiedarbībā: lādiņiem atgrūžot, dažādi piesaista.Mijiedarbības spēks starp lādiņiem ir tieši proporcionāls lādiņu lielumam un apgriezti proporcionāls attāluma kvadrātam. starp viņiem. Ja tas ir formulas formā, tas izskatās šādi:

F = q1 * q2 / r2

Elektrona elektriskais lādiņš ir ļoti mazs, tāpēc praksē viņi izmanto lādiņa lielumu, ko sauc par kulonu... Tieši šī vērtība tiek izmantota starptautiskajā sistēmā SI (C). Kulonā ir ne mazāk kā 6,24151 * 1018 (no desmit līdz astoņpadsmitajai jaudai) elektronu. Ja no šī lādiņa tiek atbrīvots 1 miljons elektronu sekundē, tad šis process ilgs līdz 200 tūkstošiem gadu!

Strāvas mērvienība SI sistēmā ir ampērs (A), kas nosaukts franču zinātnieka Andrē Marī Ampera (1775–1836) vārdā. Pie 1A strāvas lādiņš tieši 1C iziet cauri stieples šķērsgriezumam 1 sekundē. Matemātiskā formula šajā gadījumā ir šāda: I = Q / t.

Šajā formulā strāva ir ampēros, lādiņš ir kulonos un laiks ir sekundēs. Visām ierīcēm jāatbilst SI sistēmai.

Citiem vārdiem sakot, tiek atbrīvots viens kulons sekundē. Ļoti līdzīgs automašīnas ātrumam kilometros stundā.Tāpēc elektriskās strāvas stiprums nav nekas cits kā elektriskā lādiņa plūsmas ātrums.

Biežāk ikdienā tiek izmantota ārpussistēmas vienība Ampere * stunda. Pietiek atsaukt automašīnu akumulatorus, kuru ietilpība norādīta tikai ampērstundās. Un visi to zina un saprot, lai gan neviens neatceras nekādus kulonus auto detaļu veikalos. Bet tajā pašā laikā joprojām pastāv attiecība: 1 C = 1 * / 3600 ampēri * stunda. Šādu daudzumu var saukt par ampēru * sekundi.

Citā definīcijā 1 A strāva plūst vadītājā ar pretestību 1 Ω pie potenciālu starpība (spriegums) stieples galos 1 V. Attiecību starp šīm vērtībām nosaka Oma likums... Tas, iespējams, ir vissvarīgākais elektriskais likums, ne jau nejauši tautas gudrība saka: «Ja nezini Oma likumu, paliec mājās!»

Oma likuma tests

Šis likums tagad ir zināms visiem: "Strāva ķēdē ir tieši proporcionāla spriegumam un apgriezti proporcionāla pretestībai." Šķiet, ka ir tikai trīs burti — I = U / R, katrs students teiks: «Un ko tad?». Bet patiesībā ceļš uz šo īso formulu bija diezgan grūts un garš.

Lai pārbaudītu Ohma likumu, varat salikt vienkāršāko shēmu, kas parādīta 2. attēlā.

2. attēls.

Izmeklēšana ir pavisam vienkārša — pa punktiem palielinot barošanas spriegumu uz papīra, izveidojiet 3. attēlā parādīto grafiku.

3. attēls.

Šķiet, ka grafikam vajadzētu izrādīties pilnīgi taisnai līnijai, jo sakarību I = U / R var attēlot kā U = I * R, un matemātikā tā ir taisna līnija. Patiesībā labajā pusē līnija noliecas uz leju. Varbūt nav daudz, bet tas liecas un nez kāpēc ir ļoti daudzpusīgs.Šajā gadījumā liece būs atkarīga no pārbaudītās pretestības sildīšanas metodes. Ne velti tas ir no garas vara stieples: var cieši uztīt spoli pie spoles, var aiztaisīt ar azbesta kārtu, varbūt šodien telpā temperatūra ir tāda pati, bet vakar bija. atšķiras, vai telpā ir caurvēja.

Tas ir tāpēc, ka temperatūra ietekmē pretestību tāpat kā fizisko ķermeņu lineāros izmērus sildot. Katram metālam ir savs temperatūras pretestības koeficients (TCR). Bet gandrīz visi zina un atceras par izplešanos, bet aizmirst par elektrisko īpašību (pretestības, kapacitātes, induktivitātes) izmaiņām. Bet temperatūra šajos eksperimentos ir visstabilākais nestabilitātes avots.

No literārā viedokļa tā izrādījās diezgan skaista tautoloģija, taču šajā gadījumā tā ļoti precīzi izsaka problēmas būtību.

Daudzi zinātnieki 19. gadsimta vidū mēģināja atklāt šo atkarību, taču eksperimentu nestabilitāte traucēja un radīja šaubas par iegūto rezultātu patiesumu.Tas izdevās tikai Georgam Simonam Oham (1787-1854), kuram izdevās noraidīt. visas blakusparādības vai, kā saka, redzēt mežu par kokiem. 1 Ohm pretestība joprojām nes šī izcilā zinātnieka vārdu.

Katru sastāvdaļu var izteikt ar Ohma likumu: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

Lai šīs attiecības neaizmirstu, ir tā sauktais Oma trīsstūris vai kaut kas līdzīgs, kas parādīts 4. attēlā.

4. attēls. Oma trīsstūris

Tās lietošana ir ļoti vienkārša: vienkārši aizveriet vajadzīgo vērtību ar pirkstu, un pārējie divi burti parādīs, ko ar tiem darīt.

Atliek atgādināt, kādu lomu visās šajās formulās spēlē spriedze, kāda ir tā fiziskā nozīme. Spriegumu parasti saprot kā potenciālu starpību divos elektriskā lauka punktos. Lai vieglāk saprastu, viņi parasti izmanto analoģijas ar tvertni, ūdeni un caurulēm.

Šajā "santehnikas" shēmā ūdens patēriņš caurulē (litri / sek) ir tikai strāva (kulons / s), un atšķirība starp tvertnes augšējo līmeni un atvērto krānu ir potenciālā starpība (spriegums) . Tāpat, ja vārsts ir atvērts, izplūdes spiediens ir vienāds ar atmosfēras spiedienu, ko var uzskatīt par nosacītu nulles līmeni.

Elektriskās ķēdēs šī vienošanās ļauj ņemt punktu kopējam vadītājam ("zemējumam"), pret kuru tiek veikti visi mērījumi un regulējumi. Visbiežāk tiek pieņemts, ka barošanas avota negatīvais spaile ir šis vads, lai gan tas ne vienmēr notiek.

Potenciālo starpību mēra voltos (V), kas nosaukta itāļu fiziķa Alesandro Voltas (1745-1827) vārdā. Saskaņā ar mūsdienu definīciju, ar potenciālu starpību 1 V, 1 J enerģija tiek iztērēta, lai pārvietotu 1 C lādiņu. Patērētā enerģija tiek papildināta ar strāvas avotu, pēc analoģijas ar "santehnikas" ķēdi. būt sūknim, kas atbalsta ūdens līmeni tvertnē.