Asas elektrik

Orang Yunani purba memerhatikan fenomena elektrik jauh sebelum kajian elektrik bermula. Ia cukup untuk menggosok batu ambar separa berharga dengan bulu atau bulu, kerana ia mula menarik kepingan jerami kering, kertas atau bulu dan bulu.

Eksperimen sekolah moden menggunakan batang kaca dan ebonit yang digosok dengan sutera atau bulu. Dalam kes ini, ia dianggap bahawa cas positif kekal pada rod kaca, dan cas negatif pada rod ebonit. Joran ini juga boleh menarik kepingan kertas kecil atau sebagainya. objek kecil. Daya tarikan inilah yang merupakan kesan medan elektrik yang dikaji oleh Charles Coulomb.

Dalam bahasa Yunani, ambar dipanggil elektron, jadi untuk menggambarkan daya tarikan sedemikian, William Hilbert (1540 - 1603) mencadangkan istilah "elektrik".

Pada tahun 1891, saintis Inggeris Stony George Johnston membuat hipotesis kewujudan zarah elektrik dalam bahan, yang dipanggil elektron. Kenyataan ini menjadikannya lebih mudah untuk memahami proses elektrik dalam wayar.

Elektron dalam logam agak bebas dan mudah dipisahkan daripada atomnya, dan di bawah tindakan medan elektrik, lebih tepat lagi, perbezaan potensi bergerak antara atom logam, mewujudkan elektrik… Oleh itu, arus elektrik dalam wayar kuprum ialah aliran elektron yang mengalir di sepanjang wayar dari satu hujung ke hujung yang lain.

Bukan sahaja logam yang mampu mengalirkan elektrik. Di bawah keadaan tertentu, cecair, gas dan semikonduktor adalah konduktif elektrik. Dalam persekitaran ini, pembawa cas ialah ion, elektron dan lubang. Tetapi buat masa ini kita hanya bercakap tentang logam, kerana walaupun di dalamnya semuanya tidak begitu mudah.

Buat masa ini, kita bercakap tentang arus terus, arah dan magnitud yang tidak berubah. Oleh itu, pada gambar rajah elektrik adalah mungkin untuk menunjukkan dengan anak panah di mana arus mengalir. Arus dipercayai mengalir dari kutub positif ke kutub negatif, kesimpulan yang dicapai awal dalam kajian elektrik.

Kemudian ternyata elektron sebenarnya bergerak dalam arah yang bertentangan - dari tolak ke tambah. Tetapi walaupun ini, mereka tidak melepaskan arah "salah", lebih-lebih lagi, arah ini dipanggil arah teknikal arus. Apakah perbezaannya jika lampu masih menyala. Arah pergerakan elektron dipanggil benar dan paling kerap digunakan dalam penyelidikan saintifik.

Ini digambarkan dalam Rajah 1.

Gambar 1.

Jika suis "dilemparkan" ke bateri untuk beberapa lama, kapasitor elektrolitik C akan dicas dan beberapa cas akan terkumpul di atasnya. Selepas mengecas kapasitor, suis dihidupkan ke mentol. Lampu berkelip dan padam - kapasitor dinyahcas. Agak jelas bahawa tempoh denyar bergantung pada jumlah cas elektrik yang disimpan dalam kapasitor.

Bateri galvanik juga menyimpan cas elektrik, tetapi lebih daripada kapasitor. Oleh itu, masa denyar cukup lama — lampu boleh menyala selama beberapa jam.

Caj elektrik, arus, rintangan dan voltan

Kajian cas elektrik telah dijalankan oleh saintis Perancis C. Coulomb, yang pada tahun 1785 menemui undang-undang yang dinamakan sempena namanya.

Dalam formula, cas elektrik dilambangkan sebagai Q atau q. Maksud fizikal kuantiti ini ialah keupayaan jasad bercas untuk memasuki interaksi elektromagnet: apabila cas menolak, cas yang berbeza menarik. Daya interaksi antara cas adalah berkadar terus dengan saiz cas dan berkadar songsang dengan kuasa dua jarak antara mereka. Jika ia dalam bentuk formula, ia kelihatan seperti ini:

F = q1 * q2 / r2

Caj elektrik elektron adalah sangat kecil, jadi dalam praktiknya mereka menggunakan magnitud cas yang dipanggil coulomb... Nilai inilah yang digunakan dalam sistem antarabangsa SI (C). Loket mengandungi tidak kurang daripada 6.24151 * 1018 (sepuluh hingga kuasa kelapan belas) elektron. Jika 1 juta elektron sesaat dibebaskan daripada caj ini, maka proses ini akan bertahan sehingga 200 ribu tahun!

Unit pengukuran arus dalam sistem SI ialah Ampere (A), dinamakan sempena saintis Perancis Andre Marie Ampere (1775 — 1836). Pada arus 1A, cas tepat 1 C melalui keratan rentas wayar dalam 1 saat. Formula matematik dalam kes ini adalah seperti berikut: I = Q / t.

Dalam formula ini, arus dalam ampere, cas dalam coulomb, dan masa dalam saat. Semua peranti mesti mematuhi sistem SI.

Dalam erti kata lain, satu loket dilepaskan sesaat. Sangat serupa dengan kelajuan kereta dalam kilometer sejam.Oleh itu, kekuatan arus elektrik tidak lebih daripada kadar aliran cas elektrik.

Lebih kerap dalam kehidupan seharian, unit luar sistem Ampere * jam digunakan. Ia cukup untuk menarik balik bateri kereta, kapasiti yang ditunjukkan hanya dalam ampere-jam. Dan semua orang tahu dan memahami ini, walaupun tiada siapa yang mengingati sebarang loket di kedai alat ganti kereta. Tetapi pada masa yang sama masih terdapat nisbah: 1 C = 1 * / 3600 ampere * jam. Adalah mungkin untuk memanggil kuantiti sedemikian ampere * saat.

Dalam definisi lain, arus 1 A mengalir dalam konduktor rintangan 1 Ω pada beza keupayaan (voltan) di hujung wayar 1 V. Nisbah antara nilai ini ditentukan oleh Hukum Ohm... Ini mungkin undang-undang elektrik yang paling penting, bukan secara kebetulan bahawa kebijaksanaan rakyat berkata: «Jika anda tidak tahu undang-undang Ohm, tinggal di rumah!»

Ujian Hukum Ohm

Undang-undang ini kini diketahui oleh semua orang: «Arus dalam litar adalah berkadar terus dengan voltan dan berkadar songsang dengan rintangan.» Nampaknya hanya terdapat tiga huruf — I = U / R, setiap pelajar akan berkata: «Jadi apa?». Tetapi sebenarnya jalan ke formula pendek ini agak berduri dan panjang.

Untuk menguji hukum Ohm, anda boleh memasang litar termudah yang ditunjukkan dalam Rajah 2.

Rajah 2.

Penyiasatannya agak mudah—dengan meningkatkan titik voltan bekalan demi titik pada kertas, bina graf yang ditunjukkan dalam Rajah 3.

Rajah 3.

Nampaknya graf itu sepatutnya menjadi garis lurus sempurna, kerana hubungan I = U / R boleh diwakili sebagai U = I * R, dan dalam matematik ia adalah garis lurus. Malah, di sebelah kanan, garisan membongkok ke bawah. Mungkin tidak banyak, tetapi ia bengkok dan atas sebab tertentu sangat serba boleh.Dalam kes ini, lenturan akan bergantung pada kaedah pemanasan rintangan yang diuji. Ia bukan tanpa alasan bahawa ia diperbuat daripada dawai tembaga yang panjang: anda boleh menggulung gegelung dengan ketat ke gegelung, anda boleh menutupnya dengan lapisan asbestos, mungkin suhu di dalam bilik hari ini adalah sama, tetapi semalam ia berbeza, atau terdapat draf di dalam bilik.

Ini kerana suhu mempengaruhi rintangan dengan cara yang sama seperti dimensi linear jasad fizikal apabila dipanaskan. Setiap logam mempunyai pekali rintangan suhu (TCR) sendiri. Tetapi hampir semua orang tahu dan ingat tentang pengembangan, tetapi lupa tentang perubahan sifat elektrik (rintangan, kapasitansi, induktansi). Tetapi suhu dalam eksperimen ini adalah sumber ketidakstabilan yang paling stabil.

Dari sudut pandangan sastera, ia ternyata menjadi tautologi yang agak indah, tetapi dalam kes ini ia sangat tepat menyatakan intipati masalah.

Ramai saintis pada pertengahan abad ke-19 cuba menemui pergantungan ini, tetapi ketidakstabilan eksperimen mengganggu dan menimbulkan keraguan tentang kebenaran keputusan yang diperolehi. Hanya Georg Simon Ohm (1787-1854) yang berjaya dalam hal ini, yang berjaya menolak semua kesan sampingan atau, seperti yang mereka katakan, untuk melihat hutan untuk pokok. Rintangan 1 Ohm masih menggunakan nama saintis yang cemerlang ini.

Setiap bahan boleh dinyatakan dengan hukum Ohm: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

Untuk tidak melupakan hubungan ini, terdapat apa yang dipanggil Segitiga Ohm, atau sesuatu yang serupa, ditunjukkan dalam Rajah 4.

Rajah 4. Segitiga Ohm

Menggunakannya adalah sangat mudah: hanya tutup nilai yang dikehendaki dengan jari anda dan dua huruf lain akan menunjukkan kepada anda apa yang perlu dilakukan dengannya.

Masih perlu diingatkan apakah peranan ketegangan dalam semua formula ini, apakah maksud fizikalnya. Voltan biasanya difahami sebagai beza keupayaan pada dua titik dalam medan elektrik. Untuk pemahaman yang lebih mudah, mereka menggunakan analogi, sebagai peraturan, dengan tangki, air dan paip.

Dalam skim "paip" ini, penggunaan air dalam paip (liter / saat) hanyalah arus (coulomb / saat), dan perbezaan antara paras atas dalam tangki dan paip terbuka ialah perbezaan potensi (voltan). . Juga, jika injap terbuka, tekanan alur keluar adalah sama dengan atmosfera, yang boleh diambil sebagai tahap sifar bersyarat.

Dalam litar elektrik, konvensyen ini memungkinkan untuk mengambil titik untuk konduktor biasa ("tanah") yang menentang semua pengukuran dan pelarasan dibuat. Selalunya, terminal negatif bekalan kuasa diandaikan sebagai wayar ini, walaupun ini tidak selalu berlaku.

Perbezaan potensi diukur dalam volt (V), dinamakan sempena ahli fizik Itali Alessandro Volta (1745-1827). Menurut definisi moden, dengan beza potensi 1 V, tenaga sebanyak 1 J dibelanjakan untuk menggerakkan cas sebanyak 1 C. Tenaga yang digunakan diisi semula oleh sumber kuasa, dengan analogi dengan litar «paip», ia akan menjadi pam yang menyokong paras air dalam tangki.