Elektri põhitõed

Vanad kreeklased jälgisid elektrinähtusi ammu enne elektri uurimise algust. Piisab, kui hõõruda poolvääriskivi merevaigukivi villa või karusnahaga, kuna see hakkab kuivanud põhutükke, paberit või kohevust ja sulgi ligi tõmbama.

Kaasaegsetes koolikatsetes kasutatakse siidi või villaga hõõrutud klaasist ja eboniidist vardaid. Sel juhul arvestatakse, et klaaspulgale jääb positiivne laeng, eboniidipulgale negatiivne laeng. Need vardad võivad meelitada ka väikseid paberitükke vms. väikesed esemed. Just see atraktsioon on elektrivälja efekt, mida uuris Charles Coulomb.

Kreeka keeles nimetatakse merevaigu elektroniks, nii et sellise külgetõmbejõu kirjeldamiseks pakkus William Hilbert (1540 - 1603) välja termini "elektriline".

1891. aastal püstitas inglise teadlane Stony George Johnston hüpoteesi elektriliste osakeste olemasolu ainetes, mida ta nimetas elektronideks. See väide tegi palju lihtsamaks elektriliste protsesside mõistmise juhtmetes.

Metallides olevad elektronid on üsna vabad ja oma aatomitest kergesti eraldatavad ning elektrivälja toimel liiguvad täpsemalt potentsiaalide erinevused metalliaatomite vahel, tekitades elektrit… Seega on vasktraadi elektrivool elektronide voog, mis voolab mööda traati ühest otsast teise.

Mitte ainult metallid ei ole võimelised elektrit juhtima. Teatud tingimustel on vedelikud, gaasid ja pooljuhid elektrit juhtivad. Nendes keskkondades on laengukandjateks ioonid, elektronid ja augud. Kuid praegu räägime ainult metallidest, sest isegi neis pole kõik nii lihtne.

Praegu räägime alalisvoolust, mille suund ja suurus ei muutu. Seetõttu on elektriskeemidel võimalik nooltega näidata, kuhu vool voolab. Arvatakse, et vool voolab positiivsest poolusest negatiivsele poolusele, milleni jõuti elektri uurimise alguses.

Hiljem selgus, et elektronid liiguvad tegelikult täpselt vastupidises suunas — miinusest plussi. Kuid vaatamata sellele ei loobunud nad "valest" suunast, pealegi nimetatakse just seda suunda voolu tehniliseks suunaks. Mis vahet sellel on, kui lamp ikka põleb. Elektronide liikumissuunda nimetatakse tõeseks ja seda kasutatakse kõige sagedamini teadusuuringutes.

Seda illustreerib joonis 1.

Pilt 1.

Kui lüliti on mõneks ajaks akule "visatud", siis elektrolüütkondensaator C laetakse ja sellele koguneb mingi laeng. Peale kondensaatori laadimist keerati lüliti pirnile. Lamp vilgub ja kustub - kondensaator tühjeneb. On üsna ilmne, et välgu kestus sõltub kondensaatorisse salvestatud elektrilaengu suurusest.

Ka galvaaniline aku salvestab elektrilaengut, kuid palju rohkem kui kondensaator. Seetõttu on välguaeg piisavalt pikk — lamp võib põleda mitu tundi.

Elektrilaeng, vool, takistus ja pinge

Elektrilaengute uurimisega viis läbi prantsuse teadlane C. Coulomb, kes avastas 1785. aastal temanimelise seaduse.

Valemites on elektrilaeng tähistatud kui Q või q. Selle suuruse füüsikaline tähendus on laetud kehade võime astuda elektromagnetilistesse vastastikmõjudesse: kuna laengud tõrjuvad, siis erinevad tõmbuvad endasse Laengutevaheline vastasmõju jõud on otseselt võrdeline laengute suurusega ja pöördvõrdeline kauguse ruuduga. nende vahel. Kui see on valemi kujul, näeb see välja järgmine:

F = q1 * q2 / r2

Elektroni elektrilaeng on väga väike, nii et praktikas kasutavad nad laengu suurust, mida nimetatakse kuloniks... Just seda väärtust kasutatakse rahvusvahelises süsteemis SI (C). Ripats sisaldab vähemalt 6,24151 * 1018 (kümme kuni kaheksateistkümnenda astmeni) elektroni. Kui sellest laengust vabaneb 1 miljon elektroni sekundis, siis see protsess kestab kuni 200 tuhat aastat!

Voolu mõõtühikuks SI-süsteemis on amper (A), mis sai nime prantsuse teadlase Andre Marie Ampere (1775–1836) järgi. Voolutugevusel 1A läbib traadi ristlõike 1 sekundiga täpselt 1 C laeng. Matemaatiline valem on sel juhul järgmine: I = Q / t.

Selles valemis on vool amprites, laeng kulonites ja aeg sekundites. Kõik seadmed peavad vastama SI-süsteemile.

Teisisõnu vabastatakse üks ripats sekundis. Väga sarnane auto kiirusele kilomeetrites tunnis.Seetõttu pole elektrivoolu tugevus midagi muud kui elektrilaengu voolukiirus.

Igapäevaelus kasutatakse sagedamini süsteemivälist seadet Amper * tund. Piisab autoakude tagasikutsumisest, mille võimsust näidatakse ainult ampertundides. Ja kõik teavad ja mõistavad seda, kuigi keegi ei mäleta autoosade kauplustes ühtegi ripatsit. Kuid samal ajal on endiselt suhe: 1 C = 1 * / 3600 amprit * tund. Sellist kogust on võimalik nimetada ampriks * sekundiks.

Teises definitsioonis voolab 1 A vool takistusega juhis 1 Ω at potentsiaalide erinevus (pinge) traadi otstes 1 V. Nende väärtuste suhe määratakse Ohmi seadus... See on ehk kõige olulisem elektriseadus, mitte juhuslikult ütleb rahvatarkus: «Kui sa Ohmi seadust ei tea, jää koju!»

Ohmi seaduse test

See seadus on nüüd kõigile teada: "Voolus vooluringis on võrdeline pingega ja pöördvõrdeline takistusega." Näib, et tähti on ainult kolm — I = U / R, iga õpilane ütleb: "Ja mis siis?". Kuid tegelikult oli tee selle lühikese valemini üsna okkaline ja pikk.

Ohmi seaduse testimiseks saate kokku panna joonisel 2 näidatud kõige lihtsama vooluahela.

Joonis 2.

Uurimine on üsna lihtne – suurendades paberil toitepinget punkthaaval, koostage joonisel 3 näidatud graafik.

Joonis 3.

Näib, et graafik peaks osutuma täiesti sirgeks, kuna seost I = U / R saab esitada kujul U = I * R ja matemaatikas on see sirgjoon. Tegelikult paremal pool joon allapoole paindub. Võib-olla mitte palju, aga see paindub ja on millegipärast väga mitmekülgne.Sel juhul sõltub paindumine testitud takistuse kuumutamise meetodist. Pole asjata, et see on tehtud pikast vasktraadist: mähise saab tihedalt mähisesse kerida, saab asbestikihiga sulgeda, võib-olla on täna toas sama temperatuur, aga eile oli. erinev või ruumis on tuuletõmbus.

Seda seetõttu, et temperatuur mõjutab takistust samamoodi nagu füüsiliste kehade lineaarsed mõõtmed kuumutamisel. Igal metallil on oma temperatuuritakistustegur (TCR). Kuid peaaegu kõik teavad ja mäletavad laienemist, kuid unustage elektriliste omaduste (takistus, mahtuvus, induktiivsus) muutus. Kuid nendes katsetes on temperatuur kõige stabiilsem ebastabiilsuse allikas.

Kirjanduslikust vaatenurgast osutus see üsna ilusaks tautoloogiaks, kuid antud juhul väljendab see probleemi olemust väga täpselt.

Seda sõltuvust püüdsid 19. sajandi keskel avastada paljud teadlased, kuid katsete ebastabiilsus segas ja tekitas kahtlusi saadud tulemuste õigsuses.See õnnestus vaid Georg Simon Ohmil (1787-1854), kes suutis selle tagasi lükata. kõik kõrvalmõjud või, nagu öeldakse, et näha metsa puude eest. 1-oomine takistus kannab endiselt selle hiilgava teadlase nime.

Iga koostisosa saab väljendada Ohmi seadusega: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

Et neid seoseid mitte unustada, on joonisel 4 näidatud nn Ohmi kolmnurk või midagi sarnast.

Joonis 4. Ohmi kolmnurk

Selle kasutamine on väga lihtne: lihtsalt sulgege soovitud väärtus sõrmega ja ülejäänud kaks tähte näitavad teile, mida nendega teha.

Jääb üle meenutada, millist rolli mängib pinge kõigis neis valemites, mis on selle füüsiline tähendus. Pinge all mõistetakse tavaliselt potentsiaalide erinevust elektrivälja kahes punktis. Lihtsamaks mõistmiseks kasutavad nad reeglina analooge paagi, vee ja torudega.

Selles "torustiku" skeemis on vee tarbimine torus (liitrit / s) ainult vool (kulon / s) ja paagi ülemise taseme ja avatud kraani erinevus on potentsiaalide erinevus (pinge) . Samuti, kui klapp on avatud, on väljalaskerõhk võrdne atmosfäärirõhuga, mida võib võtta tingimusliku nulltasemena.

Elektriahelates võimaldab see konventsioon võtta punkti ühise juhi jaoks ("maandus"), mille suhtes kõik mõõtmised ja reguleerimised tehakse. Kõige sagedamini eeldatakse, et see traat on toiteallika negatiivne klemm, kuigi see pole alati nii.

Potentsiaalide erinevust mõõdetakse voltides (V), mis sai nime Itaalia füüsiku Alessandro Volta (1745-1827) järgi. Kaasaegse definitsiooni kohaselt kulutatakse 1 V potentsiaalivahe korral 1 C laengu liigutamiseks energiat 1 J. Tarbitud energiat täiendab toiteallikas, analoogselt torustiku ahelaga. olema pump, mis toetab veetaset paagis.