Elektros pagrindai

Senovės graikai elektros reiškinius stebėjo dar gerokai prieš pradedant tirti elektros energiją. Pusbrangį gintaro akmenį užtenka įtrinti vilna ar kailiu, nes jis pradeda traukti sausų šiaudų, popieriaus ar pūkų gabalėlius ir plunksnas.

Šiuolaikiniuose mokykliniuose eksperimentuose naudojami stiklo ir ebonito strypai, trinami šilku ar vilna. Šiuo atveju laikoma, kad ant stiklo strypo lieka teigiamas krūvis, o ant ebonito lazdelės – neigiamas. Šie strypai taip pat gali pritraukti mažus popieriaus gabalus ar pan. smulkūs daiktai. Būtent ši trauka yra elektrinio lauko efektas, kurį ištyrė Charlesas Coulombas.

Graikiškai gintaras vadinamas elektronu, todėl apibūdinti tokią patrauklią jėgą Williamas Hilbertas (1540 – 1603) pasiūlė terminą „elektrinis“.

1891 metais anglų mokslininkas Stony George'as Johnstonas iškėlė hipotezę, kad medžiagose egzistuoja elektrinės dalelės, kurias pavadino elektronais. Šis teiginys leido daug lengviau suprasti elektros procesus laiduose.

Elektronai metaluose yra gana laisvi ir lengvai atskiriami nuo atomų, o veikiant elektriniam laukui, tiksliau, tarp metalo atomų juda potencialų skirtumai, sukurdami elektros… Taigi, elektros srovė varinėje laidoje yra elektronų srautas, tekantis išilgai vielos iš vieno galo į kitą.

Ne tik metalai gali praleisti elektrą. Tam tikromis sąlygomis skysčiai, dujos ir puslaidininkiai yra laidūs elektrai. Šiose aplinkose krūvininkai yra jonai, elektronai ir skylės. Tačiau kol kas kalbame tik apie metalus, nes ir juose viskas nėra taip paprasta.

Kol kas kalbame apie nuolatinę srovę, kurios kryptis ir dydis nesikeičia. Todėl elektros schemose galima rodyklėmis nurodyti, kur teka srovė. Manoma, kad srovė teka iš teigiamo poliaus į neigiamą polių, tokia išvada padaryta elektros energijos tyrimo pradžioje.

Vėliau paaiškėjo, kad elektronai iš tikrųjų juda visiškai priešinga kryptimi - nuo minuso iki pliuso. Tačiau nepaisant to, jie neatsisakė „klaidingos“ krypties, be to, būtent ši kryptis vadinama technine srovės kryptimi. Koks skirtumas, jei lemputė vis tiek šviečia. Elektronų judėjimo kryptis vadinama tiesa ir dažniausiai naudojama moksliniuose tyrimuose.

Tai pavaizduota 1 pav.

1 paveikslas.

Jei jungiklis kurį laiką bus „įmestas“ į akumuliatorių, elektrolitinis kondensatorius C bus įkraunamas ir ant jo kaupsis tam tikras krūvis. Įkrovus kondensatorių, jungiklis buvo pasuktas į lemputę. Lempa mirksi ir užgęsta - kondensatorius išsikrauna. Visiškai akivaizdu, kad blykstės trukmė priklauso nuo kondensatoriuje sukaupto elektros krūvio kiekio.

Galvaninė baterija taip pat kaupia elektros krūvį, bet daug daugiau nei kondensatorius. Todėl blykstės laikas yra pakankamai ilgas - lempa gali degti keletą valandų.

Elektros krūvis, srovė, varža ir įtampa

Elektros krūvių tyrimą atliko prancūzų mokslininkas C. Coulombas, 1785 metais atradęs jo vardu pavadintą dėsnį.

Formulėse elektros krūvis žymimas Q arba q. Fizinė šio dydžio reikšmė – įkrautų kūnų gebėjimas įsilieti į elektromagnetinę sąveiką: krūviams atstumiant, skirtingi traukia.Krūvių sąveikos jėga yra tiesiogiai proporcinga krūvių dydžiui ir atvirkščiai proporcinga atstumo kvadratui. tarp jų. Jei jis yra formulės pavidalu, jis atrodo taip:

F = q1 * q2 / r2

Elektrono elektrinis krūvis yra labai mažas, todėl praktiškai jie naudoja kulonu vadinamą krūvio dydį... Būtent ši reikšmė naudojama tarptautinėje sistemoje SI (C). Pakabuke yra ne mažiau kaip 6,24151 * 1018 (nuo dešimties iki aštuonioliktos galios) elektronų. Jei iš šio krūvio atsilaisvins 1 milijonas elektronų per sekundę, tai šis procesas truks iki 200 tūkstančių metų!

Srovės matavimo vienetas SI sistemoje yra amperas (A), pavadintas prancūzų mokslininko Andre Marie Ampere (1775–1836) vardu. Esant 1A srovei, per 1 sekundę per laido skerspjūvį praeina lygiai 1 C krūvis. Matematinė formulė šiuo atveju yra tokia: I = Q / t.

Šioje formulėje srovė nurodoma amperais, įkrova – kulonais, o laikas – sekundėmis. Visi įrenginiai turi atitikti SI sistemą.

Kitaip tariant, per sekundę išleidžiamas vienas pakabukas. Labai panašus į automobilio greitį kilometrais per valandą.Todėl elektros srovės stiprumas yra ne kas kita, kaip elektros krūvio srauto greitis.

Kasdieniame gyvenime dažniau naudojamas nesisteminis vienetas Ampere * valanda. Pakanka atšaukti automobilių akumuliatorius, kurių talpa nurodoma tik ampervalandėmis. Ir visi tai žino ir supranta, nors automobilių dalių parduotuvėse niekas neprisimena jokių pakabukų. Tačiau tuo pačiu metu vis dar yra santykis: 1 C = 1 * / 3600 amperų * valanda. Tokį kiekį galima vadinti amperu * sekunde.

Kitame apibrėžime 1 A srovė teka 1 Ω varžos laidininku potencialų skirtumas (įtampa) laido galuose 1 V. Santykis tarp šių verčių nustatomas pagal Omo dėsnis... Tai bene svarbiausias elektros dėsnis, neatsitiktinai liaudies išmintis sako: „Jei nežinai Omo dėsnio, likite namuose!

Omo dėsnio testas

Šis dėsnis dabar žinomas visiems: „Srovė grandinėje yra tiesiogiai proporcinga įtampai ir atvirkščiai proporcinga varžai“. Atrodo, kad yra tik trys raidės - I = U / R, kiekvienas studentas pasakys: "O kas?". Tačiau iš tikrųjų kelias iki šios trumpos formulės buvo gana sudėtingas ir ilgas.

Norėdami patikrinti Ohmo dėsnį, galite surinkti paprasčiausią grandinę, parodytą 2 paveiksle.

2 pav.

Tyrimas gana paprastas – popieriuje taškas po taško didindami maitinimo įtampą, sudarykite 3 paveiksle pavaizduotą grafiką.

3 pav.

Atrodo, kad grafikas turėtų pasirodyti visiškai tiesi linija, nes santykis I = U / R gali būti pavaizduotas kaip U = I * R, o matematikoje tai yra tiesė. Tiesą sakant, dešinėje pusėje linija nusilenkia. Gal ir nedaug, bet lenkia ir kažkodėl labai universalus.Šiuo atveju lenkimas priklausys nuo išbandyto pasipriešinimo šildymo būdo. Ne veltui jis pagamintas iš ilgos varinės vielos: galima tvirtai suvynioti ritę prie ritės, galima uždaryti asbesto sluoksniu, gal šiandien patalpoje tokia pati temperatūra, bet vakar buvo skiriasi arba patalpoje yra skersvėjo.

Taip yra todėl, kad temperatūra paveikia atsparumą taip pat, kaip ir šildomų fizinių kūnų linijiniai matmenys. Kiekvienas metalas turi savo atsparumo temperatūros koeficientą (TCR). Bet beveik visi žino ir prisimena apie plėtimąsi, bet pamiršta apie elektrinių savybių (varža, talpa, induktyvumas) pasikeitimą. Tačiau temperatūra šiuose eksperimentuose yra stabiliausias nestabilumo šaltinis.

Literatūriniu požiūriu tai pasirodė gana graži tautologija, tačiau šiuo atveju ji labai tiksliai išreiškia problemos esmę.

Daugelis mokslininkų XIX amžiaus viduryje bandė atrasti šią priklausomybę, tačiau eksperimentų nestabilumas trukdė ir kėlė abejonių dėl gautų rezultatų teisingumo.Tai pavyko tik Georgui Simonui Ohmui (1787-1854), kuriam pavyko atmesti. visi šalutiniai poveikiai arba, kaip sakoma, pamatyti mišką už medžius. 1 Ohm varža vis dar turi šio puikaus mokslininko vardą.

Kiekvienas ingredientas gali būti išreikštas Ohmo dėsniu: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

Kad nebūtų pamiršti šie santykiai, yra vadinamasis Ohmo trikampis arba kažkas panašaus, parodyta 4 paveiksle.

4 pav. Omo trikampis

Naudotis juo labai paprasta: tereikia pirštu uždaryti norimą reikšmę ir kitos dvi raidės parodys, ką su jomis daryti.

Belieka prisiminti, kokį vaidmenį visose šiose formulėse atlieka įtampa, kokia jos fizinė prasmė. Įtampa paprastai suprantama kaip potencialų skirtumas dviejuose elektrinio lauko taškuose. Kad būtų lengviau suprasti, jie paprastai naudoja analogijas su baku, vandeniu ir vamzdžiais.

Šioje „santechnikos“ schemoje vandens suvartojimas vamzdyje (litrais / sek.) yra tik srovė (kulonas / sek.), o skirtumas tarp viršutinio bako lygio ir atidaryto čiaupo yra potencialų skirtumas (įtampa). . Be to, jei vožtuvas atidarytas, išėjimo slėgis yra lygus atmosferiniam slėgiui, kuris gali būti laikomas sąlyginiu nuliniu lygiu.

Elektros grandinėse šis susitarimas leidžia paimti tašką bendram laidininkui ("žemei"), pagal kurį atliekami visi matavimai ir reguliavimas. Dažniausiai manoma, kad neigiamas maitinimo šaltinio gnybtas yra šis laidas, nors taip yra ne visada.

Potencialų skirtumas matuojamas voltais (V), pavadintas italų fiziko Alessandro Voltos (1745-1827) vardu. Pagal šiuolaikinį apibrėžimą, esant 1 V potencialų skirtumui, 1 J energija išleidžiama 1 C krūviui perkelti. Sunaudota energija papildoma maitinimo šaltiniu, pagal analogiją su „vandentiekio“ grandine. būti siurblys, kuris palaiko vandens lygį rezervuare.