Основи на електроенергията
Древните гърци са наблюдавали електрически явления много преди да започне изследването на електричеството. Достатъчно е да разтриете полускъпоценния кехлибарен камък с вълна или козина, тъй като той започва да привлича парчета суха слама, хартия или пух и пера.
В съвременните училищни експерименти се използват стъклени и ебонитни пръти, натрити с коприна или вълна. В този случай се счита, че върху стъклената пръчка остава положителен заряд, а върху ебонитовия — отрицателен. Тези пръти също могат да привличат малки парчета хартия или други подобни. малки предмети. Именно това привличане е ефектът на електрическото поле, което е изследвано от Чарлз Куломб.
На гръцки кехлибарът се нарича електрон, затова, за да опише такава привлекателна сила, Уилям Хилберт (1540 — 1603) предложи термина «електрически».
През 1891 г. английският учен Стони Джордж Джонстън изказва хипотеза за съществуването на електрически частици в вещества, които той нарича електрони. Това изявление го направи много по -лесно за разбиране електрически процеси в проводници.
Електроните в металите са доста свободни и лесно се отделят от атомите си и под действието на електрическо поле, по -точно, потенциалните разлики се движат между металните атоми, създавайки електричество… По този начин електрическият ток в медна жица е поток от електрони, протичащи по проводника, от единия край до другия.
Не само металите са способни да провеждат електрически ток. При определени условия течностите, газовете и полупроводниците са електропроводими. В тези среди носители на заряд са йони, електрони и дупки. Но засега говорим само за метали, защото дори и в тях всичко не е толкова просто.
Засега говорим за постоянен ток, чиято посока и величина не се променят. Следователно на електрическите схеми е възможно да се посочи със стрелки къде тече токът. Смята се, че токът тече от положителния полюс към отрицателния, до този извод се стига на ранен етап от изследването на електричеството.
По -късно се оказа, че всъщност електроните се движат точно в обратната посока — от минус към плюс. Но въпреки това те не се отказаха от „грешната“ посока, освен това, точно тази посока се нарича техническа посока на течението. Каква е разликата, ако лампата все пак свети. Посоката на движение на електроните се нарича вярна и се използва най -често в научните изследвания.
Това е илюстрирано на фигура 1.
Снимка 1.
Ако превключвателят е „хвърлен“ към батерията за известно време, електролитният кондензатор С ще бъде зареден и върху него ще се натрупа известен заряд. След зареждане на кондензатора превключвателят беше обърнат към крушката. Лампата мига и изгасва — кондензаторът се разрежда. Съвсем очевидно е, че продължителността на светкавицата зависи от количеството електрически заряд, съхраняван в кондензатора.
Една галванична батерия също съхранява електрически заряд, но много повече от кондензатор. Следователно времето на светкавицата е достатъчно дълго — лампата може да гори до няколко часа.
Електрически заряд, ток, съпротивление и напрежение
Изследването на електрическите заряди е извършено от френския учен К. Кулон, който през 1785 г. открива закона, кръстен на него.
Във формулите електрическият заряд се обозначава като Q или q. Физическият смисъл на тази величина е способността на заредените тела да влизат в електромагнитни взаимодействия: като зарядите се отблъскват, различните се привличат.Силата на взаимодействие между зарядите е правопропорционална на големината на зарядите и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях. Ако е под формата на формула, то изглежда така:
F = q1 * q2 / r2
Електрическият заряд на електрона е много малък, така че на практика те използват величината на заряда, наречен кулон… Именно тази стойност се използва в международната система SI (C). Една висулка съдържа не по -малко от 6,24151 * 1018 (десет до осемнадесета степен) електрони. Ако от този заряд се освободят 1 милион електрони в секунда, тогава този процес ще продължи до 200 хиляди години!
Единицата за измерване на ток в системата SI е Ампер (А), кръстен на френския учен Андре Мари Ампер (1775 — 1836). При ток от 1А, заряд от точно 1 С преминава през напречното сечение на проводника за 1 секунда. Математическата формула в този случай е следната: I = Q / t.
В тази формула токът е в ампери, зарядът е в кулон, а времето е в секунди. Всички устройства трябва да отговарят на системата SI.
С други думи, излиза един висулка в секунда. Много подобно на скоростта на автомобил в километри в час. Следователно силата на електрическия ток не е нищо повече от скоростта на потока на електрически заряд.
По-често в ежедневието се използва извънсистемният модул Ampere * час. Достатъчно е да си припомним автомобилните акумулатори, чийто капацитет е посочен само в ампер часа. И всеки знае и разбира това, въпреки че никой не си спомня никакви висулки в магазините за авточасти. Но в същото време все още има съотношение: 1 C = 1 * / 3600 ампера * час. Възможно е такова количество да се нарече ампер * секунда.
В друго определение, ток от 1 А тече в проводник със съпротивление 1 Ом при потенциална разлика (напрежение) в краищата на проводника 1 V. Съотношението между тези стойности се определя от Законът на Ом… Това е може би най -важният електрически закон, не случайно народната мъдрост казва: «Ако не знаете закона на Ом, останете си вкъщи!»
Тестът на закона на Ом
Този закон сега е известен на всички: «Токът във веригата е право пропорционален на напрежението и обратно пропорционален на съпротивлението.» Изглежда, че има само три букви — I = U / R, всеки ученик ще каже: «И какво от това?». Но всъщност пътят към тази кратка формула беше доста трънлив и дълъг.
За да тествате закона на Ом, можете да сглобите най -простата схема, показана на фигура 2.
Фигура 2.
Изследването е съвсем просто — чрез увеличаване на напрежението на захранващата точка по точка на хартия, изградете графиката, показана на фигура 3.
Фигура 3.
Изглежда, че графиката трябва да се окаже идеално права линия, тъй като зависимостта I = U / R може да бъде представена като U = I * R, а в математиката това е права линия. Всъщност от дясната страна линията се огъва надолу. Може би не много, но се огъва и по някаква причина е много разнообразен. В този случай огъването ще зависи от начина на нагряване на изследваното съпротивление. Не е за нищо, че е направен от дълга медна тел: можете да навиете плътно намотка към намотка, можете да я затворите със слой азбест, може би температурата в стаята днес е същата, но вчера беше различно , или има течение в стаята.
Това е така, защото температурата влияе на съпротивлението по същия начин като линейните размери на физическите тела при нагряване. Всеки метал има свой собствен температурен коефициент на съпротивление (TCR). Но почти всички знаят и помнят за разширяването, но забравят за промяната в електрическите свойства (съпротивление, капацитет, индуктивност). Но температурата в тези експерименти е най -стабилният източник на нестабилност.
От литературна гледна точка се получи доста красива тавтология, но именно тя в този случай много точно изразява същността на проблема.
Много учени в средата на XIX век се опитаха да открият тази зависимост, но нестабилността на експериментите се намеси и породи съмнения относно истинността на получените резултати.Това успява само Георг Саймън Ом (1787-1854), който успява да отхвърли всички странични ефекти или, както се казва, да види гората зад дърветата. Съпротивлението 1 Ом все още носи името на този блестящ учен.
Всяка съставка може да бъде изразена от закона на Ом: I = U / R, U = I * R, R = U / I.
За да не се забравят тези отношения, има т.нар Триъгълник на Ом, или нещо подобно, показано на фигура 4.
Фигура 4. Триъгълник на Ом
Използването му е много просто: просто затворете желаната стойност с пръст и останалите две букви ще ви покажат какво да правите с тях.
Остава да си припомним каква роля играе напрежението във всички тези формули, какъв е неговият физически смисъл. Обикновено напрежението се разбира като потенциалната разлика в две точки на електрическото поле. За по -лесно разбиране те използват аналогии, като правило, с резервоар, вода и тръби.
В тази «водопроводна» схема потреблението на вода в тръбата (литри / сек) е само токът (кулон / сек), а разликата между горното ниво в резервоара и отворения кран е потенциалната разлика (напрежение). Освен това, ако вентилът е отворен, изходното налягане е равно на атмосферното, което може да се приеме като условно нулево ниво.
В електрическите вериги тази конвенция дава възможност да се вземе точка за общ проводник («земя»), спрямо която се правят всички измервания и настройки. Най -често отрицателният извод на захранването се приема за този проводник, въпреки че това не винаги е така.
Потенциалната разлика се измерва във волта (V), кръстен на италианския физик Алесандро Волта (1745-1827). Според съвременната дефиниция, с потенциална разлика от 1 V, се изразходва енергия от 1 J за преместване на заряд от 1 C. Консумираната енергия се попълва от източник на захранване, по аналогия с «водопроводна» верига, това ще да бъде помпа, която поддържа нивото на водата в резервоара.