Sähkön perusteet

Muinaiset kreikkalaiset havaitsivat sähköilmiöitä kauan ennen kuin sähkön tutkiminen aloitettiin. Riittää, kun hankaa puolijalokiveä meripihkakiveä villalla tai turkilla, kun se alkaa vetää puoleensa kuivia olkia, paperia tai nukkaa ja höyheniä.

Nykyaikaisissa koulukokeissa käytetään lasi- ja eboniittisauvoja, jotka on hierottu silkillä tai villalla. Tässä tapauksessa katsotaan, että lasitankoon jää positiivinen varaus ja eboniittisauvassa negatiivinen varaus. Nämä sauvat voivat myös houkutella pieniä paperinpaloja tai vastaavia. pieniä esineitä. Juuri tämä vetovoima on sähkökenttävaikutus, jota Charles Coulomb tutki.

Kreikassa meripihkaa kutsutaan elektroniksi, joten William Hilbert (1540 - 1603) ehdotti termin "sähköinen" kuvaamaan tällaista vetovoimaa.

Vuonna 1891 englantilainen tiedemies Stony George Johnston oletti sähköisten hiukkasten olemassaolon aineissa, joita hän kutsui elektroneiksi. Tämä lausunto helpotti paljon sähköisten prosessien ymmärtämistä johtimissa.

Metallien elektronit ovat melko vapaita ja helposti erotettavissa atomeistaan, ja sähkökentän vaikutuksesta, tarkemmin sanottuna, potentiaalierot liikkuvat metalliatomien välillä, jolloin syntyy sähköä… Siten kuparilangan sähkövirta on elektronien virtaa, joka virtaa johtoa pitkin yhdestä päästä toiseen.

Ei vain metallit pysty johtamaan sähköä. Tietyissä olosuhteissa nesteet, kaasut ja puolijohteet ovat sähköä johtavia. Näissä ympäristöissä varauksen kantajia ovat ionit, elektronit ja aukot. Mutta toistaiseksi puhumme vain metalleista, koska edes niissä kaikki ei ole niin yksinkertaista.

Toistaiseksi puhumme tasavirrasta, jonka suunta ja suuruus eivät muutu. Siksi sähkökaavioissa on mahdollista osoittaa nuolilla, missä virta kulkee. Virran uskotaan virtaavan positiivisesta napasta negatiiviseen napaan, mikä on johtopäätös sähkön tutkimuksen alussa.

Myöhemmin kävi ilmi, että elektronit itse asiassa liikkuvat täsmälleen päinvastaiseen suuntaan - miinuksesta plussaan. Mutta tästä huolimatta he eivät luopuneet "väärästä" suunnasta, lisäksi juuri tätä suuntaa kutsutaan virran tekniseksi suunnaksi. Mitä väliä sillä on, jos lamppu palaa edelleen. Elektronien liikesuuntaa kutsutaan todeksi ja sitä käytetään useimmiten tieteellisessä tutkimuksessa.

Tämä on havainnollistettu kuvassa 1.

Kuva 1.

Jos kytkin "heitetään" akkuun joksikin aikaa, elektrolyyttikondensaattori C latautuu ja siihen kertyy jonkin verran varausta. Kondensaattorin latauksen jälkeen kytkin käännettiin polttimolle. Lamppu vilkkuu ja sammuu - kondensaattori purkautuu. On aivan selvää, että salaman kesto riippuu kondensaattoriin tallennetun sähkövarauksen määrästä.

Galvaaninen akku varastoi myös sähkövarausta, mutta paljon enemmän kuin kondensaattori. Siksi välähdysaika on riittävän pitkä - lamppu voi palaa useita tunteja.

Sähkövaraus, virta, vastus ja jännite

Sähkövarausten tutkimuksen suoritti ranskalainen tiedemies C. Coulomb, joka vuonna 1785 löysi hänen mukaansa nimetyn lain.

Kaavoissa sähkövaraus merkitään Q tai q. Tämän suuren fyysinen merkitys on varautuneiden kappaleiden kyky päästä sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen: kun varaukset hylkivät, erilaiset vetävät puoleensa Varausten välinen vuorovaikutusvoima on suoraan verrannollinen varausten kokoon ja kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön heidän välillään. Jos se on kaavan muodossa, se näyttää tältä:

F = q1 * q2 / r2

Elektronin sähkövaraus on hyvin pieni, joten käytännössä he käyttävät kuloniksi kutsuttua varauksen suuruutta... Juuri tätä arvoa käytetään kansainvälisessä järjestelmässä SI (C). Riipus sisältää vähintään 6,24151 * 1018 (kymmenestä kahdeksastoista potenssiin) elektronia. Jos tästä varauksesta vapautuu miljoona elektronia sekunnissa, tämä prosessi kestää jopa 200 tuhatta vuotta!

Virran mittayksikkö SI-järjestelmässä on Ampere (A), joka on nimetty ranskalaisen tiedemiehen Andre Marie Amperen (1775-1836) mukaan. 1A virralla tasan 1 C:n varaus kulkee langan poikkileikkauksen läpi 1 sekunnissa. Matemaattinen kaava tässä tapauksessa on seuraava: I = Q / t.

Tässä kaavassa virta on ampeereina, varaus on kuloneina ja aika sekunneissa. Kaikkien laitteiden on oltava SI-järjestelmän mukaisia.

Toisin sanoen yksi riipus vapautuu sekunnissa. Hyvin samanlainen kuin auton nopeus kilometreissä tunnissa.Siksi sähkövirran voimakkuus ei ole muuta kuin sähkövarauksen virtausnopeus.

Useammin jokapäiväisessä elämässä käytetään järjestelmän ulkopuolista yksikköä Ampere * tunti. Riittää, kun haet auton akkuja, joiden kapasiteetti ilmoitetaan vain ampeeritunteina. Ja kaikki tietävät ja ymmärtävät tämän, vaikka kukaan ei muista mitään riipuksia autoosakaupoissa. Mutta samaan aikaan on edelleen suhde: 1 C = 1 * / 3600 ampeeria * tunti. Tällaista määrää voidaan kutsua ampeeriksi * sekunniksi.

Toisessa määritelmässä 1 A virta kulkee johtimessa, jonka resistanssi on 1 Ω at potentiaaliero (jännite) langan päissä 1 V. Näiden arvojen välinen suhde määräytyy Ohmin laki... Tämä on ehkä tärkein sähkölaki, ei ole sattumaa, että kansan viisaus sanoo: "Jos et tunne Ohmin lakia, pysy kotona!"

Ohmin lain testi

Tämä laki on nyt kaikkien tiedossa: "Piirin virta on suoraan verrannollinen jännitteeseen ja kääntäen verrannollinen vastukseen." Näyttää siltä, ​​​​että kirjainta on vain kolme - I = U / R, jokainen opiskelija sanoo: "Mitä sitten?". Mutta itse asiassa tie tähän lyhyeen kaavaan oli melko hankala ja pitkä.

Ohmin lain testaamiseksi voit koota yksinkertaisimman kuvassa 2 esitetyn piirin.

Kuva 2.

Tutkimus on melko yksinkertainen – nostamalla syöttöjännitettä paperille piste pisteeltä, muodosta kuvan 3 käyrä.

Kuva 3.

Näyttää siltä, ​​​​että kuvaajan pitäisi osoittautua täysin suoraksi, koska suhde I = U / R voidaan esittää muodossa U = I * R, ja matematiikassa se on suora. Itse asiassa oikealla puolella viiva taipuu alas. Ehkä ei paljon, mutta se taipuu ja on jostain syystä erittäin monipuolinen.Tässä tapauksessa taivutus riippuu testatun vastuksen lämmitysmenetelmästä. Ei turhaan, että se on tehty pitkästä kuparilangasta: kelan voi kelata tiukasti kelaksi, sen voi sulkea asbestikerroksella, ehkä huoneen lämpötila on tänään sama, mutta eilen se oli erilainen tai huoneessa on veto.

Tämä johtuu siitä, että lämpötila vaikuttaa vastukseen samalla tavalla kuin fyysisten kappaleiden lineaariset mitat kuumennettaessa. Jokaisella metallilla on oma lämpötilavastuskerroin (TCR). Mutta melkein kaikki tietävät ja muistavat laajentumisen, mutta unohda sähköisten ominaisuuksien muutos (resistanssi, kapasitanssi, induktanssi). Mutta lämpötila näissä kokeissa on vakain epävakauden lähde.

Kirjallisesta näkökulmasta se osoittautui melko kauniiksi tautologiaksi, mutta tässä tapauksessa se ilmaisee erittäin tarkasti ongelman olemuksen.

Monet tiedemiehet 1800-luvun puolivälissä yrittivät löytää tämän riippuvuuden, mutta kokeiden epävakaus häiritsi ja herätti epäilyksiä saatujen tulosten oikeellisuudesta.Tässä onnistui vain Georg Simon Ohm (1787-1854), joka onnistui hylkäämään sen. kaikki sivuvaikutukset tai, kuten sanotaan, nähdä metsä puista. 1 ohmin vastus kantaa edelleen tämän loistavan tiedemiehen nimeä.

Jokainen ainesosa voidaan ilmaista Ohmin lailla: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

Jotta näitä suhteita ei unohdettaisi, on olemassa niin kutsuttu Ohmin kolmio tai jotain vastaavaa, joka näkyy kuvassa 4.

Kuva 4. Ohmin kolmio

Sen käyttäminen on hyvin yksinkertaista: sulje vain haluamasi arvo sormella ja kaksi muuta kirjainta näyttävät, mitä niillä tehdä.

On vielä muistettava, mikä rooli jännityksellä on kaikissa näissä kaavoissa, mikä on sen fyysinen merkitys. Jännitteellä tarkoitetaan yleensä potentiaalieroa kahdessa sähkökentän pisteessä. Ymmärtämisen helpottamiseksi he käyttävät yleensä analogioita säiliön, veden ja putkien kanssa.

Tässä "putkisto"-järjestelmässä veden kulutus putkessa (litraa / s) on vain virta (coulomb / s), ja ero säiliön ylätason ja avoimen hanan välillä on potentiaaliero (jännite) . Myös jos venttiili on auki, ulostulopaine on sama kuin ilmakehän paine, jota voidaan pitää ehdollisena nollatasona.

Sähköpiireissä tämä käytäntö mahdollistaa pisteen ottamiseksi yhteiselle johtimelle ("maa"), jota vasten kaikki mittaukset ja säädöt tehdään. Useimmiten virtalähteen negatiivinen napa oletetaan olevan tämä johto, vaikka näin ei aina ole.

Potentiaaliero mitataan voltissa (V), joka on nimetty italialaisen fyysikon Alessandro Voltan (1745-1827) mukaan. Nykyajan määritelmän mukaan 1 V:n potentiaalierolla 1 J energiaa kuluu 1 C:n varauksen siirtämiseen. Kulutettua energiaa täydennetään virtalähteellä, analogisesti "putkisto"-piirin kanssa. olla pumppu, joka tukee säiliön veden tasoa.