Základy elektřiny
Staří Řekové pozorovali elektrické jevy dlouho předtím, než začalo studium elektřiny. Polodrahokam jantar stačí přetřít vlnou nebo kožešinou, protože začne přitahovat kousky suché slámy, papíru nebo chmýří a peří.
Moderní školní pokusy používají skleněné a ebonitové tyče třené hedvábím nebo vlnou. V tomto případě se má za to, že kladný náboj zůstává na skleněné tyči a záporný náboj na ebonitové tyči. Tyto tyče mohou také přitahovat malé kousky papíru nebo podobně. drobné předměty. Právě tato přitažlivost je efektem elektrického pole, který studoval Charles Coulomb.
V řečtině se jantaru říká elektron, takže pro popis takové přitažlivé síly navrhl William Hilbert (1540 - 1603) termín „elektrický“.
V roce 1891 anglický vědec Stony George Johnston vyslovil hypotézu o existenci elektrických částic v látkách, které nazval elektrony. Toto prohlášení výrazně usnadnilo pochopení elektrických procesů v drátech.
Elektrony v kovech jsou zcela volné a snadno se oddělují od jejich atomů a působením elektrického pole, přesněji řečeno, se mezi atomy kovů pohybují potenciální rozdíly, které vytvářejí elektřina… Elektrický proud v měděném drátu je tedy tok elektronů proudících podél drátu z jednoho konce na druhý.
Nejen kovy jsou schopny vést elektrický proud. Za určitých podmínek jsou kapaliny, plyny a polovodiče elektricky vodivé. V těchto prostředích jsou nosiči náboje ionty, elektrony a díry. Ale zatím se bavíme jen o kovech, protože ani v nich není všechno tak jednoduché.
Zatím mluvíme o stejnosměrném proudu, jehož směr a velikost se nemění. Na elektrických schématech je proto možné šipkami označit, kudy teče proud. Předpokládá se, že proud proudí od kladného pólu k zápornému pólu, což je závěr dosažený na počátku studia elektřiny.
Později se ukázalo, že elektrony se ve skutečnosti pohybují přesně opačným směrem — z mínusu do plusu. Ale i přes to se nevzdali „špatného“ směru, navíc se právě tento směr nazývá technickým směrem proudu. Jaký je rozdíl, když lampa stále svítí. Směr pohybu elektronů se nazývá pravý a nejčastěji se používá ve vědeckém výzkumu.
To je znázorněno na obrázku 1.
Obrázek 1.
Pokud je spínač na nějakou dobu "přihozen" k baterii, elektrolytický kondenzátor C se nabije a nahromadí se na něm nějaký náboj. Po nabití kondenzátoru byl přepínač otočen na žárovku. Kontrolka bliká a zhasne - kondenzátor se vybije. Je zcela zřejmé, že doba trvání záblesku závisí na množství elektrického náboje uloženého v kondenzátoru.
Galvanická baterie také ukládá elektrický náboj, ale mnohem více než kondenzátor. Doba záblesku je tedy dostatečně dlouhá — lampa může hořet několik hodin.
Elektrický náboj, proud, odpor a napětí
Studiem elektrických nábojů se zabýval francouzský vědec C. Coulomb, který v roce 1785 objevil zákon pojmenovaný po něm.
Ve vzorcích je elektrický náboj označen jako Q nebo q. Fyzikální význam této veličiny je schopnost nabitých těles vstupovat do elektromagnetických interakcí: jak se náboje odpuzují, různé se přitahují Síla interakce mezi náboji je přímo úměrná velikosti nábojů a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi. Pokud je ve formě vzorce, vypadá takto:
F = ql * q2 / r2
Elektrický náboj elektronu je velmi malý, proto v praxi používají velikost náboje zvanou coulomb... Právě tato hodnota se používá v mezinárodní soustavě SI (C). Přívěsek obsahuje ne méně než 6,24151 * 1018 (deset až osmnáctá mocnina) elektronů. Pokud se z tohoto náboje uvolní 1 milion elektronů za sekundu, bude tento proces trvat až 200 tisíc let!
Jednotkou měření proudu v soustavě SI je ampér (A), pojmenovaný po francouzském vědci Andre Marie Ampere (1775 — 1836). Při proudu 1A projde průřezem drátu náboj přesně 1 C za 1 sekundu. Matematický vzorec je v tomto případě následující: I = Q / t.
V tomto vzorci je proud v ampérech, náboj je v coulombech a čas je v sekundách. Všechna zařízení musí odpovídat soustavě SI.
Jinými slovy, za sekundu se uvolní jeden přívěsek. Velmi podobné rychlosti auta v kilometrech za hodinu.Proto síla elektrického proudu není nic jiného než rychlost toku elektrického náboje.
V každodenním životě se častěji používá mimosystémová jednotka Ampere * hodina. Stačí vyvolat autobaterie, jejichž kapacita se udává pouze v ampérhodinách. A každý to ví a rozumí, i když si nikdo nepamatuje žádné přívěsky v obchodech s autodíly. Ale zároveň stále existuje poměr: 1 C = 1 * / 3600 ampér * hodina. Takové množství je možné nazvat ampér * sekunda.
V jiné definici teče proud 1 A vodičem o odporu 1 Ω at potenciální rozdíl (napětí) na koncích drátu 1 V. Poměr mezi těmito hodnotami je určen Ohmův zákon... Toto je snad nejdůležitější elektrický zákon, ne náhodou lidová moudrost říká: «Pokud neznáte Ohmův zákon, zůstaňte doma!»
Test Ohmova zákona
Tento zákon je nyní známý každému: «Proud v obvodu je přímo úměrný napětí a nepřímo úměrný odporu.» Zdá se, že existují pouze tři písmena — I = U / R, každý student řekne: «No a co?». Ale ve skutečnosti byla cesta k této krátké formuli docela trnitá a dlouhá.
Chcete-li otestovat Ohmův zákon, můžete sestavit nejjednodušší obvod znázorněný na obrázku 2.
Obrázek 2
Vyšetřování je celkem jednoduché – zvýšením napájecího napětí bod po bodu na papíře sestrojte graf znázorněný na obrázku 3.
Obrázek 3
Zdá se, že graf by se měl ukázat jako dokonale přímka, protože vztah I = U / R lze reprezentovat jako U = I * R a v matematice je to přímka. Ve skutečnosti se na pravé straně čára ohýbá dolů. Možná ne moc, ale ohýbá se a z nějakého důvodu je velmi univerzální.V tomto případě bude ohyb záviset na způsobu ohřevu testovaného odporu. Ne nadarmo je vyrobena z dlouhého měděného drátu: cívku můžete pevně navinout na cívku, můžete ji uzavřít vrstvou azbestu, možná je dnes v místnosti stejná teplota, ale včera to bylo jiný, nebo je v místnosti průvan.
Teplota totiž ovlivňuje odpor stejným způsobem jako lineární rozměry fyzických těles při zahřívání. Každý kov má svůj vlastní teplotní koeficient odporu (TCR). Ale téměř každý ví a pamatuje si expanzi, ale zapomeňte na změnu elektrických vlastností (odpor, kapacita, indukčnost). Ale teplota v těchto experimentech je nejstabilnějším zdrojem nestability.
Z literárního hlediska se to ukázalo jako docela krásná tautologie, která však v tomto případě velmi přesně vyjadřuje podstatu problému.
Mnoho vědců se v polovině 19. století pokusilo tuto závislost objevit, ale nestabilita experimentů překážela a vyvolávala pochybnosti o pravdivosti získaných výsledků.To se podařilo pouze Georgu Simonu Ohmovi (1787-1854), kterému se podařilo odmítnout všechny vedlejší účinky nebo, jak se říká, vidět les pro stromy. Odpor 1 Ohm stále nese jméno tohoto skvělého vědce.
Každou složku lze vyjádřit Ohmovým zákonem: I = U / R, U = I * R, R = U / I.
Aby se na tyto vztahy nezapomnělo, existuje tzv. Ohmův trojúhelník nebo něco podobného, jak je znázorněno na obrázku 4.
Obrázek 4. Ohmův trojúhelník
Použití je velmi jednoduché: stačí prstem zavřít požadovanou hodnotu a další dvě písmena vám ukáží, co s nimi dělat.
Zbývá si připomenout, jakou roli hraje ve všech těchto vzorcích napětí, jaký je jeho fyzikální význam. Napětí je obvykle chápáno jako rozdíl potenciálů ve dvou bodech elektrického pole. Pro snadnější pochopení používají analogie zpravidla s nádrží, vodou a potrubím.
V tomto "instalačním" schématu je spotřeba vody v potrubí (litry / s) pouze proud (coulomb / s) a rozdíl mezi horní hladinou v nádrži a otevřeným kohoutkem je potenciální rozdíl (napětí) . Také, pokud je ventil otevřený, výstupní tlak se rovná atmosférickému, což lze považovat za podmíněnou nulovou úroveň.
V elektrických obvodech tato konvence umožňuje vzít bod pro společný vodič („zem“), proti kterému se provádějí všechna měření a nastavení. Nejčastěji se předpokládá, že záporná svorka napájecího zdroje je tento vodič, i když tomu tak není vždy.
Rozdíl potenciálů se měří ve voltech (V), pojmenovaných po italském fyzikovi Alessandru Voltovi (1745-1827). Podle moderní definice se při potenciálním rozdílu 1 V spotřebuje energie 1 J k přesunu náboje o 1 C. Spotřebovaná energie je doplňována zdrojem energie, analogicky s «instalačním» obvodem, být čerpadlo, které podporuje hladinu vody v nádrži.