Conceptes bàsics de l'electricitat

Els antics grecs van observar els fenòmens elèctrics molt abans que comencés l'estudi de l'electricitat. N'hi ha prou amb fregar la pedra semipreciosa ambre amb llana o pell, ja que comença a atraure trossos de palla seca, paper o pelusa i plomes.

Els experiments de l'escola moderna utilitzen varetes de vidre i ebonita fregats amb seda o llana. En aquest cas, es considera que queda una càrrega positiva a la vareta de vidre i una càrrega negativa a la vareta d'ebonita. Aquestes barres també poden atraure petits trossos de paper o similars. objectes petits. És aquesta atracció que és l'efecte de camp elèctric que va estudiar Charles Coulomb.

En grec, l'ambre s'anomena electró, així que per descriure una força tan atractiva, William Hilbert (1540 - 1603) va proposar el terme "elèctric".

El 1891, el científic anglès Stony George Johnston va plantejar la hipòtesi de l'existència de partícules elèctriques en les substàncies, que va anomenar electrons. Aquesta afirmació va facilitar molt la comprensió dels processos elèctrics dels cables.

Els electrons dels metalls són bastant lliures i es separen fàcilment dels seus àtoms, i sota l'acció d'un camp elèctric, més precisament, les diferències de potencial es mouen entre els àtoms del metall, creant electricitat… Per tant, el corrent elèctric en un cable de coure és un flux d'electrons que flueix al llarg del cable d'un extrem a l'altre.

No només els metalls són capaços de conduir l'electricitat. En determinades condicions, els líquids, els gasos i els semiconductors són conductors de l'electricitat. En aquests entorns, els portadors de càrrega són ions, electrons i forats. Però de moment només estem parlant de metalls, perquè fins i tot en ells tot no és tan senzill.

De moment, estem parlant de corrent continu, la direcció i la magnitud del qual no canvien. Per tant, als esquemes elèctrics és possible indicar amb fletxes per on circula el corrent. Es creu que el corrent flueix del pol positiu al pol negatiu, una conclusió a la qual es va arribar a principis de l'estudi de l'electricitat.

Més tard, va resultar que els electrons es mouen en la direcció exacta oposada: de menys a més. Però malgrat això, no van renunciar a la direcció "equivocada", a més, aquesta mateixa direcció s'anomena direcció tècnica del corrent. Quina diferència hi ha si el llum encara s'encén. La direcció del moviment dels electrons s'anomena veritable i s'utilitza més sovint en la investigació científica.

Això s'il·lustra a la figura 1.

Imatge 1.

Si l'interruptor es "llança" a la bateria durant un temps, el condensador electrolític C es carregarà i s'hi acumularà una mica de càrrega. Després de carregar el condensador, l'interruptor es va girar a la bombeta. El llum parpelleja i s'apaga: el condensador es descarrega. És força obvi que la durada del flaix depèn de la quantitat de càrrega elèctrica emmagatzemada al condensador.

Una bateria galvànica també emmagatzema càrrega elèctrica, però molt més que un condensador. Per tant, el temps de flaix és prou llarg: el llum pot cremar-se durant diverses hores.

Càrrega elèctrica, corrent, resistència i tensió

L'estudi de les càrregues elèctriques va ser realitzat pel científic francès C. Coulomb, que l'any 1785 va descobrir la llei que porta el seu nom.

En les fórmules, la càrrega elèctrica es denota com Q o q. El significat físic d'aquesta magnitud és la capacitat dels cossos carregats d'entrar en interaccions electromagnètiques: a mesura que les càrregues es repel·len, n'hi ha d'atraure diferents La força d'interacció entre càrregues és directament proporcional a la mida de les càrregues i inversament proporcional al quadrat de la distància. entre ells. Si està en forma de fórmula, té aquest aspecte:

F = q1 * q2 / r2

La càrrega elèctrica de l'electró és molt petita, així que a la pràctica utilitzen la magnitud de la càrrega anomenada coulomb... És aquest valor el que s'utilitza en el sistema internacional SI (C). Un penjoll conté no menys de 6,24151 * 1018 (deu a la divuitena potència) electrons. Si s'alliberen 1 milió d'electrons per segon d'aquesta càrrega, aquest procés durarà fins a 200 mil anys!

La unitat de mesura del corrent en el sistema SI és l'ampere (A), que porta el nom del científic francès Andre Marie Ampere (1775 — 1836). A un corrent d'1 A, una càrrega d'exactament 1 C passa per la secció transversal del cable en 1 segon. La fórmula matemàtica en aquest cas és la següent: I = Q / t.

En aquesta fórmula, el corrent està en amperes, la càrrega en coulombs i el temps en segons. Tots els dispositius han d'ajustar-se al sistema SI.

En altres paraules, s'allibera un penjoll per segon. Molt semblant a la velocitat d'un cotxe en quilòmetres per hora.Per tant, la força d'un corrent elèctric no és més que la velocitat de flux de càrrega elèctrica.

Amb més freqüència a la vida quotidiana, s'utilitza la unitat fora del sistema Ampere * hora. N'hi ha prou amb recordar les bateries del cotxe, la capacitat de les quals només s'indica en amperes-hora. I això ho sap i ho entén tothom, encara que ningú recorda cap penjoll a les botigues de recanvis. Però al mateix temps encara hi ha una relació: 1 C = 1 * / 3600 amperes * hora. És possible anomenar aquesta quantitat amper * segon.

En una altra definició, un corrent d'1 A circula per un conductor de resistència d'1 Ω at diferència de potencial (tensió) als extrems del cable 1 V. La relació entre aquests valors està determinada per Llei d'Ohm... Aquesta és potser la llei elèctrica més important, no és casualitat que la saviesa popular digui: «Si no coneixeu la llei d'Ohm, queda't a casa!»

Test de la llei d'Ohm

Aquesta llei és ara coneguda per tothom: «El corrent al circuit és directament proporcional a la tensió i inversament proporcional a la resistència». Sembla que només hi ha tres lletres — I = U / R, cada estudiant dirà: «I què?». Però en realitat el camí cap a aquesta fórmula curta va ser força espinós i llarg.

Per provar la llei d'Ohm, podeu muntar el circuit més senzill que es mostra a la figura 2.

Figura 2.

La investigació és bastant senzilla: augmentant la tensió d'alimentació punt per punt al paper, construïu el gràfic que es mostra a la figura 3.

Figura 3.

Sembla que el gràfic hauria de resultar una recta perfectament recta, ja que la relació I = U / R es pot representar com U = I * R, i en matemàtiques és una recta. De fet, al costat dret, la línia es doblega cap avall. Potser no gaire, però es doblega i per alguna raó és molt versàtil.En aquest cas, la flexió dependrà del mètode d'escalfament de la resistència provada. No debades està fet d'un cable llarg de coure: pots enrotllar una bobina a una bobina, pots tancar-la amb una capa d'amiant, potser la temperatura a l'habitació avui és la mateixa, però ahir ho va ser. diferent, o hi ha esborrany a l'habitació.

Això es deu al fet que la temperatura afecta la resistència de la mateixa manera que les dimensions lineals dels cossos físics quan s'escalfa. Cada metall té el seu propi coeficient de resistència a la temperatura (TCR). Però gairebé tothom sap i recorda l'expansió, però oblideu-vos del canvi en les propietats elèctriques (resistència, capacitat, inductància). Però la temperatura en aquests experiments és la font més estable d'inestabilitat.

Des del punt de vista literari, va resultar ser una tautologia força bonica, però en aquest cas expressa amb molta precisió l'essència del problema.

Molts científics a mitjans del segle XIX van intentar descobrir aquesta dependència, però la inestabilitat dels experiments va interferir i va generar dubtes sobre la veracitat dels resultats obtinguts, només ho va aconseguir Georg Simon Ohm (1787-1854), que va aconseguir rebutjar-ho. tots els efectes secundaris o, com diuen, veure el bosc pels arbres. La resistència d'1 ohm encara porta el nom d'aquest científic brillant.

Cada ingredient es pot expressar mitjançant la llei d'Ohm: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

Per no oblidar aquestes relacions, hi ha l'anomenat triangle d'Ohm, o alguna cosa semblant, que es mostra a la figura 4.

Figura 4. Triangle d'Ohm

Utilitzar-lo és molt senzill: tanqueu el valor desitjat amb el dit i les altres dues lletres us mostraran què heu de fer amb elles.

Cal recordar quin paper juga la tensió en totes aquestes fórmules, quin és el seu significat físic. El voltatge s'entén normalment com la diferència de potencial en dos punts del camp elèctric. Per facilitar la comprensió, utilitzen analogies, per regla general, amb un dipòsit, aigua i canonades.

En aquest esquema de "fontaneria", el consum d'aigua a la canonada (litres / seg) és només el corrent (coulomb / seg) i la diferència entre el nivell superior del dipòsit i l'aixeta oberta és la diferència de potencial (tensió) . A més, si la vàlvula està oberta, la pressió de sortida és igual a l'atmosfèrica, que es pot prendre com un nivell zero condicional.

En els circuits elèctrics, aquesta convenció permet prendre un punt per a un conductor comú ("terra") contra el qual es fan totes les mesures i ajustos. Molt sovint, se suposa que el terminal negatiu de la font d'alimentació és aquest cable, encara que no sempre és així.

La diferència de potencial es mesura en el volt (V), el nom del físic italià Alessandro Volta (1745-1827). Segons la definició moderna, amb una diferència de potencial d'1 V, es gasta una energia d'1 J per moure una càrrega d'1 C. L'energia consumida es reposa amb una font d'alimentació, per analogia amb un circuit de "fontaneria", serà ser una bomba que suporti el nivell d'aigua del dipòsit.