Osnove električne energije
Stari Grci promatrali su električne pojave mnogo prije nego što je počelo proučavanje elektriciteta. Dovoljno je poludragi kamen jantara istrljati vunom ili krznom jer počinje privlačiti komadiće suhe slame, papira ili paperja i perja.
Suvremeni školski pokusi koriste staklene i ebonitne šipke natrljane svilom ili vunom. U tom slučaju smatra se da na staklenoj šipki ostaje pozitivan, a na ebonitnoj šipki negativan naboj. Ove šipke također mogu privući male komadiće papira ili slično. male predmete. To je privlačnost koja je učinak električnog polja koji je proučavao Charles Coulomb.
Na grčkom se jantar naziva elektron, pa je William Hilbert (1540. - 1603.) za opisivanje takve privlačne sile predložio izraz "električni".
Godine 1891. engleski znanstvenik Stony George Johnston iznio je hipotezu o postojanju električnih čestica u tvarima koje je nazvao elektronima. Ova je izjava znatno olakšala razumijevanje električnih procesa u žicama.
Elektroni u metalima su prilično slobodni i lako se odvajaju od svojih atoma, a pod djelovanjem električnog polja, točnije, pomiču se razlike potencijala između atoma metala, stvarajući struja… Dakle, električna struja u bakrenoj žici je protok elektrona koji teče duž žice od jednog kraja do drugog.
Nisu samo metali sposobni provoditi struju. Pod određenim uvjetima, tekućine, plinovi i poluvodiči su električki vodljivi. U tim sredinama nositelji naboja su ioni, elektroni i šupljine. Ali za sada govorimo samo o metalima, jer ni u njima nije sve tako jednostavno.
Za sada je riječ o istosmjernoj struji čiji se smjer i veličina ne mijenjaju. Stoga je na električnim dijagramima moguće strelicama označiti kuda teče struja. Vjeruje se da struja teče od pozitivnog pola prema negativnom polu, što je zaključak do kojeg smo došli na početku proučavanja elektriciteta.
Kasnije se pokazalo da se elektroni zapravo kreću upravo u suprotnom smjeru — od minusa prema plusu. No unatoč tome nisu odustali od "pogrešnog" smjera, štoviše, upravo se taj smjer naziva tehničkim smjerom struje. Kakva je razlika ako lampica i dalje svijetli. Smjer gibanja elektrona naziva se pravim i najčešće se koristi u znanstvenim istraživanjima.
Ovo je ilustrirano na slici 1.
Slika 1.
Ako se prekidač neko vrijeme "baci" na bateriju, elektrolitski kondenzator C će se napuniti i na njemu će se nakupiti nešto naboja. Nakon punjenja kondenzatora, prekidač je okrenut na žarulju. Lampica treperi i gasi se - kondenzator se prazni. Sasvim je očito da trajanje bljeska ovisi o količini električnog naboja pohranjenog u kondenzatoru.
Galvanska baterija također pohranjuje električni naboj, ali mnogo više od kondenzatora. Stoga je vrijeme bljeskanja dovoljno dugo - lampa može gorjeti nekoliko sati.
Električni naboj, struja, otpor i napon
Proučavanjem električnih naboja bavio se francuski znanstvenik C. Coulomb, koji je 1785. otkrio zakon nazvan po njemu.
U formulama se električni naboj označava kao Q ili q. Fizikalni smisao ove veličine je sposobnost nabijenih tijela da stupaju u elektromagnetske interakcije: dok se naboji odbijaju, različiti se privlače. Sila međudjelovanja između naboja izravno je proporcionalna veličini naboja, a obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti. između njih. Ako je u obliku formule, izgleda ovako:
F = q1 * q2 / r2
Električni naboj elektrona je vrlo malen, pa se u praksi koristi veličina naboja koja se zove kulon... Upravo se ta vrijednost koristi u međunarodnom sustavu SI (C). Privjesak ne sadrži manje od 6,24151 * 1018 (deset na osamnaestu potenciju) elektrona. Ako se iz ovog naboja oslobodi 1 milijun elektrona u sekundi, tada će taj proces trajati do 200 tisuća godina!
Jedinica za mjerenje struje u SI sustavu je amper (A), nazvan po francuskom znanstveniku Andre Marie Ampereu (1775. — 1836.). Pri struji od 1A kroz presjek žice u 1 sekundi prođe naboj od točno 1 C. Matematička formula u ovom slučaju je sljedeća: I = Q / t.
U ovoj formuli, struja je u amperima, naboj je u kulonima, a vrijeme je u sekundama. Svi uređaji moraju odgovarati SI sustavu.
Drugim riječima, jedan privjesak se oslobađa svake sekunde. Vrlo slično brzini automobila u kilometrima na sat.Stoga, jakost električne struje nije ništa drugo nego brzina protoka električnog naboja.
Češće se u svakodnevnom životu koristi jedinica izvan sustava Amper * sat. Dovoljno je prisjetiti se automobilskih baterija, čiji je kapacitet naznačen samo u amper satima. I to svi znaju i razumiju, iako se nitko ne sjeća privjesaka u trgovinama autodijelova. Ali u isto vrijeme još uvijek postoji omjer: 1 C = 1 * / 3600 ampera * sat. Takvu količinu moguće je nazvati amper * sekunda.
U drugoj definiciji, struja od 1 A teče u vodiču otpora 1 Ω at potencijalna razlika (napon) na krajevima žice 1 V. Omjer između ovih vrijednosti određen je Ohmov zakon... Ovo je možda najvažniji električni zakon, ne kaže slučajno narodna mudrost: «Ako ne znaš Ohmov zakon, ostani doma!»
Test Ohmovog zakona
Ovaj zakon je sada svima poznat: "Struja u krugu izravno je proporcionalna naponu i obrnuto proporcionalna otporu." Čini se da postoje samo tri slova — I = U/R, svaki student će reći: «Pa što?». Ali zapravo je put do ove kratke formule bio prilično trnovit i dug.
Da biste testirali Ohmov zakon, možete sastaviti najjednostavniji strujni krug prikazan na slici 2.
Slika 2.
Istraživanje je prilično jednostavno—povećavanjem napona napajanja točku po točku na papiru, konstruirajte graf prikazan na slici 3.
Slika 3.
Čini se da bi grafikon trebao biti savršeno ravna linija, budući da se odnos I = U / R može prikazati kao U = I * R, au matematici je to ravna linija. Zapravo, s desne strane linija se savija prema dolje. Možda ne puno, ali se savija i iz nekog je razloga vrlo svestran.U tom će slučaju savijanje ovisiti o načinu zagrijavanja ispitivanog otpora. Nije uzalud napravljena od dugačke bakrene žice: možete čvrsto namotati zavojnicu na zavojnicu, možete je zatvoriti slojem azbesta, možda je temperatura u sobi danas ista, ali jučer je bila drugačije ili je u sobi propuh.
To je zato što temperatura utječe na otpor na isti način kao linearne dimenzije fizičkih tijela kada se zagrijavaju. Svaki metal ima svoj temperaturni koeficijent otpora (TCR). Ali gotovo svi znaju i sjećaju se širenja, ali zaboravljaju na promjenu električnih svojstava (otpora, kapaciteta, induktiviteta). Ali temperatura je u ovim eksperimentima najstabilniji izvor nestabilnosti.
S književnog stajališta, pokazalo se da je to prilično lijepa tautologija, ali u ovom slučaju vrlo precizno izražava bit problema.
Mnogi su znanstvenici sredinom 19. stoljeća pokušavali otkriti tu ovisnost, no nestabilnost pokusa smetala je i izazivala sumnju u istinitost dobivenih rezultata.To je uspjelo tek Georgu Simonu Ohmu (1787.-1854.) koji je uspio odbaciti sve nuspojave ili, kako kažu, vidjeti šumu za drveće. Otpor od 1 Ohma i danas nosi ime ovog briljantnog znanstvenika.
Svaki sastojak može se izraziti Ohmovim zakonom: I = U / R, U = I * R, R = U / I.
Da se ti odnosi ne bi zaboravili, postoji takozvani Ohmov trokut, ili nešto slično, prikazano na slici 4.
Slika 4. Ohmov trokut
Korištenje je vrlo jednostavno: samo prstom zatvorite željenu vrijednost i druga dva slova pokazat će vam što s njima.
Ostaje da se prisjetimo kakvu ulogu igra napetost u svim ovim formulama, koje je njeno fizičko značenje. Napon se obično shvaća kao razlika potencijala u dvije točke u električnom polju. Za lakše razumijevanje koriste analogije, u pravilu, s spremnikom, vodom i cijevima.
U ovoj "vodovodnoj" shemi potrošnja vode u cijevi (litara/s) je samo struja (kulon/s), a razlika između gornje razine u spremniku i otvorene slavine je potencijalna razlika (napon) . Također, ako je ventil otvoren, izlazni tlak je jednak atmosferskom, što se može uzeti kao uvjetna nulta razina.
U električnim krugovima, ova konvencija omogućuje uzimanje točke za zajednički vodič ("uzemljenje") prema kojem se vrše sva mjerenja i podešavanja. Najčešće se pretpostavlja da je negativni terminal napajanja ova žica, iako to nije uvijek slučaj.
Razlika potencijala mjeri se u voltu (V), nazvanom po talijanskom fizičaru Alessandru Volti (1745.-1827.). Prema suvremenoj definiciji, s potencijalnom razlikom od 1 V, energija od 1 J troši se za pomicanje naboja od 1 C. Potrošena energija se nadopunjuje izvorom energije, analogno "vodovodnom" krugu, ona će biti pumpa koja podržava razinu vode u spremniku.