Basisprincipes van elektriciteit

De oude Grieken observeerden elektrische verschijnselen lang voordat de studie van elektriciteit begon. Het is voldoende om de halfedelstenen ambersteen met wol of bont te wrijven, omdat het stukjes droog stro, papier of pluisjes en veren begint aan te trekken.

Moderne schoolexperimenten gebruiken staven van glas en eboniet die zijn ingewreven met zijde of wol. In dit geval wordt ervan uitgegaan dat er een positieve lading op de glazen staaf achterblijft en een negatieve lading op de ebonietstaaf. Deze staafjes kunnen ook kleine stukjes papier of iets dergelijks aantrekken. kleine voorwerpen. Het is deze aantrekkingskracht die het elektrische veldeffect is dat werd bestudeerd door Charles Coulomb.

In het Grieks wordt barnsteen elektron genoemd, dus om zo'n aantrekkingskracht te beschrijven, stelde William Hilbert (1540 - 1603) de term "elektrisch" voor.

In 1891 veronderstelde de Engelse wetenschapper Stony George Johnston het bestaan ​​van elektrische deeltjes in stoffen, die hij elektronen noemde. Deze verklaring maakte het veel gemakkelijker om elektrische processen in draden te begrijpen.

Elektronen in metalen zijn vrij vrij en gemakkelijk gescheiden van hun atomen, en onder invloed van een elektrisch veld, meer precies, bewegen potentiaalverschillen tussen metaalatomen, waardoor elektriciteit… De elektrische stroom in een koperdraad is dus een stroom van elektronen die langs de draad van het ene uiteinde naar het andere stroomt.

Niet alleen metalen kunnen elektriciteit geleiden. Onder bepaalde omstandigheden zijn vloeistoffen, gassen en halfgeleiders elektrisch geleidend. In deze omgevingen zijn ladingsdragers ionen, elektronen en gaten. Maar voorlopig hebben we het alleen over metalen, want zelfs daarin is alles niet zo eenvoudig.

Voor nu hebben we het over gelijkstroom, waarvan de richting en grootte niet veranderen. Daarom is het op elektrische schema's mogelijk om met pijlen aan te geven waar de stroom loopt. Aangenomen wordt dat stroom van de positieve pool naar de negatieve pool stroomt, een conclusie die al vroeg in de studie van elektriciteit werd getrokken.

Later bleek dat de elektronen eigenlijk precies in de tegenovergestelde richting bewegen - van min naar plus. Maar ondanks dit gaven ze de "verkeerde" richting niet op, bovendien wordt deze richting de technische richting van de stroom genoemd. Wat maakt het uit of de lamp nog brandt. De bewegingsrichting van de elektronen wordt waar genoemd en wordt het meest gebruikt in wetenschappelijk onderzoek.

Dit wordt geïllustreerd in figuur 1.

Foto 1.

Als de schakelaar enige tijd naar de batterij wordt "gegooid", wordt de elektrolytische condensator C opgeladen en zal er zich enige lading op ophopen. Na het opladen van de condensator werd de schakelaar op de lamp gezet. De lamp knippert en gaat uit - de condensator ontlaadt. Het is vrij duidelijk dat de duur van de flits afhangt van de hoeveelheid elektrische lading die in de condensator is opgeslagen.

Een galvanische batterij slaat ook elektrische lading op, maar veel meer dan een condensator. Daarom is de flitstijd lang genoeg - de lamp kan meerdere uren branden.

Elektrische lading, stroom, weerstand en spanning

De studie van elektrische ladingen werd uitgevoerd door de Franse wetenschapper C. Coulomb, die in 1785 de naar hem vernoemde wet ontdekte.

In formules wordt elektrische lading aangeduid als Q of q. De fysieke betekenis van deze grootheid is het vermogen van geladen lichamen om elektromagnetische interacties aan te gaan: terwijl ladingen elkaar afstoten, trekken verschillende ladingen elkaar aan.De kracht van interactie tussen ladingen is recht evenredig met de grootte van de ladingen en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen hen. Als het de vorm van een formule heeft, ziet het er zo uit:

F = q1 * q2 / r2

De elektrische lading van het elektron is erg klein, dus in de praktijk gebruiken ze de grootte van de lading die de coulomb wordt genoemd... Het is deze waarde die wordt gebruikt in het internationale systeem SI (C). Een hanger bevat maar liefst 6,24151 * 1018 (tien tot de achttiende macht) elektronen. Als uit deze lading 1 miljoen elektronen per seconde vrijkomen, dan duurt dit proces wel 200 duizend jaar!

De meeteenheid van stroom in het SI-systeem is de Ampère (A), genoemd naar de Franse wetenschapper Andre Marie Ampere (1775 - 1836). Bij een stroom van 1A gaat er in 1 seconde een lading van precies 1 C door de doorsnede van de draad. De wiskundige formule is in dit geval als volgt: I = Q / t.

In deze formule is de stroom in ampère, de lading in coulombs en de tijd in seconden. Alle apparaten moeten voldoen aan het SI-systeem.

Met andere woorden, er wordt één hanger per seconde vrijgegeven. Zeer vergelijkbaar met de snelheid van een auto in kilometers per uur.Daarom is de sterkte van een elektrische stroom niets meer dan de stroomsnelheid van elektrische lading.

Vaker in het dagelijks leven wordt de off-systeemeenheid Ampere * uur gebruikt. Het volstaat om autobatterijen terug te roepen, waarvan de capaciteit alleen in ampère-uren wordt aangegeven. En iedereen weet en begrijpt dit, hoewel niemand zich hangers in auto-onderdelenwinkels herinnert. Maar tegelijkertijd is er nog steeds een verhouding: 1 C = 1 * / 3600 ampère * uur. Het is mogelijk om zo'n grootheid ampère * seconde te noemen.

In een andere definitie vloeit er een stroom van 1 A in een geleider met een weerstand van 1 Ω bij potentiaalverschil (spanning) aan de uiteinden van de draad 1 V. De verhouding tussen deze waarden wordt bepaald door De wet van Ohm... Dit is misschien wel de belangrijkste elektrische wet, het is geen toeval dat volkswijsheid zegt: «Als je de wet van Ohm niet kent, blijf dan thuis!»

De wet van Ohm-test

Deze wet is nu bij iedereen bekend: «De stroom in het circuit is recht evenredig met de spanning en omgekeerd evenredig met de weerstand.» Het lijkt erop dat er maar drie letters zijn - I = U / R, elke student zal zeggen: «Nou en?». Maar eigenlijk was de weg naar deze korte formule behoorlijk netelig en lang.

Om de wet van Ohm te testen, kunt u het eenvoudigste circuit samenstellen dat wordt weergegeven in figuur 2.

Figuur 2.

Het onderzoek is vrij eenvoudig: door de voedingsspanning punt voor punt op het papier te verhogen, maakt u de grafiek in figuur 3.

Figuur 3.

Het lijkt erop dat de grafiek een perfect rechte lijn moet blijken te zijn, aangezien de relatie I = U / R kan worden weergegeven als U = I * R, en in de wiskunde is het een rechte lijn. In feite buigt de lijn aan de rechterkant naar beneden. Misschien niet veel, maar het buigt en is om de een of andere reden erg veelzijdig.In dit geval hangt de buiging af van de methode om de geteste weerstand te verwarmen. Het is niet voor niets gemaakt van een lange koperdraad: je kunt een spoel strak op een spoel wikkelen, je kunt hem afsluiten met een laag asbest, misschien is de temperatuur in de kamer vandaag hetzelfde, maar gisteren was het anders of er is tocht in de kamer.

Dit komt omdat temperatuur de weerstand op dezelfde manier beïnvloedt als de lineaire afmetingen van fysieke lichamen bij verhitting. Elk metaal heeft zijn eigen temperatuurcoëfficiënt van weerstand (TCR). Maar bijna iedereen weet en onthoudt over expansie, maar vergeet de verandering in elektrische eigenschappen (weerstand, capaciteit, inductantie). Maar temperatuur in deze experimenten is de meest stabiele bron van instabiliteit.

Vanuit literair oogpunt bleek het een vrij mooie tautologie te zijn, maar in dit geval geeft het heel nauwkeurig de essentie van het probleem weer.

Veel wetenschappers probeerden in het midden van de 19e eeuw deze afhankelijkheid te ontdekken, maar de instabiliteit van de experimenten interfereerde en deed twijfels rijzen over de waarheid van de verkregen resultaten.Alleen Georg Simon Ohm (1787-1854) slaagde hierin, die erin slaagde te verwerpen alle bijwerkingen of, zoals ze zeggen, om door de bomen het bos te zien. De weerstand van 1 Ohm draagt ​​nog steeds de naam van deze briljante wetenschapper.

Elk ingrediënt kan worden uitgedrukt door de wet van Ohm: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

Om deze relaties niet te vergeten, is er de zogenaamde driehoek van Ohm, of iets dergelijks, weergegeven in figuur 4.

Figuur 4. De driehoek van Ohm

Het gebruik ervan is heel eenvoudig: sluit gewoon de gewenste waarde met uw vinger en de andere twee letters laten u zien wat u ermee moet doen.

Het blijft ons herinneren welke rol spanning speelt in al deze formules, wat de fysieke betekenis ervan is. Spanning wordt meestal begrepen als het potentiaalverschil op twee punten in het elektrische veld. Voor een beter begrip gebruiken ze in de regel analogieën met een tank, water en leidingen.

In dit "sanitair" -schema is het waterverbruik in de leiding (liter / sec) alleen de stroom (coulomb / sec), en het verschil tussen het bovenste niveau in de tank en de open kraan is het potentiaalverschil (spanning) . Als de klep open is, is de uitlaatdruk ook gelijk aan de atmosferische druk, wat kan worden beschouwd als een voorwaardelijk nulniveau.

In elektrische circuits maakt deze conventie het mogelijk om een ​​punt te nemen voor een gemeenschappelijke geleider ("aarde") waartegen alle metingen en aanpassingen worden uitgevoerd. Meestal wordt aangenomen dat de minpool van de voeding deze draad is, hoewel dit niet altijd het geval is.

Potentiaalverschil wordt gemeten in de volt (V), genoemd naar de Italiaanse natuurkundige Alessandro Volta (1745-1827). Volgens de moderne definitie wordt bij een potentiaalverschil van 1 V een energie van 1 J verbruikt om een ​​lading van 1 C te verplaatsen. De verbruikte energie wordt aangevuld door een stroombron, naar analogie met een «sanitair» circuit, zal het een pomp zijn die het waterniveau in de tank ondersteunt.