elektriğin temelleri
Eski Yunanlılar, elektrikle ilgili çalışmalar başlamadan çok önce elektrik olaylarını gözlemlediler. Yarı değerli kehribar taşını yün veya kürkle ovmak, kuru saman, kağıt veya tüy parçalarını çekmeye başladığı için yeterlidir.
Modern okul deneyleri, ipek veya yünle ovuşturulmuş cam ve ebonit çubuklar kullanır. Bu durumda cam çubukta pozitif, ebonit çubukta negatif yük kaldığı kabul edilir. Bu çubuklar aynı zamanda küçük kağıt parçalarını veya benzerlerini de çekebilir. küçük nesneler. Charles Coulomb tarafından incelenen elektrik alan etkisi işte bu çekimdir.
Yunanca kehribara elektron denir, bu nedenle böyle çekici bir kuvveti tanımlamak için William Hilbert (1540 - 1603) "elektrik" terimini önerdi.
1891'de İngiliz bilim adamı Stony George Johnston, elektron adını verdiği maddelerde elektriksel parçacıkların varlığını varsaydı. Bu ifade, tellerdeki elektriksel işlemlerin anlaşılmasını çok daha kolaylaştırdı.
Metallerdeki elektronlar oldukça serbesttir ve atomlarından kolayca ayrılır ve bir elektrik alanının etkisi altında, daha kesin olarak, potansiyel farklar metal atomları arasında hareket ederek yaratarak elektrik… Böylece, bir bakır teldeki elektrik akımı, tel boyunca bir uçtan diğerine akan bir elektron akışıdır.
Elektriği iletebilen sadece metaller değildir. Belirli koşullar altında sıvılar, gazlar ve yarı iletkenler elektriksel olarak iletkendir. Bu ortamlarda yük taşıyıcılar iyonlar, elektronlar ve deliklerdir. Ama şimdilik sadece metallerden bahsediyoruz çünkü onlarda bile her şey o kadar basit değil.
Şimdilik yönü ve büyüklüğü değişmeyen doğru akımdan bahsediyoruz. Bu nedenle, elektrik şemalarında akımın aktığı yeri oklarla belirtmek mümkündür. Akımın pozitif kutuptan negatif kutba doğru aktığına inanılıyor, bu sonuca elektrik çalışmasında erken ulaşıldı.
Daha sonra, elektronların aslında tam tersi yönde - eksiden artıya - hareket ettiği ortaya çıktı. Ancak buna rağmen "yanlış" yönden vazgeçmediler, üstelik bu yön akımın teknik yönü olarak adlandırılıyor. Lamba hala yanıyorsa ne fark eder? Elektronların hareket yönü doğru olarak adlandırılır ve çoğunlukla bilimsel araştırmalarda kullanılır.
Bu, Şekil 1'de gösterilmektedir.
Resim 1.
Anahtar bir süre aküye "atılırsa", elektrolitik kondansatör C şarj olur ve üzerinde bir miktar şarj birikecektir. Kondansatörü şarj ettikten sonra, anahtar ampule çevrildi. Lamba yanıp söner ve söner - kondansatör boşalır. Flaş süresinin kapasitörde depolanan elektrik yükü miktarına bağlı olduğu oldukça açıktır.
Bir galvanik pil de elektrik yükünü depolar, ancak bir kondansatörden çok daha fazlasını depolar. Bu nedenle, flaş süresi yeterince uzundur - lamba birkaç saat yanabilir.
Elektrik yükü, akım, direnç ve gerilim
Elektrik yüklerinin incelenmesi, 1785 yılında kendi adını taşıyan yasayı keşfeden Fransız bilim adamı C. Coulomb tarafından gerçekleştirildi.
Formüllerde elektrik yükü Q veya q olarak gösterilir. Bu miktarın fiziksel anlamı, yüklü cisimlerin elektromanyetik etkileşimlere girme yeteneğidir: yükler iterken, farklı olanlar çeker.Yükler arasındaki etkileşimin kuvveti, yüklerin boyutuyla doğru orantılıdır ve mesafenin karesiyle ters orantılıdır. onların arasında. Bir formül biçimindeyse, şöyle görünür:
F = q1 * q2 / r2
Elektronun elektrik yükü çok küçüktür, bu nedenle pratikte yükün büyüklüğünü kullanırlar. kulomb... Uluslararası SI (C) sisteminde kullanılan bu değerdir. Bir kolye en az 6.24151 * 1018 (onun on sekizinci kuvveti) elektron içerir. Bu yükten saniyede 1 milyon elektron salınırsa, bu süreç 200 bin yıla kadar sürer!
SI sistemindeki akımın ölçü birimi, adını Fransız bilim adamı Andre Marie Ampere'den (1775 - 1836) alan Amper'dir (A). 1A'lık bir akımda, telin kesitinden 1 saniyede tam olarak 1 C'lik bir yük geçer. Bu durumda matematiksel formül aşağıdaki gibidir: I = Q / t.
Bu formülde akım amper, yük coulomb ve zaman saniye cinsindendir. Tüm cihazlar SI sistemine uygun olmalıdır.
Başka bir deyişle, saniyede bir pandantif salınır. Saatte kilometre cinsinden bir arabanın hızına çok benzer.Bu nedenle, bir elektrik akımının gücü, elektrik yükünün akış hızından başka bir şey değildir.
Günlük yaşamda daha sık sistem dışı birim Ampere * saat kullanılır. Kapasitesi sadece amper-saat olarak belirtilen araba akülerini hatırlamak yeterlidir. Ve bunu herkes biliyor ve anlıyor, ancak kimse otomobil parçası mağazalarındaki herhangi bir kolyeyi hatırlamıyor. Ancak aynı zamanda hala bir oran var: 1 C = 1 * / 3600 amper * saat. Böyle bir miktar amper * saniye olarak adlandırılabilir.
Başka bir tanımda, direnci 1 Ω olan bir iletkende 1 A'lık bir akım akar. potansiyel fark (voltaj) telin uçlarında 1 V. Bu değerler arasındaki oran şu şekilde belirlenir: Ohm Yasası... Bu belki de en önemli elektrik yasasıdır, halk bilgeliğinin "Ohm yasasını bilmiyorsanız, evde kalın!"
Ohm Yasası Testi
Bu yasa artık herkes tarafından biliniyor: "Devredeki akım, voltajla doğru orantılı ve dirençle ters orantılıdır." Görünüşe göre sadece üç harf var - I = U / R, her öğrenci "Ne olmuş yani?" diyecektir. Ama aslında bu kısa formüle giden yol oldukça çetrefilli ve uzundu.
Ohm yasasını test etmek için Şekil 2'de gösterilen en basit devreyi kurabilirsiniz.
Şekil 2.
İnceleme oldukça basit; besleme voltajını kağıt üzerinde nokta nokta artırarak, Şekil 3'te gösterilen grafiği oluşturun.
Figür 3.
Görünüşe göre grafiğin tamamen düz bir çizgi olması gerekiyor, çünkü I = U / R ilişkisi U = I * R olarak gösterilebilir ve matematikte bu düz bir çizgidir. Aslında, sağ tarafta çizgi aşağı doğru kıvrılır. Belki çok değil ama bükülüyor ve nedense çok yönlü.Bu durumda bükülme, test edilen direnci ısıtma yöntemine bağlı olacaktır. Uzun bir bakır telden yapılmış olması boşuna değil: Bir bobini bir bobine sıkıca sarabilirsiniz, bir asbest tabakasıyla kapatabilirsiniz, belki bugün odadaki sıcaklık aynıdır, ancak dün farklı veya odada bir hava akımı var.
Bunun nedeni, sıcaklığın direnci, ısıtıldığında fiziksel bedenlerin doğrusal boyutlarıyla aynı şekilde etkilemesidir. Her metalin kendi sıcaklık direnç katsayısı (TCR) vardır. Ancak hemen hemen herkes genişlemeyi bilir ve hatırlar, ancak elektriksel özelliklerdeki (direnç, kapasitans, endüktans) değişimi unutun. Ancak bu deneylerdeki sıcaklık, en kararlı kararsızlık kaynağıdır.
Edebi açıdan oldukça güzel bir totoloji olduğu ortaya çıktı, ancak bu durumda sorunun özünü çok doğru bir şekilde ifade ediyor.
19. yüzyılın ortalarında birçok bilim adamı bu bağımlılığı keşfetmeye çalıştı, ancak deneylerin istikrarsızlığı araya girdi ve elde edilen sonuçların doğruluğu hakkında şüpheler uyandırdı.Bunu sadece reddetmeyi başaran Georg Simon Ohm (1787-1854) başardı. tüm yan etkiler veya dedikleri gibi, ağaçlar için ormanı görmek. 1 Ohm direnci hala bu parlak bilim adamının adını taşıyor.
Her bileşen Ohm yasası ile ifade edilebilir: I = U / R, U = I * R, R = U / I.
Bu ilişkileri unutmamak için Şekil 4'te gösterilen Ohm Üçgeni veya benzeri bir şey var.
Şekil 4. Ohm üçgeni
Kullanımı çok basit: sadece parmağınızla istenen değeri kapatın ve diğer iki harf size onlarla ne yapacağınızı gösterecektir.
Tüm bu formüllerde gerilimin hangi rolü oynadığını, fiziksel anlamının ne olduğunu hatırlamaya devam ediyor. Gerilim genellikle elektrik alanındaki iki noktadaki potansiyel fark olarak anlaşılır. Daha kolay anlamak için, kural olarak bir tank, su ve borularla analojiler kullanırlar.
Bu "sıhhi tesisat" şemasında, borudaki su tüketimi (litre/sn) sadece akımdır (coulomb/sn) ve tanktaki üst seviye ile açık musluk arasındaki fark potansiyel farktır (gerilim) . Ayrıca, valf açıksa, çıkış basıncı atmosferik basınca eşittir ve bu koşullu sıfır seviyesi olarak alınabilir.
Elektrik devrelerinde bu kural, ortak bir iletken ("toprak") için tüm ölçümlerin ve ayarlamaların yapıldığı bir nokta almayı mümkün kılar. Çoğu zaman, güç kaynağının negatif terminalinin bu tel olduğu varsayılır, ancak bu her zaman böyle değildir.
Potansiyel fark, İtalyan fizikçi Alessandro Volta'nın (1745-1827) adını taşıyan volt (V) cinsinden ölçülür. Modern tanıma göre, 1 V'luk bir potansiyel farkla, 1 C'lik bir yükü hareket ettirmek için 1 J'lik bir enerji harcanır. tanktaki su seviyesini destekleyen bir pompa olun.