יסודות החשמל

היוונים הקדמונים צפו בתופעות חשמליות הרבה לפני שהחל חקר החשמל. מספיק לשפשף את אבן הענבר היקרה למחצה עם צמר או פרווה, מכיוון שהיא מתחילה למשוך חתיכות של קש יבש, נייר או מוך ונוצות.

ניסויים בבית ספר מודרניים משתמשים במוטות זכוכית ואבוניט משופשפים במשי או בצמר. במקרה זה, נחשב שנשאר מטען חיובי על מוט הזכוכית, ומטען שלילי על מוט האבוניט. מוטות אלו יכולים למשוך גם פיסות נייר קטנות וכדומה. חפצים קטנים. אטרקציה זו היא אפקט השדה החשמלי שנחקר על ידי צ'ארלס קולומב.

ביוונית, ענבר נקרא אלקטרון, אז כדי לתאר כוח מושך כזה, וויליאם הילברט (1540 - 1603) הציע את המונח "חשמלי".

בשנת 1891, המדען האנגלי סטוני ג'ורג' ג'ונסטון שיער את קיומם של חלקיקים חשמליים בחומרים, אותם כינה אלקטרונים. הצהרה זו הקלה בהרבה על הבנת תהליכים חשמליים בחוטים.

אלקטרונים במתכות הם די חופשיים ומופרדים בקלות מהאטומים שלהם, ותחת פעולת שדה חשמלי, ליתר דיוק, הבדלי פוטנציאל נעים בין אטומי מתכת, ויוצרים חַשְׁמַל... לפיכך, הזרם החשמלי בחוט נחושת הוא זרימה של אלקטרונים הזורמים לאורך החוט מקצה אחד לקצה השני.

לא רק מתכות מסוגלות להוביל חשמל. בתנאים מסוימים, נוזלים, גזים ומוליכים למחצה מוליכים חשמלית. בסביבות אלה, נושאי מטען הם יונים, אלקטרונים וחורים. אבל בינתיים אנחנו מדברים רק על מתכות, כי גם בהן הכל לא כל כך פשוט.

לעת עתה, אנו מדברים על זרם ישר, שכיוונו וגודלו אינם משתנים. לכן, בדיאגרמות חשמליות ניתן לציין בחצים היכן זורם הזרם. מאמינים כי זרם זורם מהקוטב החיובי אל הקוטב השלילי, מסקנה שהושגה מוקדם בחקר החשמל.

מאוחר יותר התברר שהאלקטרונים בעצם נעים בדיוק בכיוון ההפוך - ממינוס לפלוס. אך למרות זאת, הם לא ויתרו על הכיוון ה"שגוי", יתרה מכך, כיוון זה בדיוק נקרא הכיוון הטכני של הזרם. מה זה משנה אם המנורה עדיין נדלקת. כיוון התנועה של האלקטרונים נקרא נכון והוא משמש לרוב במחקר מדעי.

זה מודגם באיור 1.

תמונה 1.

אם המתג "נזרק" לסוללה למשך זמן מה, הקבל האלקטרוליטי C ייטען ויצטבר עליו מעט מטען. לאחר טעינת הקבל, המתג הופנה לנורה. המנורה מהבהבת וכבה - הקבל מתפרק. די ברור שמשך ההבזק תלוי בכמות המטען החשמלי המאוחסן בקבל.

סוללה גלוונית אוגרת גם מטען חשמלי, אבל הרבה יותר מאשר קבל. לכן, זמן ההבזק ארוך מספיק - המנורה יכולה לבעור במשך מספר שעות.

מטען חשמלי, זרם, התנגדות ומתח

חקר המטענים החשמליים בוצע על ידי המדען הצרפתי סי קולומב, שב-1785 גילה את החוק הקרוי על שמו.

בנוסחאות, מטען חשמלי מסומן כ-Q או q. המשמעות הפיזית של כמות זו היא היכולת של גופים טעונים להיכנס לאינטראקציות אלקטרומגנטיות: כאשר מטענים דוחים, שונים מושכים. כוח האינטראקציה בין המטענים עומד ביחס ישר לגודל המטענים וביחס הפוך לריבוע המרחק ביניהם. אם זה בצורה של נוסחה, זה נראה כך:

F = q1 * q2 / r2

המטען החשמלי של האלקטרון קטן מאוד, ולכן בפועל משתמשים בגודל המטען הנקרא קולומב... הערך הזה הוא שמשמש במערכת הבינלאומית SI (C). תליון מכיל לא פחות מ-6.24151 * 1018 אלקטרונים (עשרה עד החזקת השמונה עשרה). אם 1 מיליון אלקטרונים בשנייה ישוחררו מהמטען הזה, התהליך הזה יימשך עד 200 אלף שנה!

יחידת המדידה של הזרם במערכת SI היא אמפר (A), על שם המדען הצרפתי אנדרה מארי אמפר (1775 - 1836). בזרם של 1A, מטען של 1 C בדיוק עובר בחתך הרוחב של החוט בשנייה אחת. הנוסחה המתמטית במקרה זה היא כדלקמן: I = Q / t.

בנוסחה זו, הזרם הוא באמפר, המטען הוא בקולומב והזמן הוא בשניות. כל המכשירים חייבים להתאים למערכת SI.

במילים אחרות, תליון אחד משתחרר בשנייה. דומה מאוד למהירות של מכונית בקילומטרים לשעה.לכן, חוזק זרם חשמלי אינו אלא קצב זרימת המטען החשמלי.

לעתים קרובות יותר בחיי היומיום, נעשה שימוש ביחידה מחוץ למערכת אמפר * שעה. זה מספיק כדי להיזכר בסוללות מכוניות, שהקיבולת שלהן מצוינת רק באמפר-שעות. וכולם יודעים ומבינים זאת, למרות שאף אחד לא זוכר שום תליונים בחנויות לחלפים לרכב. אבל באותו זמן עדיין יש יחס: 1 C = 1 * / 3600 אמפר * שעה. אפשר לקרוא לכמות כזו אמפר * שנייה.

בהגדרה אחרת, זרם של 1 A זורם במוליך עם התנגדות של 1 Ω ב הפרש פוטנציאל (מתח) בקצות החוט 1 V. היחס בין ערכים אלה נקבע על ידי חוק אוהם... זה אולי חוק החשמל החשוב ביותר, לא סתם חוכמה עממית אומרת: «אם אינך יודע את חוק אוהם, הישארי בבית!»

מבחן חוק אוהם

חוק זה ידוע כעת לכולם: "הזרם במעגל הוא פרופורציונלי ישר למתח ויחס הפוך להתנגדות." נראה שיש רק שלוש אותיות - I = U / R, כל תלמיד יגיד: "אז מה?". אבל למעשה הדרך לנוסחה הקצרה הזו הייתה די קוצנית וארוכה.

כדי לבדוק את חוק אוהם, אתה יכול להרכיב את המעגל הפשוט ביותר שמוצג באיור 2.

איור 2.

החקירה פשוטה למדי - על ידי הגדלת מתח האספקה ​​נקודה אחר נקודה על הנייר, בנה את הגרף המוצג באיור 3.

איור 3.

נראה שהגרף אמור להתברר כקו ישר לחלוטין, שכן ניתן לייצג את הקשר I = U / R כ-U = I * R, ובמתמטיקה זהו קו ישר. למעשה, בצד ימין, הקו מתכופף למטה. אולי לא הרבה, אבל הוא מתכופף ומשום מה הוא מאוד תכליתי.במקרה זה, הכיפוף יהיה תלוי בשיטת חימום ההתנגדות שנבדקה. לא בכדי הוא עשוי מחוט נחושת ארוך: אפשר לסובב בחוזקה סליל לסליל, אפשר לסגור אותו בשכבת אסבסט, אולי הטמפרטורה בחדר היום זהה, אבל אתמול זה היה שונה, או שיש טיוטה בחדר.

הסיבה לכך היא שהטמפרטורה משפיעה על ההתנגדות באותו אופן כמו הממדים הליניאריים של גופים פיזיים כאשר הם מחוממים. לכל מתכת יש מקדם התנגדות טמפרטורה משלה (TCR). אבל כמעט כולם יודעים וזוכרים על הרחבה, אבל תשכחו מהשינוי בתכונות החשמליות (התנגדות, קיבול, השראות). אבל הטמפרטורה בניסויים האלה היא המקור היציב ביותר לחוסר יציבות.

מנקודת מבט ספרותית, התברר שזו טאוטולוגיה יפה למדי, אבל במקרה זה היא מבטאת בצורה מדויקת מאוד את מהות הבעיה.

מדענים רבים באמצע המאה ה-19 ניסו לגלות תלות זו, אך חוסר היציבות של הניסויים הפריעה והעלתה ספקות לגבי אמיתות התוצאות שהתקבלו. רק גיאורג סימון אוהם (1787-1854) הצליח בכך, שהצליח לדחות כל תופעות הלוואי או, כמו שאומרים, לראות את היער בגלל העצים. ההתנגדות של 1 אוהם עדיין נושאת את שמו של המדען המבריק הזה.

ניתן לבטא כל מרכיב על ידי חוק אוהם: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

כדי לא לשכוח את היחסים האלה, יש את מה שנקרא משולש אוהם, או משהו דומה, המוצג באיור 4.

איור 4. המשולש של אוהם

השימוש בו פשוט מאוד: פשוט סגרו את הערך הרצוי עם האצבע ושתי האותיות האחרות יראו לכם מה לעשות איתן.

נותר להיזכר איזה תפקיד ממלא המתח בכל הנוסחאות הללו, מהי המשמעות הפיזית שלו. מתח מובן בדרך כלל כהפרש הפוטנציאל בשתי נקודות בשדה החשמלי. להבנה קלה יותר, הם משתמשים באנלוגיות, ככלל, עם מיכל, מים וצינורות.

בתכנית "אינסטלציה" זו, צריכת המים בצינור (ליטר/שנייה) היא רק הזרם (קולומב/שנייה), וההבדל בין המפלס העליון במיכל לברז הפתוח הוא הפרש הפוטנציאלים (מתח) . כמו כן, אם השסתום פתוח, לחץ היציאה שווה לאטמוספרי, שניתן לקחת אותו כרמת אפס מותנית.

במעגלים חשמליים, מוסכמה זו מאפשרת לקחת נקודה עבור מוליך משותף ("אדמה") שכנגדו מתבצעות כל המדידות וההתאמות. לרוב, ההנחה היא שהטרמינל השלילי של ספק הכוח הוא חוט זה, אם כי זה לא תמיד המקרה.

הפרש פוטנציאלי נמדד בוולט (V), על שמו של הפיזיקאי האיטלקי אלסנדרו וולטה (1745-1827). על פי ההגדרה המודרנית, עם הפרש פוטנציאל של 1 V, אנרגיה של 1 J מושקעת כדי להזיז מטען של 1 C. האנרגיה הנצרכת מתחדשת על ידי מקור כוח, באנלוגיה למעגל "אינסטלציה", היא תתחדש. להיות משאבה שתומכת במפלס המים במיכל.