Nozioni di base sull'elettricità

Gli antichi greci osservavano i fenomeni elettrici molto prima che iniziasse lo studio dell'elettricità. Basta strofinare la pietra semipreziosa d'ambra con lana o pelliccia, poiché inizia ad attrarre pezzi di paglia secca, carta o lanugine e piume.

I moderni esperimenti scolastici utilizzano bacchette di vetro ed ebanite strofinate con seta o lana. In questo caso si ritiene che rimanga una carica positiva sulla bacchetta di vetro e una carica negativa sulla bacchetta di ebanite. Queste aste possono anche attrarre piccoli pezzi di carta o simili. piccoli oggetti. È questa attrazione che è l'effetto del campo elettrico studiato da Charles Coulomb.

In greco l'ambra si chiama elettrone, quindi per descrivere una tale forza attrattiva William Hilbert (1540 - 1603) propose il termine "elettrico".

Nel 1891, lo scienziato inglese Stony George Johnston ipotizzò l'esistenza di particelle elettriche nelle sostanze, che chiamò elettroni. Questa affermazione ha reso molto più facile comprendere i processi elettrici nei fili.

Gli elettroni nei metalli sono abbastanza liberi e facilmente separati dai loro atomi, e sotto l'azione di un campo elettrico, più precisamente, le differenze di potenziale si muovono tra gli atomi di metallo, creando elettricità… Pertanto, la corrente elettrica in un filo di rame è un flusso di elettroni che scorre lungo il filo da un'estremità all'altra.

Non solo i metalli sono in grado di condurre elettricità. In determinate condizioni, liquidi, gas e semiconduttori sono elettricamente conduttivi. In questi ambienti, i portatori di carica sono ioni, elettroni e lacune. Ma per ora parliamo solo di metalli, perché anche in essi non tutto è così semplice.

Per ora stiamo parlando di corrente continua, la cui direzione e grandezza non cambiano. Pertanto, sugli schemi elettrici è possibile indicare con delle frecce dove scorre la corrente. Si ritiene che la corrente fluisca dal polo positivo al polo negativo, una conclusione raggiunta all'inizio dello studio dell'elettricità.

Successivamente si è scoperto che gli elettroni si muovono effettivamente nella direzione esattamente opposta, da meno a più. Ma nonostante ciò non hanno rinunciato alla direzione "sbagliata", inoltre proprio questa direzione è chiamata direzione tecnica della corrente. Che differenza fa se la lampada si accende ancora. La direzione del movimento degli elettroni è chiamata vera ed è spesso utilizzata nella ricerca scientifica.

Ciò è illustrato nella Figura 1.

Immagine 1.

Se l'interruttore viene "lanciato" sulla batteria per un po 'di tempo, il condensatore elettrolitico C verrà caricato e su di esso si accumulerà una certa carica. Dopo aver caricato il condensatore, l'interruttore è stato girato sulla lampadina. La lampada lampeggia e si spegne: il condensatore si scarica. È abbastanza ovvio che la durata del flash dipende dalla quantità di carica elettrica immagazzinata nel condensatore.

Una batteria galvanica immagazzina anche carica elettrica, ma molto più di un condensatore. Pertanto, il tempo di flash è abbastanza lungo: la lampada può bruciare per diverse ore.

Carica elettrica, corrente, resistenza e tensione

Lo studio delle cariche elettriche fu condotto dallo scienziato francese C. Coulomb, che nel 1785 scoprì la legge a lui intitolata.

Nelle formule, la carica elettrica è indicata come Q o q. Il significato fisico di questa grandezza è la capacità dei corpi carichi di entrare in interazioni elettromagnetiche: mentre le cariche si respingono, le diverse si attraggono.La forza di interazione tra le cariche è direttamente proporzionale alla dimensione delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza fra loro. Se è sotto forma di una formula, ha questo aspetto:

F = q1 * q2 / r2

La carica elettrica dell'elettrone è molto piccola, quindi in pratica usano l'entità della carica chiamata coulomb... È questo valore che viene utilizzato nel sistema internazionale SI (C). Un pendente contiene non meno di 6,24151 * 1018 (dieci alla diciottesima potenza) elettroni. Se da questa carica vengono rilasciati 1 milione di elettroni al secondo, questo processo durerà fino a 200 mila anni!

L'unità di misura della corrente nel sistema SI è l'Ampere (A), dal nome dello scienziato francese Andre Marie Ampere (1775 — 1836). Ad una corrente di 1A, una carica di esattamente 1 C passa attraverso la sezione trasversale del filo in 1 secondo. La formula matematica in questo caso è la seguente: I = Q / t.

In questa formula, la corrente è in ampere, la carica è in coulomb e il tempo è in secondi. Tutti i dispositivi devono essere conformi al sistema SI.

In altre parole, viene rilasciato un ciondolo al secondo. Molto simile alla velocità di un'auto in chilometri all'ora.Pertanto, la forza di una corrente elettrica non è altro che la velocità del flusso di carica elettrica.

Più spesso nella vita di tutti i giorni viene utilizzata l'unità di sistema Ampere * ora. Basta ricordare le batterie per auto, la cui capacità è indicata solo in ampere-ora. E tutti lo sanno e lo capiscono, anche se nessuno ricorda pendenti nei negozi di ricambi auto. Ma allo stesso tempo c'è ancora un rapporto: 1 C = 1 * / 3600 ampere * ora. È possibile chiamare una tale quantità ampere * secondo.

In un'altra definizione, una corrente di 1 A scorre in un conduttore di resistenza 1 Ω a differenza di potenziale (tensione) alle estremità del filo 1 V. Il rapporto tra questi valori è determinato da Legge di Ohm... Questa è forse la legge elettrica più importante, non a caso la saggezza popolare dice: «Se non conosci la legge di Ohm, resta a casa!»

Il test della legge di Ohm

Questa legge è ormai nota a tutti: «La corrente nel circuito è direttamente proporzionale alla tensione e inversamente proporzionale alla resistenza». Sembra che ci siano solo tre lettere — I = U / R, ogni studente dirà: «E allora?». Ma in realtà la strada per questa breve formula è stata piuttosto spinosa e lunga.

Per testare la legge di Ohm, puoi assemblare il circuito più semplice mostrato nella Figura 2.

Figura 2.

L'indagine è abbastanza semplice: aumentando la tensione di alimentazione punto per punto sulla carta, costruisci il grafico mostrato in Figura 3.

Figura 3.

Sembra che il grafico dovrebbe risultare una linea perfettamente retta, poiché la relazione I = U / R può essere rappresentata come U = I * R, e in matematica è una linea retta. Infatti, sul lato destro, la linea si piega verso il basso. Forse non molto, ma si piega e per qualche ragione è molto versatile.In questo caso, la flessione dipenderà dal metodo di riscaldamento della resistenza testata. Non per niente è fatto di un lungo filo di rame: puoi avvolgere strettamente una bobina a una bobina, puoi chiuderla con uno strato di amianto, forse la temperatura nella stanza oggi è la stessa, ma ieri lo era diverso, o c'è una corrente d'aria nella stanza.

Questo perché la temperatura influisce sulla resistenza allo stesso modo delle dimensioni lineari dei corpi fisici quando vengono riscaldati. Ogni metallo ha il proprio coefficiente di resistenza alla temperatura (TCR). Ma quasi tutti conoscono e ricordano l'espansione, ma dimenticano il cambiamento delle proprietà elettriche (resistenza, capacità, induttanza). Ma la temperatura in questi esperimenti è la fonte più stabile di instabilità.

Da un punto di vista letterario si è rivelata una tautologia piuttosto bella, ma in questo caso esprime molto accuratamente l'essenza del problema.

Molti scienziati a metà dell'800 tentarono di scoprire questa dipendenza, ma l'instabilità degli esperimenti interferiva e sollevava dubbi sulla veridicità dei risultati ottenuti.Ci riuscì solo Georg Simon Ohm (1787-1854), che riuscì a respingere tutti gli effetti collaterali o, come si suol dire, vedere la foresta per gli alberi. La resistenza da 1 Ohm porta ancora il nome di questo geniale scienziato.

Ogni ingrediente può essere espresso dalla legge di Ohm: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

Per non dimenticare queste relazioni, c'è il cosiddetto Triangolo di Ohm, o qualcosa di simile, mostrato in Figura 4.

Figura 4. Triangolo di Ohm

Usarlo è molto semplice: basta chiudere il valore desiderato con il dito e le altre due lettere ti mostreranno cosa farne.

Resta da ricordare quale ruolo gioca la tensione in tutte queste formule, qual è il suo significato fisico. La tensione è solitamente intesa come la differenza di potenziale in due punti nel campo elettrico. Per una più facile comprensione, usano analogie, di regola, con un serbatoio, acqua e tubi.

In questo schema "idraulico", il consumo di acqua nel tubo (litri / sec) è solo la corrente (coulomb / sec), e la differenza tra il livello superiore nel serbatoio e il rubinetto aperto è la differenza di potenziale (tensione) . Inoltre, se la valvola è aperta, la pressione di uscita è uguale a quella atmosferica, che può essere presa come livello zero condizionale.

Nei circuiti elettrici, questa convenzione consente di prendere un punto per un conduttore comune ("massa") rispetto al quale vengono effettuate tutte le misurazioni e le regolazioni. Molto spesso, si presume che il terminale negativo dell'alimentatore sia questo filo, sebbene non sia sempre così.

La differenza di potenziale è misurata in volt (V), dal nome del fisico italiano Alessandro Volta (1745-1827). Secondo la definizione moderna, con una differenza potenziale di 1 V, viene spesa un'energia di 1 J per spostare una carica di 1 C. L'energia consumata viene reintegrata da una fonte di alimentazione, per analogia con un circuito «idraulico», sarà essere una pompa che sostiene il livello dell'acqua nel serbatoio.