Khái niệm cơ bản về điện

Người Hy Lạp cổ đại đã quan sát các hiện tượng điện từ rất lâu trước khi bắt đầu nghiên cứu về điện. Chỉ cần chà xát đá hổ phách bán quý bằng len hoặc lông thú, vì nó bắt đầu thu hút những mảnh rơm khô, giấy hoặc lông tơ và lông vũ.

Các thí nghiệm trường học hiện đại sử dụng thủy tinh và thanh ebonit cọ xát với lụa hoặc len. Trong trường hợp này, người ta coi rằng điện tích dương vẫn còn trên thanh thủy tinh và điện tích âm trên thanh ebonit. Những thanh này cũng có thể hút những mảnh giấy nhỏ hoặc những thứ tương tự. đồ vật nhỏ. Chính lực hút này là hiệu ứng điện trường đã được Charles Coulomb nghiên cứu.

Trong tiếng Hy Lạp, hổ phách được gọi là electron, để mô tả lực hấp dẫn như vậy, William Hilbert (1540 - 1603) đã đề xuất thuật ngữ "điện".

Năm 1891, nhà khoa học người Anh Stony George Johnston đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của các hạt điện trong các chất mà ông gọi là electron. Tuyên bố này làm cho việc hiểu các quá trình điện trong dây dẫn trở nên dễ dàng hơn nhiều.

Các electron trong kim loại khá tự do và dễ dàng tách ra khỏi nguyên tử của chúng, đồng thời dưới tác dụng của điện trường, chính xác hơn là sự chênh lệch thế năng di chuyển giữa các nguyên tử kim loại, tạo ra điện… Như vậy, dòng điện trong dây dẫn đồng là dòng êlectron chạy dọc theo dây dẫn từ đầu này sang đầu kia.

Không chỉ kim loại mới có khả năng dẫn điện. Trong những điều kiện nhất định, chất lỏng, chất khí và chất bán dẫn đều dẫn điện. Trong các môi trường này, các hạt mang điện là các ion, electron và lỗ trống. Nhưng bây giờ chúng ta chỉ nói về kim loại, bởi vì ngay cả trong chúng, mọi thứ cũng không đơn giản như vậy.

Hiện tại, chúng ta đang nói về dòng điện một chiều có hướng và độ lớn không thay đổi. Do đó, trên sơ đồ điện, có thể chỉ ra bằng mũi tên nơi dòng điện chạy qua. Người ta tin rằng dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm, một kết luận đã được đưa ra sớm trong nghiên cứu về điện.

Sau đó, hóa ra là các electron thực sự chuyển động theo hướng hoàn toàn ngược lại - từ âm sang dương. Nhưng bất chấp điều này, họ đã không từ bỏ hướng "sai", hơn nữa, chính hướng này được gọi là hướng kỹ thuật của dòng điện. Có gì khác biệt nếu đèn vẫn sáng. Hướng chuyển động của các electron được gọi là đúng và thường được sử dụng trong nghiên cứu khoa học.

Điều này được minh họa trong Hình 1.

Bức tranh 1.

Nếu công tắc được "ném" vào pin trong một thời gian, tụ điện C sẽ được sạc và một số điện tích sẽ tích tụ trên nó. Sau khi sạc tụ điện, công tắc được chuyển sang bóng đèn. Đèn nhấp nháy và tắt - tụ phóng điện. Rõ ràng là khoảng thời gian của đèn flash phụ thuộc vào lượng điện tích được lưu trữ trong tụ điện.

Pin galvanic cũng lưu trữ điện tích, nhưng nhiều hơn một tụ điện. Do đó, thời gian đèn flash đủ dài—đèn có thể cháy trong vài giờ.

Điện tích, dòng điện, điện trở và điện áp

Nghiên cứu về điện tích được thực hiện bởi nhà khoa học người Pháp C. Coulomb, người vào năm 1785 đã phát hiện ra định luật mang tên ông.

Trong công thức, điện tích được ký hiệu là Q hoặc q. Ý nghĩa vật lý của đại lượng này là khả năng các vật tích điện tham gia vào các tương tác điện từ: khi các điện tích đẩy nhau, các điện tích khác nhau sẽ hút Lực tương tác giữa các điện tích tỷ lệ thuận với độ lớn của các điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa họ. Nếu nó ở dạng công thức thì nó sẽ như thế này:

F = q1 * q2 / r2

Điện tích của electron rất nhỏ nên trong thực tế người ta sử dụng độ lớn của điện tích gọi là coulomb... Chính giá trị này được sử dụng trong hệ thống quốc tế SI (C). Một mặt dây chuyền chứa không ít hơn 6,24151 * 1018 (mười mũ mười tám) electron. Nếu 1 triệu electron mỗi giây được giải phóng khỏi điện tích này, thì quá trình này sẽ kéo dài tới 200 nghìn năm!

Đơn vị đo cường độ dòng điện trong hệ SI là Ampe (A), được đặt theo tên của nhà bác học người Pháp Andre Marie Ampere (1775 - 1836). Với cường độ dòng điện 1A, điện tích 1 C chạy qua tiết diện dây trong 1 giây. Công thức toán học trong trường hợp này như sau: I = Q / t.

Trong công thức này, dòng điện tính bằng ampe, điện tích tính bằng coulomb và thời gian tính bằng giây. Tất cả các thiết bị phải phù hợp với hệ thống SI.

Nói cách khác, một mặt dây chuyền được giải phóng mỗi giây. Rất giống với tốc độ của một chiếc ô tô tính bằng km trên giờ.Do đó, cường độ của dòng điện không gì khác hơn là tốc độ dòng điện tích.

Thường xuyên hơn trong cuộc sống hàng ngày, đơn vị ngoài hệ thống Ampe * giờ được sử dụng. Chỉ cần thu hồi ắc quy ô tô, dung lượng của chúng chỉ được biểu thị bằng ampe giờ là đủ. Và mọi người đều biết và hiểu điều này, mặc dù không ai nhớ bất kỳ mặt dây chuyền nào trong các cửa hàng phụ tùng ô tô. Nhưng đồng thời vẫn có một tỷ lệ: 1 C = 1 * / 3600 ampe * giờ. Có thể gọi đại lượng như vậy là ampe * giây.

Theo một định nghĩa khác, dòng điện 1 A chạy trong một dây dẫn có điện trở 1 Ω tại sự khác biệt tiềm năng (điện áp) ở hai đầu dây 1 V. Tỉ số giữa các giá trị này được xác định bởi Định luật Ohm... Đây có lẽ là định luật điện quan trọng nhất, không phải ngẫu nhiên mà dân gian lại nói: «Nếu bạn không biết định luật Ohm, hãy ở nhà!»

Trắc nghiệm định luật Ôm

Định luật này ngày nay ai cũng biết: «Cường độ dòng điện trong mạch tỉ lệ thuận với hiệu điện thế và tỉ lệ nghịch với điện trở.» Dường như chỉ có ba chữ cái—I = U/R, học sinh nào cũng sẽ nói: «Thì sao?». Nhưng thực ra con đường đến với công thức ngắn này khá chông gai và dài.

Để kiểm tra định luật Ohm, bạn có thể lắp ráp mạch đơn giản nhất như trong Hình 2.

Hình 2.

Việc điều tra khá đơn giản—bằng cách tăng từng điểm điện áp nguồn trên tờ giấy, dựng đồ thị như trong Hình 3.

Hình 3.

Có vẻ như đồ thị phải là một đường thẳng hoàn hảo, vì mối quan hệ I = U / R có thể được biểu diễn dưới dạng U = I * R, và trong toán học, nó là một đường thẳng. Trên thực tế, ở phía bên phải, đường cong xuống. Có thể không nhiều, nhưng nó uốn cong và vì lý do nào đó rất linh hoạt.Trong trường hợp này, độ uốn sẽ phụ thuộc vào phương pháp làm nóng điện trở được thử nghiệm. Không phải vô cớ mà nó được làm bằng một sợi dây đồng dài: bạn có thể quấn chặt một cuộn dây thành một cuộn dây, bạn có thể đóng nó lại bằng một lớp amiăng, có thể hôm nay nhiệt độ trong phòng vẫn vậy, nhưng hôm qua thì khác. khác, hoặc có một bản nháp trong phòng.

Điều này là do nhiệt độ ảnh hưởng đến điện trở theo cách tương tự như kích thước tuyến tính của các vật thể khi được nung nóng. Mỗi kim loại có hệ số nhiệt độ điện trở (TCR) riêng. Nhưng hầu như ai cũng biết và nhớ về sự giãn nở mà quên đi sự thay đổi về tính chất điện (điện trở, điện dung, độ tự cảm). Nhưng nhiệt độ trong các thí nghiệm này là nguồn bất ổn ổn định nhất.

Từ quan điểm văn học, nó hóa ra là một tautology khá đẹp, nhưng trong trường hợp này, nó thể hiện rất chính xác bản chất của vấn đề.

Nhiều nhà khoa học vào giữa thế kỷ 19 đã cố gắng khám phá ra sự phụ thuộc này, nhưng sự không ổn định của các thí nghiệm đã cản trở và làm dấy lên nghi ngờ về tính xác thực của các kết quả thu được. tất cả các tác dụng phụ hoặc, như người ta nói, để xem rừng để xem cây. Điện trở 1 Ohm vẫn mang tên nhà khoa học lỗi lạc này.

Mỗi thành phần có thể được biểu thị bằng định luật Ohm: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

Để không quên những mối quan hệ này, có cái gọi là Tam giác Ohm, hoặc một cái gì đó tương tự, được hiển thị trong Hình 4.

Hình 4. Tam giác Ohm

Sử dụng nó rất đơn giản: chỉ cần đóng giá trị mong muốn bằng ngón tay của bạn và hai chữ cái còn lại sẽ cho bạn biết phải làm gì với chúng.

Vẫn còn phải nhớ lại vai trò của lực căng trong tất cả các công thức này, ý nghĩa vật lý của nó là gì. Điện áp thường được hiểu là hiệu điện thế tại hai điểm trong điện trường. Để dễ hiểu hơn, họ thường sử dụng phép loại suy với một chiếc xe tăng, nước và đường ống.

Trong sơ đồ "hệ thống ống nước" này, mức tiêu thụ nước trong đường ống (lít / giây) chỉ là dòng điện (coulomb / giây) và sự khác biệt giữa mức trên trong bể và vòi mở là hiệu điện thế (điện áp) . Ngoài ra, nếu van mở, áp suất đầu ra bằng khí quyển, có thể được coi là mức 0 có điều kiện.

Trong các mạch điện, quy ước này cho phép lấy một điểm cho một dây dẫn chung ("mặt đất") để thực hiện tất cả các phép đo và điều chỉnh. Thông thường, cực âm của nguồn điện được coi là dây này, mặc dù điều này không phải lúc nào cũng đúng.

Hiệu điện thế được đo bằng vôn (V), được đặt tên theo nhà vật lý người Ý Alessandro Volta (1745-1827). Theo định nghĩa hiện đại, với hiệu điện thế 1 V, năng lượng 1 J được sử dụng để di chuyển điện tích 1 C. Năng lượng tiêu hao được bổ sung bằng nguồn điện, tương tự như mạch «ống nước», nó sẽ là một máy bơm hỗ trợ mực nước trong bể.