أساسيات الكهرباء

لاحظ الإغريق القدماء الظواهر الكهربائية قبل وقت طويل من بدء دراسة الكهرباء. يكفي فرك حجر الكهرمان شبه الثمين بالصوف أو الفراء ، حيث يبدأ في جذب قطع من القش الجاف أو الورق أو الزغب والريش.

تستخدم التجارب المدرسية الحديثة قضبان الزجاج والإبونيت المفرك بالحرير أو الصوف. في هذه الحالة ، يُعتبر أن الشحنة الموجبة تبقى على قضيب الزجاج وشحنة سالبة على قضيب الإيبونيت. يمكن أن تجذب هذه القضبان أيضًا قطعًا صغيرة من الورق أو ما شابه ذلك. الأشياء الصغيرة. هذا الجذب هو تأثير المجال الكهربائي الذي درسه تشارلز كولوم.

في اليونانية ، يُطلق على الكهرمان اسم الإلكترون ، لذلك لوصف هذه القوة الجذابة ، اقترح ويليام هيلبرت (1540 - 1603) مصطلح "كهربائي".

في عام 1891 ، افترض العالم الإنجليزي ستوني جورج جونستون وجود جسيمات كهربائية في المواد ، والتي أطلق عليها الإلكترونات. جعل هذا البيان من السهل فهم العمليات الكهربائية في الأسلاك.

تكون الإلكترونات الموجودة في المعادن حرة تمامًا ويمكن فصلها بسهولة عن ذراتها ، وتحت تأثير المجال الكهربائي ، وبشكل أكثر دقة ، تتحرك الاختلافات المحتملة بين ذرات المعدن ، مما يؤدي إلى تكوين كهرباء... وهكذا ، فإن التيار الكهربائي في سلك نحاسي هو تدفق الإلكترونات المتدفقة على طول السلك من طرف إلى آخر.

ليست المعادن فقط قادرة على توصيل الكهرباء. في ظل ظروف معينة ، تكون السوائل والغازات وأشباه الموصلات موصلة للكهرباء. في هذه البيئات ، تكون حاملات الشحنة عبارة عن أيونات وإلكترونات وثقوب. لكن في الوقت الحالي نحن نتحدث فقط عن المعادن ، لأنه حتى فيها كل شيء ليس بهذه البساطة.

في الوقت الحالي ، نحن نتحدث عن التيار المباشر ، الذي لا يتغير اتجاهه وحجمه. لذلك ، في المخططات الكهربائية ، من الممكن الإشارة بالأسهم إلى مكان تدفق التيار. يُعتقد أن التيار يتدفق من القطب الموجب إلى القطب السالب ، وهو استنتاج تم التوصل إليه في وقت مبكر من دراسة الكهرباء.

اتضح لاحقًا أن الإلكترونات تتحرك في الواقع في الاتجاه المعاكس تمامًا - من سالب إلى موجب. لكن على الرغم من ذلك ، لم يتخلوا عن الاتجاه "الخاطئ" ، علاوة على ذلك ، فإن هذا الاتجاه بالذات يسمى الاتجاه الفني للتيار. ما الفرق الذي يحدثه إذا كان المصباح لا يزال يضيء. يُطلق على اتجاه حركة الإلكترونات اسم صحيح وغالبًا ما يستخدم في البحث العلمي.

هذا موضح في الشكل 1.

الصورة 1.

إذا تم "طرح" المفتاح على البطارية لبعض الوقت ، فسيتم شحن مكثف التحليل الكهربائي C وسيتراكم بعض الشحن عليه. بعد شحن المكثف ، تم تحويل المفتاح إلى المصباح. يومض المصباح وينطفئ - يفرغ المكثف. من الواضح تمامًا أن مدة الفلاش تعتمد على كمية الشحنة الكهربائية المخزنة في المكثف.

تخزن البطارية الجلفانية أيضًا الشحنة الكهربائية ، ولكن أكثر بكثير من المكثف. لذلك ، فإن وقت الفلاش طويل بما يكفي - يمكن أن يحترق المصباح لعدة ساعات.

الشحنة الكهربائية والتيار والمقاومة والجهد

تم إجراء دراسة الشحنات الكهربائية بواسطة العالم الفرنسي سي كولوم ، الذي اكتشف عام 1785 القانون الذي سمي باسمه.

في الصيغ ، يُشار إلى الشحنة الكهربائية على أنها Q أو q. المعنى المادي لهذه الكمية هو قدرة الأجسام المشحونة على الدخول في تفاعلات كهرومغناطيسية: عندما تتنافر الشحنات ، تجتذب مختلف الشحنات. تتناسب قوة التفاعل بين الشحنات بشكل مباشر مع حجم الشحنات وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهم. إذا كانت في شكل معادلة ، فإنها تبدو كالتالي:

F = q1 * q2 / r2

الشحنة الكهربائية للإلكترون صغيرة جدًا ، لذلك في الممارسة العملية يستخدمون حجم الشحنة المسماة كولوم ... هذه القيمة هي المستخدمة في النظام الدولي SI (C). تحتوي القلادة على ما لا يقل عن 6.24151 * 1018 (عشرة أس ثمانية عشر) إلكترونات. إذا تم إطلاق مليون إلكترون في الثانية من هذه الشحنة ، فستستمر هذه العملية حتى 200 ألف سنة!

وحدة قياس التيار في نظام SI هي Ampere (A) ، والتي سميت على اسم العالم الفرنسي Andre Marie Ampere (1775 - 1836). عند تيار 1 أ ، تمر شحنة مقدارها 1 درجة مئوية بالضبط عبر المقطع العرضي للسلك في ثانية واحدة. الصيغة الرياضية في هذه الحالة هي كما يلي: I = Q / t.

في هذه الصيغة ، التيار بالأمبير ، والشحنة بالكولوم ، والوقت بالثواني. يجب أن تتوافق جميع الأجهزة مع نظام SI.

بمعنى آخر ، يتم تحرير قلادة واحدة في الثانية. تشبه إلى حد بعيد سرعة السيارة بالكيلومترات في الساعة.لذلك ، فإن قوة التيار الكهربائي ليست أكثر من معدل تدفق الشحنة الكهربائية.

في كثير من الأحيان في الحياة اليومية ، يتم استخدام وحدة أمبير * ساعة خارج النظام. يكفي استدعاء بطاريات السيارات ، التي يشار إلى سعتها فقط بساعات أمبير. والجميع يعرف هذا ويفهمه ، على الرغم من أن لا أحد يتذكر أي معلقات في متاجر قطع غيار السيارات. ولكن في الوقت نفسه لا تزال هناك نسبة: 1 C = 1 * / 3600 أمبير * ساعة. من الممكن استدعاء مثل هذه الكمية أمبير * ثانية.

في تعريف آخر ، يتدفق تيار 1 أ في موصل مقاومة 1 Ω عند فرق الجهد (الجهد) عند طرفي السلك 1 فولت. يتم تحديد النسبة بين هذه القيم بواسطة قانون أوم... ربما يكون هذا هو أهم قانون كهربائي ، فليس من قبيل الصدفة أن تقول الحكمة الشعبية: "إذا كنت لا تعرف قانون أوم ، فابق في المنزل!"

اختبار قانون أوم

هذا القانون معروف الآن للجميع: "إن التيار في الدائرة يتناسب طرديًا مع الجهد ويتناسب عكسياً مع المقاومة". يبدو أن هناك ثلاثة أحرف فقط - I = U / R ، سيقول كل طالب: "وماذا في ذلك؟". لكن في الواقع ، كان الطريق إلى هذه الصيغة القصيرة شائكًا وطويلًا للغاية.

لاختبار قانون أوم ، يمكنك تجميع أبسط دائرة موضحة في الشكل 2.

الشكل 2.

التحقيق بسيط للغاية - عن طريق زيادة جهد العرض نقطة تلو الأخرى على الورق ، قم ببناء الرسم البياني الموضح في الشكل 3.

الشكل 3.

يبدو أن الرسم البياني يجب أن يكون خطًا مستقيمًا تمامًا ، حيث يمكن تمثيل العلاقة I = U / R على أنها U = I * R ، وفي الرياضيات هو خط مستقيم. في الواقع ، ينحني الخط على الجانب الأيمن. ربما ليس كثيرًا ، لكنه ينحني ولسبب ما فهو متعدد الاستخدامات.في هذه الحالة ، سيعتمد الانحناء على طريقة تسخين المقاومة المختبرة. ليس من أجل لا شيء أنها مصنوعة من سلك نحاسي طويل: يمكنك لف ملف بإحكام إلى ملف ، يمكنك إغلاقه بطبقة من الأسبستوس ، ربما تكون درجة الحرارة في الغرفة اليوم هي نفسها ، لكنها كانت بالأمس مختلفة ، أو هناك تيار هوائي في الغرفة.

وذلك لأن درجة الحرارة تؤثر على المقاومة بنفس الطريقة التي تؤثر بها الأبعاد الخطية للأجسام المادية عند تسخينها. كل معدن له معامل درجة الحرارة الخاص به للمقاومة (TCR). لكن الجميع تقريبًا يعرف ويتذكر عن التمدد ، لكن ننسى التغير في الخواص الكهربائية (المقاومة ، السعة ، الحث). لكن درجة الحرارة في هذه التجارب هي المصدر الأكثر استقرارًا لعدم الاستقرار.

من وجهة نظر أدبية ، اتضح أنه حشو جميل إلى حد ما ، لكنه في هذه الحالة يعبر بدقة عن جوهر المشكلة.

حاول العديد من العلماء في منتصف القرن التاسع عشر اكتشاف هذا الاعتماد ، لكن عدم استقرار التجارب تداخلت وأثارت الشكوك حول حقيقة النتائج التي تم الحصول عليها. فقط جورج سيمون أوم (1787-1854) نجح في ذلك ، والذي تمكن من رفضه. جميع الآثار الجانبية أو ، كما يقولون ، لرؤية الغابة للأشجار. لا تزال مقاومة 1 أوم تحمل اسم هذا العالم اللامع.

يمكن التعبير عن كل مكون من خلال قانون أوم: I = U / R ، U = I * R ، R = U / I.

لكي لا ننسى هذه العلاقات ، هناك ما يسمى بمثلث أوم ، أو شيء مشابه ، كما هو موضح في الشكل 4.

الشكل 4. مثلث أوم

استخدامه بسيط للغاية: ما عليك سوى إغلاق القيمة المرغوبة بإصبعك وسيظهر لك الحرفان الآخران ما يجب فعله بهما.

يبقى أن نتذكر الدور الذي يلعبه التوتر في كل هذه الصيغ ، ما هو معناها المادي. يُفهم الجهد عادةً على أنه فرق الجهد عند نقطتين في المجال الكهربائي. لتسهيل الفهم ، يستخدمون المقارنات ، كقاعدة عامة ، مع الخزان والماء والأنابيب.

في مخطط "السباكة" هذا ، يكون استهلاك المياه في الأنبوب (لتر / ثانية) هو التيار فقط (كولوم / ثانية) ، والفرق بين المستوى العلوي في الخزان والصنبور المفتوح هو فرق الجهد (الجهد) . أيضًا ، إذا كان الصمام مفتوحًا ، فإن ضغط المخرج يكون مساويًا للغلاف الجوي ، والذي يمكن اعتباره مستوى الصفر المشروط.

في الدوائر الكهربائية ، تجعل هذه الاتفاقية من الممكن أخذ نقطة لموصل مشترك ("الأرض") يتم إجراء جميع القياسات والتعديلات على أساسها. في أغلب الأحيان ، يُفترض أن يكون الطرف السالب لمصدر الطاقة هو هذا السلك ، على الرغم من أن هذا ليس هو الحال دائمًا.

يُقاس الفرق المحتمل بالفولت (V) ، الذي سمي على اسم الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا (1745-1827). وفقًا للتعريف الحديث ، مع وجود فرق جهد قدره 1 فولت ، يتم إنفاق طاقة مقدارها 1 جول لتحريك شحنة قدرها 1 ج. تكون مضخة تدعم مستوى الماء في الخزان.