Fundamentos de la electricidad
Los antiguos griegos observaron fenómenos eléctricos mucho antes de que comenzara el estudio de la electricidad. Basta frotar la piedra semipreciosa de ámbar con lana o piel, ya que comienza a atraer pedazos de paja seca, papel o pelusa y plumas.
Los experimentos escolares modernos utilizan varillas de vidrio y ebonita frotadas con seda o lana. En este caso, se considera que queda una carga positiva en la barra de vidrio y una carga negativa en la barra de ebonita. Estas varillas también pueden atraer pequeños trozos de papel o similares. pequeños objetos Esta atracción es el efecto de campo eléctrico que fue estudiado por Charles Coulomb.
En griego, el ámbar se llama electrón, por lo que para describir una fuerza tan atractiva, William Hilbert (1540 - 1603) propuso el término "eléctrico".
En 1891, el científico inglés Stony George Johnston planteó la hipótesis de la existencia de partículas eléctricas en las sustancias, a las que denominó electrones. Esta declaración facilitó mucho la comprensión de los procesos eléctricos en los cables.
Los electrones en los metales son bastante libres y se separan fácilmente de sus átomos, y bajo la acción de un campo eléctrico, más precisamente, las diferencias de potencial se mueven entre los átomos del metal, creando electricidad… Por lo tanto, la corriente eléctrica en un alambre de cobre es un flujo de electrones que fluye a lo largo del alambre de un extremo al otro.
No solo los metales son capaces de conducir electricidad. Bajo ciertas condiciones, los líquidos, gases y semiconductores son eléctricamente conductores. En estos entornos, los portadores de carga son iones, electrones y huecos. Pero por ahora solo estamos hablando de metales, porque incluso en ellos no todo es tan simple.
Por ahora, estamos hablando de corriente continua, cuya dirección y magnitud no cambian. Por lo tanto, en los diagramas eléctricos es posible indicar con flechas por dónde fluye la corriente. Se cree que la corriente fluye del polo positivo al polo negativo, una conclusión a la que se llegó al comienzo del estudio de la electricidad.
Más tarde resultó que los electrones en realidad se mueven exactamente en la dirección opuesta, de menos a más. Pero a pesar de esto, no abandonaron la dirección "incorrecta", además, esta misma dirección se llama la dirección técnica de la corriente. ¿Qué diferencia hay si la lámpara sigue encendida? La dirección del movimiento de los electrones se llama verdadera y se usa con mayor frecuencia en la investigación científica.
Esto se ilustra en la Figura 1.
Foto 1.
Si el interruptor se "lanza" a la batería durante algún tiempo, el condensador electrolítico C se cargará y se acumulará algo de carga en él. Después de cargar el condensador, el interruptor se giró a la bombilla. La lámpara parpadea y se apaga: el condensador se descarga. Es bastante obvio que la duración del destello depende de la cantidad de carga eléctrica almacenada en el capacitor.
Una batería galvánica también almacena carga eléctrica, pero mucho más que un condensador. Por lo tanto, el tiempo de flash es lo suficientemente largo: la lámpara puede arder durante varias horas.
Carga eléctrica, corriente, resistencia y voltaje.
El estudio de las cargas eléctricas fue realizado por el científico francés C. Coulomb, quien en 1785 descubrió la ley que lleva su nombre.
En las fórmulas, la carga eléctrica se denota como Q o q. El significado físico de esta cantidad es la capacidad de los cuerpos cargados para entrar en interacciones electromagnéticas: como las cargas se repelen, diferentes se atraen.La fuerza de interacción entre las cargas es directamente proporcional al tamaño de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. entre ellos. Si tiene la forma de una fórmula, se ve así:
F = q1 * q2 / r2
La carga eléctrica del electrón es muy pequeña, por lo que en la práctica usan la magnitud de la carga llamada culombio... Es este valor el que se usa en el sistema internacional SI (C). Un colgante contiene no menos de 6,24151 * 1018 (diez elevado a la decimoctava potencia) de electrones. Si se liberan 1 millón de electrones por segundo de esta carga, ¡este proceso durará hasta 200 mil años!
La unidad de medida de corriente en el sistema SI es el Amperio (A), llamado así por el científico francés Andre Marie Ampere (1775 - 1836). A una corriente de 1 A, una carga de exactamente 1 C pasa a través de la sección transversal del alambre en 1 segundo. La fórmula matemática en este caso es la siguiente: I = Q / t.
En esta fórmula, la corriente está en amperios, la carga en culombios y el tiempo en segundos. Todos los dispositivos deben ajustarse al sistema SI.
En otras palabras, se libera un colgante por segundo. Muy similar a la velocidad de un coche en kilómetros por hora.Por lo tanto, la fuerza de una corriente eléctrica no es más que la tasa de flujo de carga eléctrica.
Más a menudo en la vida cotidiana, se usa la unidad fuera del sistema Ampere * hora. Basta con recordar las baterías de los automóviles, cuya capacidad se indica solo en amperios-hora. Y todos saben y entienden esto, aunque nadie recuerda ningún colgante en las tiendas de autopartes. Pero al mismo tiempo todavía hay una relación: 1 C = 1 * / 3600 amperios * hora. Es posible llamar a tal cantidad amperio * segundo.
En otra definición, una corriente de 1 A fluye en un conductor de resistencia de 1 Ω en diferencia de potencial (voltaje) en los extremos del cable 1 V. La relación entre estos valores está determinada por Ley de Ohm... Esta es quizás la ley eléctrica más importante, no es casualidad que la sabiduría popular diga: «Si no conoces la ley de Ohm, ¡quédate en casa!»
La prueba de la ley de Ohm
Esta ley ahora es conocida por todos: «La corriente en el circuito es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia». Parece que solo hay tres letras: I = U / R, cada estudiante dirá: «¿Y qué?». Pero en realidad el camino hacia esta breve fórmula fue bastante espinoso y largo.
Para probar la ley de Ohm, puede ensamblar el circuito más simple que se muestra en la Figura 2.
Figura 2.
La investigación es bastante simple: al aumentar el voltaje de suministro punto por punto en el papel, construya el gráfico que se muestra en la Figura 3.
Figura 3.
Parece que el gráfico debería resultar una línea perfectamente recta, ya que la relación I = U / R se puede representar como U = I * R, y en matemáticas es una línea recta. De hecho, en el lado derecho, la línea se dobla hacia abajo. Tal vez no mucho, pero se dobla y por alguna razón es muy versátil.En este caso, la flexión dependerá del método de calentamiento de la resistencia probada. No en vano, está hecho de un cable de cobre largo: puede enrollar firmemente una bobina en una bobina, puede cerrarla con una capa de asbesto, tal vez la temperatura en la habitación hoy sea la misma, pero ayer fue diferente, o hay una corriente de aire en la habitación.
Esto se debe a que la temperatura afecta la resistencia de la misma manera que las dimensiones lineales de los cuerpos físicos cuando se calientan. Cada metal tiene su propio coeficiente de temperatura de resistencia (TCR). Pero casi todos conocen y recuerdan la expansión, pero olvídense del cambio en las propiedades eléctricas (resistencia, capacitancia, inductancia). Pero la temperatura en estos experimentos es la fuente más estable de inestabilidad.
Desde un punto de vista literario, resultó ser una tautología bastante hermosa, pero en este caso expresa con mucha precisión la esencia del problema.
Muchos científicos a mediados del siglo XIX intentaron descubrir esta dependencia, pero la inestabilidad de los experimentos interfirió y planteó dudas sobre la veracidad de los resultados obtenidos, solo Georg Simon Ohm (1787-1854) lo logró, quien logró rechazar todos los efectos secundarios o, como se suele decir, para ver el bosque de los árboles. La resistencia de 1 Ohm todavía lleva el nombre de este brillante científico.
Cada ingrediente se puede expresar mediante la ley de Ohm: I = U / R, U = I * R, R = U / I.
Para no olvidar estas relaciones, existe el llamado Triángulo de Ohm, o algo similar, que se muestra en la Figura 4.
Figura 4. Triángulo de Ohm
Su uso es muy sencillo: basta con cerrar el valor deseado con el dedo y las otras dos letras te indicarán qué hacer con ellas.
Queda por recordar qué papel juega la tensión en todas estas fórmulas, cuál es su significado físico. El voltaje generalmente se entiende como la diferencia de potencial en dos puntos en el campo eléctrico. Para una comprensión más fácil, usan analogías, por regla general, con un tanque, agua y tuberías.
En este esquema de "plomería", el consumo de agua en la tubería (litros/seg) es solo la corriente (coulomb/seg), y la diferencia entre el nivel superior en el tanque y el grifo abierto es la diferencia de potencial (voltaje) . Además, si la válvula está abierta, la presión de salida es igual a la atmosférica, que puede tomarse como un nivel cero condicional.
En los circuitos eléctricos, esta convención permite tomar un punto como conductor común ("tierra") contra el cual se realizan todas las mediciones y ajustes. En la mayoría de los casos, se supone que el terminal negativo de la fuente de alimentación es este cable, aunque no siempre es así.
La diferencia de potencial se mide en voltios (V), llamado así por el físico italiano Alessandro Volta (1745-1827). Según la definición moderna, con una diferencia de potencial de 1 V, se gasta una energía de 1 J para mover una carga de 1 C. La energía consumida se repone mediante una fuente de alimentación, por analogía con un circuito de «plomería», se ser una bomba que soporte el nivel del agua en el tanque.