Grundlagen der Elektrizität

Die alten Griechen beobachteten elektrische Phänomene lange bevor die Erforschung der Elektrizität begann. Es reicht aus, den Halbedelstein mit Wolle oder Fell zu reiben, da er beginnt, trockene Stroh-, Papier- oder Flusen- und Federstücke anzuziehen.

Moderne Schulexperimente verwenden Glas- und Ebonitstäbe, die mit Seide oder Wolle eingerieben werden. In diesem Fall geht man davon aus, dass auf dem Glasstab eine positive Ladung und auf dem Ebonitstab eine negative Ladung verbleibt. Diese Stäbchen können auch kleine Papierstücke oder ähnliches anziehen. kleine Gegenstände. Diese Anziehungskraft ist der elektrische Feldeffekt, der von Charles Coulomb untersucht wurde.

Im Griechischen heißt Bernstein Elektron. Um eine solche Anziehungskraft zu beschreiben, schlug William Hilbert (1540 - 1603) den Begriff „elektrisch“ vor.

Im Jahr 1891 stellte der englische Wissenschaftler Stony George Johnston die Hypothese auf, dass in Substanzen elektrische Teilchen existieren, die er Elektronen nannte. Diese Aussage erleichterte das Verständnis elektrischer Vorgänge in Leitungen erheblich.

Elektronen in Metallen sind ziemlich frei und lassen sich leicht von ihren Atomen trennen, und unter der Wirkung eines elektrischen Feldes, genauer gesagt, verschieben sich Potentialunterschiede zwischen Metallatomen und erzeugen Elektrizität… Somit ist der elektrische Strom in einem Kupferdraht ein Elektronenfluss, der entlang des Drahtes von einem Ende zum anderen fließt.

Nicht nur Metalle sind in der Lage, Strom zu leiten. Flüssigkeiten, Gase und Halbleiter sind unter bestimmten Bedingungen elektrisch leitfähig. In diesen Umgebungen sind Ladungsträger Ionen, Elektronen und Löcher. Aber im Moment reden wir nur über Metalle, denn auch bei ihnen ist nicht alles so einfach.

Im Moment sprechen wir von Gleichstrom, dessen Richtung und Größe sich nicht ändern. Daher ist es in Schaltplänen möglich, mit Pfeilen anzuzeigen, wo der Strom fließt. Man geht davon aus, dass Strom vom Pluspol zum Minuspol fließt, eine Schlussfolgerung, zu der man schon früh in der Erforschung der Elektrizität gelangte.

Später stellte sich heraus, dass sich die Elektronen tatsächlich in die genau entgegengesetzte Richtung bewegen – von Minus nach Plus. Trotzdem gaben sie die „falsche“ Richtung nicht auf, außerdem wird genau diese Richtung als technische Richtung der Strömung bezeichnet. Welchen Unterschied macht es, wenn die Lampe noch leuchtet. Die Bewegungsrichtung der Elektronen wird als wahr bezeichnet und in der wissenschaftlichen Forschung am häufigsten verwendet.

Dies ist in Abbildung 1 dargestellt.

Bild 1.

Wenn der Schalter für einige Zeit auf die Batterie „umgelegt“ wird, wird der Elektrolytkondensator C aufgeladen und es sammelt sich etwas Ladung darauf an. Nach dem Laden des Kondensators wurde der Schalter auf die Glühbirne gestellt. Die Lampe blinkt und erlischt – der Kondensator entlädt sich. Es ist ganz offensichtlich, dass die Dauer des Blitzes von der Menge der im Kondensator gespeicherten elektrischen Ladung abhängt.

Eine galvanische Batterie speichert ebenfalls elektrische Ladung, jedoch viel mehr als ein Kondensator. Daher ist die Blitzzeit lang genug – die Lampe kann mehrere Stunden lang brennen.

Elektrische Ladung, Strom, Widerstand und Spannung

Die Untersuchung elektrischer Ladungen wurde vom französischen Wissenschaftler C. Coulomb durchgeführt, der 1785 das nach ihm benannte Gesetz entdeckte.

In Formeln wird elektrische Ladung als Q oder q bezeichnet. Die physikalische Bedeutung dieser Größe ist die Fähigkeit geladener Körper, elektromagnetische Wechselwirkungen einzugehen: Wenn sich Ladungen abstoßen, ziehen sich verschiedene an. Die Wechselwirkungskraft zwischen Ladungen ist direkt proportional zur Größe der Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen. Wenn es in Form einer Formel vorliegt, sieht es so aus:

F = q1 * q2 / r2

Die elektrische Ladung des Elektrons ist sehr klein, daher verwenden sie in der Praxis die Ladungsgröße namens Coulomb... Dieser Wert wird im internationalen System SI (C) verwendet. Ein Anhänger enthält nicht weniger als 6,24151 * 1018 (zehn hoch achtzehnte Potenz) Elektronen. Wenn aus dieser Ladung 1 Million Elektronen pro Sekunde freigesetzt werden, dauert dieser Prozess bis zu 200.000 Jahre!

Die Maßeinheit für den Strom im SI-System ist Ampere (A), benannt nach dem französischen Wissenschaftler Andre Marie Ampere (1775 – 1836). Bei einem Strom von 1A fließt in 1 Sekunde eine Ladung von genau 1 C durch den Querschnitt des Drahtes. Die mathematische Formel lautet in diesem Fall wie folgt: I = Q / t.

In dieser Formel wird der Strom in Ampere, die Ladung in Coulomb und die Zeit in Sekunden angegeben. Alle Geräte müssen dem SI-System entsprechen.

Mit anderen Worten: Pro Sekunde wird ein Anhänger freigesetzt. Sehr ähnlich der Geschwindigkeit eines Autos in Kilometern pro Stunde.Daher ist die Stärke eines elektrischen Stroms nichts anderes als die Geschwindigkeit des elektrischen Ladungsflusses.

Im Alltag wird häufiger die systemfremde Einheit Ampere*Stunde verwendet. Es genügt der Rückruf von Autobatterien, deren Kapazität nur in Amperestunden angegeben wird. Und jeder weiß und versteht das, obwohl sich niemand an Anhänger in Autoteileläden erinnert. Aber gleichzeitig gibt es immer noch ein Verhältnis: 1 C = 1 * / 3600 Ampere * Stunde. Man kann eine solche Größe Ampere * Sekunde nennen.

In einer anderen Definition fließt ein Strom von 1 A in einem Leiter mit einem Widerstand von 1 Ω Potentialdifferenz (Spannung) an den Enden des Drahtes 1 V. Das Verhältnis zwischen diesen Werten wird bestimmt durch Ohm'sches Gesetz... Dies ist vielleicht das wichtigste elektrische Gesetz, nicht umsonst sagt die Volksweisheit: „Wenn Sie das Ohmsche Gesetz nicht kennen, bleiben Sie zu Hause!“

Der Ohmsche Gesetz-Test

Dieses Gesetz ist mittlerweile jedem bekannt: „Der Strom im Stromkreis ist direkt proportional zur Spannung und umgekehrt proportional zum Widerstand.“ Es scheint, dass es nur drei Buchstaben gibt – I = U / R, jeder Schüler wird sagen: „Na und?“. Doch tatsächlich war der Weg zu dieser Kurzformel recht steinig und lang.

Um das Ohmsche Gesetz zu testen, können Sie die einfachste Schaltung zusammenstellen, die in Abbildung 2 dargestellt ist.

Figur 2.

Die Untersuchung ist ganz einfach: Erhöhen Sie die Versorgungsspannung Punkt für Punkt auf dem Papier und erstellen Sie das in Abbildung 3 gezeigte Diagramm.

Figur 3.

Es scheint, dass der Graph eine vollkommen gerade Linie sein sollte, da die Beziehung I = U / R als U = I * R dargestellt werden kann und in der Mathematik eine gerade Linie ist. Tatsächlich verläuft die Linie auf der rechten Seite nach unten. Vielleicht nicht viel, aber es lässt sich biegen und ist aus irgendeinem Grund sehr vielseitig.In diesem Fall hängt die Biegung von der Art der Erwärmung des geprüften Widerstands ab. Nicht umsonst besteht es aus einem langen Kupferdraht: Man kann eine Spule fest aufwickeln, man kann sie mit einer Schicht Asbest verschließen, vielleicht ist die Temperatur im Raum heute gleich, aber gestern war sie gleich anders, oder es herrscht Zugluft im Raum.

Dies liegt daran, dass die Temperatur den Widerstand auf die gleiche Weise beeinflusst wie die linearen Abmessungen physischer Körper bei Erwärmung. Jedes Metall hat seinen eigenen Temperaturkoeffizienten (TCR). Aber fast jeder kennt und erinnert sich an die Ausdehnung, vergisst jedoch die Änderung der elektrischen Eigenschaften (Widerstand, Kapazität, Induktivität). Aber die Temperatur ist in diesen Experimenten die stabilste Quelle der Instabilität.

Aus literarischer Sicht stellte sich heraus, dass es sich um eine recht schöne Tautologie handelte, die in diesem Fall jedoch den Kern des Problems sehr genau zum Ausdruck bringt.

Viele Wissenschaftler versuchten Mitte des 19. Jahrhunderts, diese Abhängigkeit aufzudecken, doch die Instabilität der Experimente störte und ließ Zweifel an der Richtigkeit der erzielten Ergebnisse aufkommen. Dies gelang nur Georg Simon Ohm (1787-1854), dem es gelang, ihn abzulehnen alle Nebenwirkungen oder, wie man sagt, den Wald vor lauter Bäumen sehen. Der 1-Ohm-Widerstand trägt noch immer den Namen dieses brillanten Wissenschaftlers.

Jeder Inhaltsstoff kann durch das Ohmsche Gesetz ausgedrückt werden: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

Um diese Zusammenhänge nicht zu vergessen, gibt es das sogenannte Ohmsche Dreieck oder etwas Ähnliches, dargestellt in Abbildung 4.

Abbildung 4. Ohmsches Dreieck

Die Bedienung ist ganz einfach: Schließen Sie einfach den gewünschten Wert mit dem Finger und die anderen beiden Buchstaben zeigen Ihnen, was Sie damit machen sollen.

Es bleibt zu bedenken, welche Rolle die Spannung in all diesen Formeln spielt und welche physikalische Bedeutung sie hat. Unter Spannung versteht man üblicherweise die Potentialdifferenz an zwei Punkten im elektrischen Feld. Zum leichteren Verständnis verwenden sie in der Regel Analogien zu Tank, Wasser und Rohren.

Bei diesem „Sanitär“-Schema ist der Wasserverbrauch in der Leitung (Liter/Sek.) nur der Strom (Coulomb/Sek.) und die Differenz zwischen dem oberen Füllstand im Tank und dem offenen Wasserhahn ist die Potentialdifferenz (Spannung). . Wenn das Ventil geöffnet ist, entspricht der Ausgangsdruck außerdem dem Atmosphärendruck, was als bedingter Nullpegel angesehen werden kann.

In Stromkreisen ermöglicht diese Konvention die Annahme eines Punktes als gemeinsamen Leiter („Masse“), an dem alle Messungen und Einstellungen vorgenommen werden. Am häufigsten wird davon ausgegangen, dass es sich bei diesem Kabel um den Minuspol der Stromversorgung handelt, obwohl dies nicht immer der Fall ist.

Die Potenzialdifferenz wird in Volt (V) gemessen, benannt nach dem italienischen Physiker Alessandro Volta (1745–1827). Nach der modernen Definition wird bei einer Potentialdifferenz von 1 V eine Energie von 1 J aufgewendet, um eine Ladung von 1 C zu bewegen. Die verbrauchte Energie wird durch eine Stromquelle wieder aufgefüllt, analog zu einem „Sanitär“-Kreislauf eine Pumpe sein, die den Wasserstand im Tank unterstützt.