Основы электричества

Staří Řekové pozorovali elektrické jevy dlouho předtím, než začalo studium elektřiny. Polodrahokam jantar stačí přetřít vlnou nebo kožešinou a začne přitahovat kousky suché slámy, papíru nebo chmýří a peří.

V moderních školních pokusech se používají skleněné a ebonitové tyčinky třené hedvábím nebo vlnou. V tomto případě se má za to, že skleněná tyčinka si zachovává kladný náboj a ebonitová tyčinka záporný náboj. Tyto tyče mohou také přitahovat malé kousky papíru atd. drobné předměty. Právě tato přitažlivost je efektem elektrického pole, které Charles Coulomb studoval.

По-гречески янтарь называется электрон, поэтому для описания такой силы притяжения Уильям Гильберт (1540 – 1603 гг.) предложил термин «электрический» .

V roce 1891 anglický vědec Stoney George Johnston předložil hypotézu o existenci elektrických částic v látkách, které nazval elektrony. Toto tvrzení značně usnadnilo pochopení elektrických procesů ve vodičích.

Электроны в металлах достаточно свободны и легко отрываются от своих атомов, а под действием электрического поля, точнее разности потенциалов перемещаются между атомами металла, создавая электрический ток. Таким образом, электрический ток в медном проводе представляет собой поток электронов, протекающий вдоль провода, от одного конца к другому.

Электрический ток способны проводить не только металлы. При определенных условиях электропроводны жидкости, газы и полупроводники. В этих средах носителями зарядов являются ионы, электроны и дырки. Но пока речь только о металлах, ведь даже и в них все не так просто.

Zatím mluvíme o stejnosměrném proudu, jehož směr a velikost se nemění. Na elektrických schématech je proto možné šipkami označit, kudy teče proud. Předpokládá se, že proud teče z kladného pólu k zápornému pólu, což je závěr dosažený na počátku studia elektřiny.

Позднее выяснилось, что на самом деле электроны движутся как раз в обратном направлении – от минуса к плюсу. Но, тем не менее, от «ошибочного» направления не отказались, более того именно оно называется техническим направлением тока. Какая разница, если лампочка все равно горит. Направление движения электронов получило название истинного и применяется чаще всего в научных исследованиях.

To je znázorněno na obrázku 1.

Основы электричества

Если переключатель на некоторое время «перебросить» в сторону батарейки, то зарядится электролитический конденсатор C, на нем накопится некоторый заряд. После того, как конденсатор зарядился, переключатель повернули в сторону лампочки. Лампа вспыхнула и погасла – конденсатор разрядился. Совершенно очевидно, что длительность вспышки зависит от величины электрического заряда, запасенного в конденсаторе.

Galvanická baterie také uchovává elektrický náboj, ale mnohem větší než kondenzátor. Proto je doba záblesku poměrně dlouhá – žárovka může hořet až několik hodin.

READ
Jak vybrat správnou velikost lampy?

Электрический заряд, ток, сопротивление и напряжение

Studiem elektrických nábojů se zabýval francouzský vědec C. Coulomb, který v roce 1785 objevil zákon pojmenovaný po něm.

Ve vzorcích je elektrický náboj označen jako Q nebo q. Fyzikální význam této veličiny je schopnost nabitých těles vstupovat do elektromagnetických interakcí: jako náboje se odpuzují, na rozdíl od nábojů se přitahují. Síla interakce mezi náboji je přímo úměrná velikosti nábojů a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi. Pokud je ve formě vzorce, vypadá to takto:

Elektrický náboj elektronu je velmi malý, takže v praxi používají hodnotu náboje zvanou Coulomb. Právě tato hodnota se používá v mezinárodní soustavě SI (Cl). Jeden přívěsek obsahuje ne méně než 6,24151 * 10 18 (deset až osmnáctá mocnina) elektronů. Pokud se z tohoto náboje uvolní 1 milion elektronů za sekundu, bude tento proces trvat až 200 tisíc let!

Jednotkou měření proudu v soustavě SI je ampér (A), pojmenovaný po francouzském vědci André Marie Ampere (1775 – 1836). Při proudu 1A proteče průřezem vodiče náboj přesně 1 C za 1 sekundu. Matematický vzorec v tomto případě je tento: I = Q/t.

В этой формуле ток в Амперах, заряд в Кулонах, время в секундах. Все единицы должны соответствовать системе СИ.

Jinými slovy, ukazuje se, že je to jeden coulomb za sekundu. Velmi podobné rychlosti auta v kilometrech za hodinu. Proto síla elektrického proudu není nic jiného než rychlost toku elektrického náboje.

V každodenním životě se častěji používá nesystémová jednotka Ampere*hour. Stačí připomenout autobaterie, jejichž kapacita se udává v ampérhodinách. A to zná a chápe každý, i když si nikdo nepamatuje nějaké přívěsky v obchodech s autodíly. Zároveň však stále existuje vztah: 1 C = 1 * / 3600 ampér * hodina. Je možné, že takové množství by se dalo nazvat ampér * sekunda.

Podle jiné definice protéká vodičem o odporu 1 Ohm proud 1 A při rozdílu potenciálů (napětí) na koncích vodiče 1 V. Vztah mezi těmito veličinami je určen Ohmovým zákonem. Toto je možná nejdůležitější elektrický zákon; ne nadarmo lidová moudrost říká: “Pokud neznáte Ohmův zákon, zůstaňte doma!”

Kontrola Ohmova zákona

Tento zákon je nyní známý všem: “Proud v obvodu je přímo úměrný napětí a nepřímo úměrný odporu.” Zdálo by se, že existují pouze tři písmena – I = U/R, každý školák řekne: “No a co?” Ale ve skutečnosti byla cesta k této krátké formuli docela trnitá a dlouhá.

Chcete-li otestovat Ohmův zákon, můžete sestavit nejjednodušší obvod znázorněný na obrázku 2.

READ
Jak spojit dvě palety dohromady?

Kontrola Ohmova zákona

Studie je poměrně jednoduchá – zvýšením napětí zdroje energie bod po bodu na papíře sestrojte graf znázorněný na obrázku 3.

Ohmův zákon

Zdálo by se, že graf by se měl ukázat jako dokonale přímka, protože závislost I = U/R lze znázornit jako U = I*R a v matematice je to přímka. Ve skutečnosti se na pravé straně čára ohýbá dolů. Možná ne moc, ale ohýbá se a z nějakého důvodu je velmi rozmanitá. V tomto případě bude ohyb záviset na tom, jak je studovaný odpor zahříván. Ne nadarmo je z dlouhého měděného drátu: můžete ho smotat pevně dokolečka, můžete ho zakrýt vrstvou azbestu, možná je dnes v místnosti stejná teplota, ale včera to bylo jiné, nebo průvan v místnosti.

To znamená, že teplota ovlivňuje odpor stejným způsobem jako lineární rozměry fyzických těles při zahřívání. Každý kov má svůj vlastní teplotní koeficient odporu (TCR). Ale téměř každý ví a pamatuje si expanzi, ale zapomíná na změny elektrických vlastností (odpor, kapacita, indukčnost). Ale právě teplota v těchto experimentech je nejstabilnějším zdrojem nestability.

Z literárního hlediska se to ukázalo jako docela krásná tautologie, ale v tomto případě je to právě ona, která velmi přesně vyjadřuje podstatu problému.

Многие ученые в середине девятнадцатого века пытались открыть эту зависимость, но мешала нестабильность опытов, вызывала сомнения в истинности полученных результатов. Удалось это сделать только Георгу Симону Ому (1787-1854), который сумел отбросить все побочные эффекты или, как говорится, увидеть за деревьями лес. Единица измерения сопротивления 1Ом до сих пор носит имя этого гениального ученого.

Z Ohmova zákona můžete vyjádřit libovolnou složku: I=U/R, U=I*R, R=U/I.

Aby se na tyto vztahy nezapomnělo, existuje tzv. Ohmův trojúhelník, nebo něco podobného, ​​znázorněný na obrázku 4.

Ohmův trojúhelník

Obrázek 4. Ohmův trojúhelník

Použití je velmi jednoduché: stačí prstem zakrýt požadovanou hodnotu a dvě zbývající písmena vám ukáží, co s nimi dělat.

Zbývá si připomenout, jakou roli hraje ve všech těchto vzorcích napětí, jaký je jeho fyzikální význam. Typicky se napětí vztahuje k rozdílu potenciálu ve dvou bodech elektrického pole. Aby to bylo srozumitelnější, obvykle se používají analogie s nádrží, vodou a potrubím.

V tomto „instalačním“ okruhu je průtok vody v potrubí (litry/s) přesně proud (coulomb/s) a rozdíl mezi horní hladinou v nádrži a otevřeným kohoutkem je rozdíl potenciálů (napětí). Navíc, pokud je kohout otevřený, pak se výstupní tlak rovná atmosférickému tlaku, který lze brát jako podmíněnou nulovou úroveň.

V elektrických obvodech tato konvence umožňuje přijmout nějaký bod jako společný vodič („zem“), vzhledem k němuž se provádějí všechna měření a nastavení. Nejčastěji je tento vodič považován za zápornou svorku napájecího zdroje, i když tomu tak není vždy.

READ
Jak zasadit trávník na geotextilii?

Rozdíl potenciálů se měří ve voltech (V) podle italského fyzika Alessandra Volty (1745-1827). Podle moderní definice se při potenciálovém rozdílu 1 V spotřebuje energie 1 J k přesunu náboje o 1 C. Spotřebovaná energie se doplňuje ze zdroje energie, analogicky s „kanalizačním“ obvodem to bude čerpadlo, které udržuje hladinu vody v nádrži.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!

Žárovka svítí na žlutém podkladu

Elektřina je všude: ve světlech a ventilátorech, počítačích a mobilních telefonech a bezpočtu dalších zařízení. Nelze si bez něj představit moderní svět a přírodu také, protože je přítomen jak ve výboji blesku, tak mezi lidskými nervovými buňkami. Tento fenomén je studován již několik tisíciletí.

Co je elektřina a odkud pochází?

Co se jim vybaví, když slyší slovo „elektřina“ nebo „elektrický“? Napadají mě zásuvky, elektrické vedení, transformátory nebo svářečky, blesky, baterie a nabíječky. V moderní civilizaci je samozřejmě hodně elektřiny. Navíc existuje v přírodě. Ale co o něm víme?

Elektřina je proces pohybu nabitých částic pod vlivem elektromagnetického pole:

  • v jednom směru (stejnosměrný proud);
  • s periodickými změnami směru (střídavý proud).

Termín je řeckého původu a „elektron“ znamená „jantar“. Poprvé ji použil starověký řecký filozof Thales.

Když zasuneme zástrčku do zásuvky, zapneme rychlovarnou konvici nebo stiskneme vypínač, uzavře se mezi zdrojem a přijímačem elektřiny elektrický obvod, díky kterému dostane elektrický náboj dráhu k pohybu například po spirále konvice. Proces lze popsat následovně:

  • Zdrojem elektrické energie je zásuvka.
  • Elektrický proud je elektrický náboj, který se pohybuje vodičem (například spirálou čajové konvice).
  • Vodič spojuje zásuvku se spotřebitelem pomocí dvou vodičů: podél jednoho z nich se náboj pohybuje ke spotřebiteli a podél druhého k zásuvce.
  • V případě střídavého proudu dráty mění role 50krát za sekundu.

Zdrojem energie pro pohyb nábojů (tedy zdrojem elektřiny) ve městech jsou elektrárny. Elektřinu vyrábějí pomocí výkonných generátorů, jejichž rotor je poháněn jaderným zařízením nebo elektrárnou (například hydraulickou turbínou).

Elektrické vedení proti obloze

Elektrické vedení: Freepick

Transformátory elektrárny dodávají ultravysoká střídavé napětí 110, 220 nebo 500 kilovoltů do vysokonapěťových elektrických vedení (PTL). Po dosažení snižovacích rozvoden se sníží na úroveň domácí sítě – 220 voltů. To je napětí v našich zásuvkách, které používáme každý den, aniž bychom přemýšleli o délce cesty, kterou urazí.

READ
Co je texturovaná tapeta?

Je možné skladovat elektřinu pro domácí účely? Ano, toto také používáme. K tomu pomáhá přeměna na chemickou energii, konkrétně baterie. Chemické reakce mezi elektrodami (látky a roztoky, které vedou proud) vytvářejí proud, když je vnější obvod uzavřen pro spotřebitele. Čím větší je plocha elektrody, tím větší proud lze získat.

Pomocí různých materiálů elektrod a počtu článků připojených v baterii lze generovat různá napětí. Například u lithium-iontové baterie je standardní napětí na článek 3,7 voltu. Funguje to takto:

  • Lithné ionty s kladným nábojem se při výboji pohybují v elektrolytu z anody (kladná elektroda) mědi a grafitu ke katodě (záporná elektroda) hliníku.
  • Při nabíjení dochází ke zpětnému pohybu a vznikají sloučeniny grafitu a lithia, to znamená, že se energie ukládá ve formě chemické sloučeniny.

Taková baterie plně funguje po dobu asi 1000 cyklů nabití a vybití.

Baterie na modrém pozadí

V moderním světě je každý zvyklý na to, že elektřina je v domě vždy k dispozici. Tisíce lidí každý den pracují na tom, aby jeho zdroje fungovaly hladce.

Historie vynálezu elektřiny

Bylo by chybou tvrdit, že jeden člověk objevil elektřinu. Samotná myšlenka existovala tisíce let a pak začala éra vědeckého a komerčního průzkumu. Mnoho velkých mozků pracovalo na otázce povahy elektřiny.

Thales of Miletus

Kolem roku 600 př. Kr E. Řecký matematik Thales zjistil, že když se srst tře o jantar, vzniká mezi nimi přitažlivost. Ukázalo se, že je způsobena nerovnováhou elektrických nábojů, tzv. statickou elektřinou.

William Gilbert

Anglický fyzik napsal knihu „De Magnete“ v roce 1600. V něm vědec vysvětlil experimenty, které provedl Thales z Milétu. Fenomén statické elektřiny, který starověký badatel vyráběl pomocí jantaru (řecky ‘electrum’), Gilbert nazval elektrickou silou.

Tak se objevilo anglické slovo elektřina. Vědec navíc vynalezl elektroskop, který detekoval přítomnost elektrických nábojů na těle.

Charles Francois Dufay

Na začátku XNUMX. století objevil francouzský vědec dva druhy elektřiny. Nazval je sklovité a pryskyřičné (v moderní terminologii – kladné a záporné náboje). Zjistil, že předměty se stejným nábojem se přitahují a předměty s opačným nábojem se odpuzují.

Benjamin Franklin

V polovině 1748. století provedl Benjamin Franklin četné experimenty studující povahu elektřiny. V roce 1752 se mu podařilo postavit elektrickou baterii ze skleněných tabulí stlačených olověnými deskami. Vědec objevil princip zachování náboje. V létě roku XNUMX provedl Franklin slavný experiment, který dokázal, že blesk je elektřina.

Luigi Galvani

Tento italský fyzik a biolog se postavil do čela objevu fenoménu bioelektromagnetismu. V roce 1780 provedl pokusy na žábách a zjistil, že elektřina je médium, přes které neurony přenášejí signály do svalů.

READ
Jak dlouho trvá, než vnitřní granátové jablko dozraje?

Alessandro Volta

Tento italský fyzik zjistil, že některé chemické reakce jsou zdrojem stejnosměrného elektrického proudu. Sestrojil elektrickou baterii využívající měď a zinek k vytvoření nepřetržitého toku elektrických nábojů.

Volta zavedl pojmy elektrického potenciálu (V) a náboje (Q) a vyjádřil zákon kapacity, později po něm pojmenovaný. Pro tuto práci byla na jeho počest pojmenována jednotka měření elektrického potenciálu.

Hans Christian Oersted a Andre-Marie Ampère

Na začátku XNUMX. století objevil dánský fyzik Hans Christian Oersted přímou souvislost mezi elektřinou a magnetismem. Popsal, jak se střelka kompasu vychyluje elektrickým proudem.

Francouzský fyzik André-Marie Ampère, inspirovaný touto prací, sestavil vzorec k popisu magnetických sil, které vznikají mezi objekty procházejícími proudem. Na jeho počest byla pojmenována jednotka měření elektrického proudu.

Michael Faraday

  • položil základ pro koncepci elektromagnetického pole; že magnetismus ovlivňuje světelné paprsky;
  • vynalezená elektromagnetická rotační zařízení.

V roce 1831 Faraday navrhl elektrické dynamo, ve kterém se rotační mechanická energie nepřetržitě přeměňovala na elektrickou energii. To umožnilo vyrábět elektřinu.

Thomas Edison

V roce 1879 vynalezl vědec praktickou žárovku. Dále se pustil do vývoje systému, který by lidem poskytl zdroj energie pro napájení takových lamp. V roce 1882 byla v Londýně postavena první elektrárna, která vyráběla elektřinu a dodávala ji do domovů lidí.

O pár měsíců později se v New Yorku objevila první elektrárna, která dodávala elektřinu pro osvětlení spodní části ostrova Manhattan (85 spotřebitelů dokázalo rozsvítit 5000 lamp). Byl to stejnosměrný proud.

Nikola Tesla

Nikola Tesla v práci

Nikola Tesla v práci: Flickr

Tesla je známá vývojem nového typu motoru na střídavý proud a technologie přenosu elektrické energie. Nechal si patentovat systém střídavého proudu, aby lidem poskytoval elektřinu nejvyšší kvality. Energetické systémy Tesly se rozšířily do Spojených států a Evropy, protože poskytovaly vysokonapěťový přenos na velkou vzdálenost.

Heinrich Rudolf Hertz a Albert Einstein

Heinrich Hertz se zabýval experimenty se studiem elektromagnetických vln. V roce 1887 popsal fotoelektrický jev, kdy jsou elektrony emitovány (svlečeny z atomu), když elektromagnetické záření (jako je světlo) dopadá na materiál.

V roce 1905 Albert Einstein publikoval zákon fotoelektrických jevů a předpokládal kvanta světelné energie. Tak začal vývoj kvantové mechaniky a vznik solárních článků.

Protože elektřina je pro lidstvo nezbytná, výzkum v této oblasti pokračuje dodnes. Život bez elektrického proudu si nedokážeme představit a vědci hledají jeho nové zdroje.