พื้นฐานของไฟฟ้า

ชาวกรีกโบราณสังเกตปรากฏการณ์ทางไฟฟ้ามานานก่อนที่จะเริ่มการศึกษาไฟฟ้า การถูหินอำพันกึ่งมีค่าด้วยขนสัตว์หรือขนสัตว์ก็เพียงพอแล้ว เนื่องจากหินอำพันจะเริ่มดึงดูดเศษฟางแห้ง กระดาษ หรือปุยและขนนก

การทดลองในโรงเรียนสมัยใหม่ใช้แก้วและแท่งไม้มะเกลือถูด้วยไหมหรือขนแกะ ในกรณีนี้ จะถือว่าประจุบวกยังคงอยู่ที่แท่งแก้ว และประจุลบที่แท่งมะเกลือ แท่งเหล่านี้ยังสามารถดึงดูดกระดาษชิ้นเล็กๆ หรือสิ่งที่คล้ายกัน วัตถุขนาดเล็ก แรงดึงดูดนี้เป็นผลจากสนามไฟฟ้าที่ชาร์ลส์ คูลอมบ์ศึกษา

ในภาษากรีก อำพันเรียกว่าอิเล็กตรอน ดังนั้นเพื่ออธิบายแรงดึงดูดดังกล่าว วิลเลียม ฮิลแบร์ต (1540 - 1603) จึงเสนอคำว่า "ไฟฟ้า"

ในปี 1891 Stony George Johnston นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้ตั้งสมมติฐานการมีอยู่ของอนุภาคไฟฟ้าในสารซึ่งเขาเรียกว่าอิเล็กตรอน ข้อความนี้ช่วยให้เข้าใจกระบวนการทางไฟฟ้าในสายไฟได้ง่ายขึ้นมาก

อิเล็กตรอนในโลหะค่อนข้างอิสระและแยกออกจากอะตอมได้ง่าย และภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า แม่นยำยิ่งขึ้น ความต่างศักย์จะเคลื่อนที่ระหว่างอะตอมของโลหะ ทำให้เกิด ไฟฟ้า… ดังนั้น กระแสไฟฟ้าในลวดทองแดงจึงเป็นการไหลของอิเล็กตรอนที่ไหลไปตามเส้นลวดจากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง

ไม่เพียงแต่โลหะเท่านั้นที่สามารถนำไฟฟ้าได้ ภายใต้สภาวะบางอย่าง ของเหลว ก๊าซ และสารกึ่งตัวนำจะนำไฟฟ้าได้ ในสภาพแวดล้อมเหล่านี้ ตัวพาประจุ ได้แก่ ไอออน อิเล็กตรอน และโฮล แต่ตอนนี้เรากำลังพูดถึงโลหะเท่านั้นเพราะแม้แต่ในนั้นทุกอย่างก็ไม่ง่ายนัก

สำหรับตอนนี้ เรากำลังพูดถึงกระแสตรง ทิศทางและขนาดไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นบนไดอะแกรมไฟฟ้าจึงเป็นไปได้ที่จะระบุด้วยลูกศรว่ากระแสไหลที่ใด เชื่อกันว่ากระแสไฟฟ้าไหลจากขั้วบวกไปยังขั้วลบ ซึ่งเป็นข้อสรุปในช่วงต้นของการศึกษาไฟฟ้า

ต่อมาปรากฎว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม - จากลบไปบวก แต่ถึงกระนั้นพวกเขาก็ไม่ละทิ้งทิศทางที่ "ผิด" ยิ่งไปกว่านั้น ทิศทางนี้เรียกว่าทิศทางทางเทคนิคของกระแส จะเกิดความแตกต่างอะไรหากหลอดไฟยังสว่างอยู่ ทิศทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเรียกว่าจริงและมักใช้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์

ซึ่งแสดงไว้ในรูปที่ 1

รูปภาพที่ 1

หากสวิตช์ถูก "โยน" ไปที่แบตเตอรี่เป็นระยะเวลาหนึ่ง ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า C จะถูกชาร์จและประจุบางส่วนจะสะสมอยู่บนนั้น หลังจากชาร์จตัวเก็บประจุแล้ว สวิตช์ก็หมุนไปที่หลอดไฟ หลอดไฟกะพริบและดับ - ตัวเก็บประจุจะคายประจุ เห็นได้ชัดว่าระยะเวลาของแฟลชขึ้นอยู่กับปริมาณประจุไฟฟ้าที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุ

แบตเตอรี่กัลวานิกยังเก็บประจุไฟฟ้า แต่มากกว่าตัวเก็บประจุ ดังนั้น เวลาแฟลชจึงนานเพียงพอ — หลอดไฟสามารถเผาไหม้ได้นานหลายชั่วโมง

ประจุไฟฟ้า กระแส ความต้านทาน และแรงดัน

การศึกษาประจุไฟฟ้าดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส C. Coulomb ซึ่งในปี พ.ศ. 2328 ได้ค้นพบกฎหมายที่ตั้งชื่อตามเขา

ในสูตร ประจุไฟฟ้าจะแสดงเป็น Q หรือ q ความหมายทางกายภาพของปริมาณนี้คือความสามารถของวัตถุที่มีประจุในการเข้าสู่ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า: เมื่อประจุขับไล่ ประจุต่าง ๆ จะดึงดูด แรงของอันตรกิริยาระหว่างประจุเป็นสัดส่วนโดยตรงกับขนาดของประจุและแปรผกผันกับกำลังสองของระยะทาง ระหว่างพวกเขา. หากอยู่ในรูปของสูตรจะมีลักษณะดังนี้

F = q1 * q2 / r2

ประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมาก ดังนั้นในทางปฏิบัติจึงใช้ขนาดของประจุที่เรียกว่า คูลอมบ์... เป็นค่านี้ที่ใช้ในระบบระหว่างประเทศ SI (C) จี้ประกอบด้วยอิเล็กตรอนไม่น้อยกว่า 6.24151 * 1018 (กำลังสิบถึงสิบแปด) หากปล่อยประจุนี้ออกมา 1 ล้านอิเล็กตรอนต่อวินาที กระบวนการนี้จะอยู่ได้นานถึง 200,000 ปี!

หน่วยวัดกระแสในระบบ SI คือแอมแปร์ (A) ซึ่งตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Andre Marie Ampere (1775 — 1836) ที่กระแส 1A ประจุ 1 C จะผ่านส่วนตัดขวางของเส้นลวดใน 1 วินาที สูตรทางคณิตศาสตร์ในกรณีนี้มีดังนี้: I = Q / t

ในสูตรนี้ กระแสมีหน่วยเป็นแอมแปร์ ประจุมีหน่วยเป็นคูลอมบ์ และเวลามีหน่วยเป็นวินาที อุปกรณ์ทั้งหมดต้องเป็นไปตามระบบ SI

กล่าวอีกนัยหนึ่งจี้หนึ่งอันจะถูกปล่อยออกมาต่อวินาที คล้ายกับความเร็วของรถยนต์ในหน่วยกิโลเมตรต่อชั่วโมงดังนั้นความแรงของกระแสไฟฟ้าจึงไม่มีอะไรมากไปกว่าอัตราการไหลของประจุไฟฟ้า

บ่อยขึ้นในชีวิตประจำวันจะใช้หน่วยนอกระบบ แอมแปร์ * ชั่วโมง ก็เพียงพอแล้วที่จะเรียกคืนแบตเตอรี่รถยนต์ซึ่งระบุความจุเป็นแอมแปร์ชั่วโมงเท่านั้น และทุกคนรู้และเข้าใจสิ่งนี้แม้ว่าจะไม่มีใครจำจี้ในร้านอะไหล่รถยนต์ได้ แต่ในขณะเดียวกันก็ยังมีอัตราส่วน: 1 C = 1 * / 3600 แอมแปร์ * ชั่วโมง เป็นไปได้ที่จะเรียกปริมาณดังกล่าวเป็นแอมแปร์ * วินาที

ในอีกความหมายหนึ่ง กระแส 1 A ไหลในตัวนำที่มีความต้านทาน 1 Ω ที่ ความต่างศักย์ (แรงดัน) ที่ปลายสาย 1 V อัตราส่วนระหว่างค่าเหล่านี้ถูกกำหนดโดย กฎของโอห์ม... นี่อาจเป็นกฎไฟฟ้าที่สำคัญที่สุด ไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่ภูมิปัญญาชาวบ้านพูดว่า: «ถ้าคุณไม่รู้กฎของโอห์ม อยู่บ้าน!»

การทดสอบกฎของโอห์ม

ตอนนี้ทุกคนรู้กฎนี้แล้ว: «กระแสในวงจรเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงดันและแปรผกผันกับความต้านทาน» ดูเหมือนว่ามีเพียงสามตัวอักษร — I = U / R นักเรียนทุกคนจะพูดว่า: «แล้วไง». แต่แท้จริงแล้วเส้นทางสู่สูตรลัดนี้ค่อนข้างมีขวากหนามและยาวไกล

ในการทดสอบกฎของโอห์ม คุณสามารถประกอบวงจรที่ง่ายที่สุดที่แสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2

การตรวจสอบค่อนข้างง่าย—โดยการเพิ่มแรงดันแหล่งจ่ายทีละจุดบนกระดาษ สร้างกราฟที่แสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3

ดูเหมือนว่ากราฟควรจะเป็นเส้นตรงอย่างสมบูรณ์ เนื่องจากความสัมพันธ์ I = U / R สามารถแสดงเป็น U = I * R และในทางคณิตศาสตร์ มันคือเส้นตรง ในความเป็นจริงทางด้านขวาเส้นจะโค้งลง อาจจะไม่มากนัก แต่มันโค้งงอและด้วยเหตุผลบางประการจึงมีความหลากหลายมากในกรณีนี้ การดัดจะขึ้นอยู่กับวิธีการให้ความร้อนกับความต้านทานที่ทดสอบ ไม่ใช่เพื่ออะไรที่ทำจากลวดทองแดงยาว: คุณสามารถพันขดลวดให้แน่นกับขดลวดได้คุณสามารถปิดด้วยชั้นของแร่ใยหินบางทีอุณหภูมิในห้องวันนี้จะเท่ากัน แต่เมื่อวานมันเป็น แตกต่างกันหรือมีร่างอยู่ในห้อง

เนื่องจากอุณหภูมิส่งผลต่อความต้านทานในลักษณะเดียวกับขนาดเชิงเส้นของร่างกายเมื่อได้รับความร้อน โลหะแต่ละชนิดมีค่าสัมประสิทธิ์การต้านทานอุณหภูมิ (TCR) ของตัวเอง แต่เกือบทุกคนรู้และจำได้เกี่ยวกับการขยายตัว แต่ลืมเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟ้า (ความต้านทาน ความจุ ความเหนี่ยวนำ) แต่อุณหภูมิในการทดลองเหล่านี้เป็นแหล่งความไม่เสถียรที่เสถียรที่สุด

จากมุมมองของวรรณกรรมมันกลายเป็นถ้อยคำที่ค่อนข้างสวยงาม แต่ในกรณีนี้มันแสดงสาระสำคัญของปัญหาได้อย่างแม่นยำมาก

นักวิทยาศาสตร์หลายคนในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 พยายามที่จะค้นพบการพึ่งพาอาศัยกันนี้แต่ความไม่แน่นอนของการทดลองรบกวนและตั้งข้อสงสัยเกี่ยวกับความจริงของผลลัพธ์ที่ได้รับ มีเพียง Georg Simon Ohm (1787-1854) เท่านั้นที่ประสบความสำเร็จในเรื่องนี้ซึ่งสามารถปฏิเสธได้ ผลข้างเคียงทั้งหมดหรือตามที่พวกเขาพูดเพื่อดูป่าสำหรับต้นไม้ ความต้านทาน 1 โอห์มยังคงเป็นชื่อของนักวิทยาศาสตร์ที่ยอดเยี่ยมคนนี้

ส่วนผสมแต่ละอย่างสามารถแสดงได้ตามกฎของโอห์ม: I = U / R, U = I * R, R = U / I

เพื่อไม่ให้ลืมความสัมพันธ์เหล่านี้ จึงมีสิ่งที่เรียกว่าสามเหลี่ยมของโอห์มหรือสิ่งที่คล้ายกัน ดังแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 4 สามเหลี่ยมของโอห์ม

การใช้งานนั้นง่ายมาก เพียงแค่ปิดค่าที่ต้องการด้วยนิ้วของคุณและตัวอักษรอีกสองตัวจะแสดงให้คุณเห็นว่าจะทำอย่างไรกับมัน

มันยังคงจำได้ว่าความตึงเครียดมีบทบาทอย่างไรในสูตรเหล่านี้ ความหมายทางกายภาพของมันคืออะไร แรงดันไฟฟ้ามักจะเข้าใจว่าเป็นความต่างศักย์ที่จุดสองจุดในสนามไฟฟ้า เพื่อความเข้าใจที่ง่ายขึ้นพวกเขาใช้การเปรียบเทียบกับถังน้ำและท่อตามกฎ

ในรูปแบบ "ประปา" นี้ ปริมาณการใช้น้ำในท่อ (ลิตร / วินาที) เป็นเพียงกระแส (คูลอมบ์ / วินาที) และความแตกต่างระหว่างระดับบนในถังและก๊อกเปิดคือความต่างศักย์ (แรงดัน) . นอกจากนี้ หากวาล์วเปิดอยู่ แรงดันขาออกจะเท่ากับบรรยากาศ ซึ่งสามารถใช้เป็นระดับศูนย์แบบมีเงื่อนไขได้

ในวงจรไฟฟ้า ข้อตกลงนี้ทำให้สามารถใช้จุดสำหรับตัวนำร่วม ("กราวด์") ซึ่งจะทำการวัดและปรับแต่งทั้งหมด ส่วนใหญ่มักจะถือว่าขั้วลบของแหล่งจ่ายไฟเป็นสายนี้แม้ว่าจะไม่เป็นเช่นนั้นเสมอไป

ความต่างศักย์วัดเป็นโวลต์ (V) ซึ่งตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวอิตาลี Alessandro Volta (1745-1827) ตามคำจำกัดความที่ทันสมัย ​​ด้วยความต่างศักย์ 1 V พลังงาน 1 J จะถูกใช้เพื่อเคลื่อนย้ายประจุ 1 C พลังงานที่ใช้ไปจะถูกเติมโดยแหล่งพลังงาน โดยเปรียบเทียบกับวงจร «ประปา» มันจะ เป็นเครื่องสูบน้ำที่รองรับระดับน้ำในถัง