Электричество

Образно рассмотрим, что это такое — электричество.
Как известно все тела состоят из мельчайших частиц — молекул, молекулы из атомов, атомы ещё из более мелких протонов, нейтронов, электронов.
Каждая частица, молекула, тело имеет свой энергетический заряд.
Тела с положительным (+) зарядом притягиваются к телам с отрицательным
(-)
зарядом, а если одноимённые — (+) с (+) и (-) с (-), то отталкиваются. Наблюдается тенденция движения.

((+) —
положительная, (-) отрицательная полярность)

Интенсивность этого движения частиц в веществах зависит от многих причин; деформация, воздействие света, нагревание, трение, химические реакции.

Электроны движутся вокруг ядра и находятся от него на различных расстояниях, поэтому взаимодействие положительных зарядов протонов ядра с электронами неодинаково, оно ослабляется по мере удаления электрона от ядра.

Таким образом, может меняться число электронов, наиболее удалённых от ядра и наиболее слабо связанных с ядром.

Число электронов в атомах материалов можно изменить трением, нагреванием, с помощью света, деформации, химических реакций и т.д.
Установлено, что из некоторых веществ под действием света, вылетают электроны и эти вещества заряжаются положительным зарядом.
Это явление называется фотоэффектом, на нём основан принцип работы фотоэлементов.

При нагревании металлов до определённой температуры, скорости движения, слабо связанных с ядром электронов, достигают величин, при которых их кинетической энергии хватает оторвать электроны от ядра. Электроны становятся свободными с отрицательными зарядами, а атомы металла, потерявшие электроны, обретают положительные заряды.

Это явление называется термоэлектронной эмиссией и используется, в частности, в кинескопах телевизоров.
В химических источниках электрической энергии положительные и отрицательные полюсы образуются в результате переноса зарядов при химических реакциях (аккумуляторы).

При механической деформации (сжатии, растяжении и т. д.) на поверхности некоторых кристаллических тел (например, кварца) возникают электрические заряды.

Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. При обратном пьезоэлектрическом эффекте кристалл деформируется под действием электроэнергии.

При  этом образуются небольшие источники двух полярностей (+) и (-).
Каждая полярность имеет свою величину — потенциал.
Запас энергии (потенциальная энергия) единицы количества электричества, находящейся в данной точке электрического поля, называется потенциалом.
Чем больше потенциал, тем больше разница между (+) и (-).

Так вот, эта разница потенциалов (+) и (-) — есть электродвижущая сила (эдс).
В замкнутой цепи электрический ток протекает под действием электродвижущей силы (эдс) источника энергии. Электродвижущая сила возникает в источнике и при отсутствии тока в цепи, т. е. когда цепь разомкнута. При холостом ходе, т. е. при отсутствии тока в цепи, эдс равна разности потенциалов на зажимах источника энергии. Так же как и разность потенциалов, эдс измеряется в вольтах (В).
Как при замкнутой, так и при разомкнутой электрической цепи эдс непрерывно поддерживает разность потенциалов на зажимах источника энергии.

В наличии эдс можно убедиться, если присоединить к полюсам источника энергии (вместо линейных проводов) прибор, называемый вольтметром.
Стрелка вольтметра при этом отклонится на некоторый угол. У цифрового прибора изменится значение на дисплее. Отклонение будет тем больше, чем больше эдс источника энергии.

Однако вольтметр покажет не величину эдс, а, как мы увидим дальше, напряжение на зажимах источника, которое так же, как и эдс, измеряется в вольтах (В), киловольтах (кВ), милливольтах (мВ).
( 1вольт=1000милливольт; 1000вольт = 1киловольт..)

Можно представить эти источники в виде маленьких макетов больших источников электрической энергии, которые создал человек (генераторы, аккумуляторы, но об этом позже).

Проводники и сопротивление

Работа № 1 Для успешного проведения практических работ в домашних условиях будем пользоваться самыми доступными методами и компонентами.

Кое-что придётся приобрести в магазине, кое-что заимствовать от старых и неисправных электроприборов.

В данной работе нам пригодятся:

  1. Мультиметр (тестер).
  2. Любой элемент питания, желательно в контейнере.
  3. Колодка контактная (любая).
  4. Переменный резистор (100-1000 ом).
  5. Куски проволоки с разным удельным сопротивлением (таблица далее).

Сначала выставим резистор на сопротивление около 150 ом, измеряя мультиметром
в положении переключателя — 200 ом.

Поставим переключатель на измерение тока в миллиамперах.

Соберём электрическую цепь.

Подключим по очереди проводники одинаковой длины и с одинаковой площадью
поперечного сечения, но из разных материалов.
Запишем показания прибора: I1 = … A, I2 = … А.

Замеряем отрезок:
нихром0.4-30см =14.00mA         Замеряем отрезок: медь0.4-30см = 14.33mA

1) Вывод: сила тока зависит не только от напряжения, но и от свойств проводника.Это означает, что разные проводники оказывают разное противодействие току, т.е. оказывают сопротивление.
Источник энергии, включенный в замкнутую электрическую цепь, расходует энергию на преодоление сопротивления цепей.

Устройства, которые включают в электрическую цепь для установления
определённого сопротивления этой цепи, называются резисторами. Обозначение: R. Единица измерения : Ом. За единицу сопротивления принимают сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В сила тока равна 1 А:

кОм = 1000 Ом, 1 мОм = 0,001 Ом,1 МОм = 1000000 Ом

Выясним:
Что же является причиной, ограничивающей силу тока в проводнике?

Что представляет собой электрический ток в металлах?- Направленное движение электронов.Если бы электроны в проводнике не испытывали никаких помех в своём движении, то они, будучи приведены в упорядоченное движение, двигались бы по инерции неограниченно долго.

В действительности электроны взаимодействуют с ионами кристаллической решётки металла. При этом замедляется упорядоченное движение электронов и сквозь поперечное сечение проводника за 1 сек их проходит меньше.

Соответственно и переносимый электронами за 1 сек заряд, т.е. уменьшается сила тока. Таким образом, каждый проводник как бы противодействует электрическому току, оказывает ему сопротивление. Вывод: причина сопротивления – взаимодействие движущихся электронов с ионами кристаллической решётки. Таким образом, сопротивление проводников зависит от свойств вещества, из которого он изготовлен.

Работа №2.
Включим поочерёдно в цепь проволоки из одинакового материала, но разной длины.
Запишем показания приборов.

Замеряем отрезок: нихром0.4 — 90см = 13.16mA

2) Вывод: сопротивление проводника зависит от его длины; чем длиннее проводник, тем больше сопротивление.

Работа №3.
Включим поочерёдно в цепь проволоки из одинакового материала и одинаковой длины, но с разной площадью поперечного сечения. Запишем показания приборов.

                    Замеряем отрезок: нихром 1.0-30см = 14.21mA

3) Вывод: сопротивление проводника зависит от площади поперечного сечения; чем больше площадь поперечного сечения, тем меньше сопротивление.

Целью проведённых работ является наглядное представление зависимостей
сопротивления проводника:
-от свойств вещества из которого он состоит;
-от поперечного сечения проводника;
-от длины проводника;

Запишем формулу для расчёта сопротивления проводника:

Из формулы следует:

Единица измерения : 1 Ом . мм2 /м, или 1 Ом . м.

На практике часто площадь поперечного сечения выражают в мм2.
Поэтому удобно пользоваться единицей

Выразим длину проводника и площадь поперечного сечения.

Поскольку R металлов зависит от температуры (R увеличивается при повышении температуры), то в таблице приводятся значения при 20 °С.
Способность проводника пропускать электрический ток называется проводимостью g.
Это величина, обратная сопротивлению, единица измерения которой является сименс:
См = 1/om;

Удельная проводимость: y=1/p;

Лучшие проводники электричества: серебро, медь.

Диэлектрики: фарфор, эбонит.

Силу тока на практике приходится менять (уменьшать или увеличивать). Например, изменяя силу тока в динамике радиоприёмника, мы регулируем громкость; в электродвигателе швейной машины – скорость вращения. Прибор для регулирования силы тока называется реостатом (он же переменный резистор)

Условное обозначение реостата:

Конструкция реостатов позволяет изменять длину проводника, по которому идёт ток, изменяя при этом сопротивление в цепи.


Путём изменения сопротивления цепи можно влиять на силу тока в ней.
От неё, в свою очередь, зависит действие, оказываемое током на различные устройства в цепи.

В ползунковых реостатах используют проволоку с большим удельным сопротивлением – никелиновую или нихромовую — покрытую тонким слоем окалины, т.е. витки такого реостата изолированы.
Её наматывают на керамический цилиндр. По металлическому стержню перемещается ползунок.
Реостат рассчитан на определённое сопротивление (наибольшую силу тока). В современных радиоэлектронных устройствах используют резисторы – детали, обеспечивающие заданное (номинальное) электрическое сопротивление цепи.

Переменные сопротивления (потенциометры), могут иметь три вывода, один из которых связан с подвижным контактом, скользящим по поверхности проводящего слоя.

Сопротивление между любым крайним выводом переменного резистора и подвижным контактом зависит от положения движка.