Напруга струму.
Напевно, у кожного з нас, хоча б раз в житті, виникали питання про те, що таке струм, напруга струму, заряд і ін. Все це складові одного великого фізичного поняття - електрику. Давайте, на найпростіших прикладах, спробуємо вивчити основні закономірності електричних явищ.
Що таке електрика.
Електрика - це сукупність фізичних явищ, пов'язаних з виникненням, накопиченням, взаємодією і перенесенням електричного заряду . На думку більшості істориків науки, перші електричні явища були відкриті давньогрецьким філософом Фалесом в сьомому столітті до нашої ери. Фалес спостерігав дію статичної електрики: тяжіння до натертого шерстю янтарю легких предметів і частинок. Щоб повторити цей досвід самостійно вам необхідно потерти про вовняну або бавовняну тканину будь-пластиковий предмет (наприклад, ручку або лінійку) і піднести його до мелконарезанним шматочках паперу.
Першою серйозною науковою роботою, в якій описані дослідження електричних явищ став трактат англійського вченого Вільяма Гілберта «Про магніті, магнітних тілах і великому магніті - Землі» виданий в 1600 р У цій роботі автор описав результати своїх дослідів з магнітами і наелектризованими тілами. Тут же вперше згадується термін електрику.
Дослідження У. Гілберта дали серйозний поштовх розвитку науки про електрику і магнетизм: за період з початку 17 до кінця 19 століття було проведено велику кількість експериментів і сформульовані основні закони, що описують електромагнітні явища. А в 1897 році англійський фізик Джозеф Томсон відкрив електрон - елементарну заряджену частинку, яка визначає електричні і магнітні властивості речовини. Електрон (давньогрецькою мовою електрон - це янтар) має негативний заряд приблизно рівний 1,602 * 10-19 Кл (Кулона) і масу рівну 9,109 * 10-31 кг. Завдяки електронам і іншим зарядженим частинкам відбуваються електричні та магнітні процеси в речовинах.
Що таке напруга.
переміщення заряджених частинок в тілах і речовинах відбувається завдяки різниці потенціалів або електричної напруги. Напруга (напругу струму) - це фізична величина дорівнює відношенню роботи електричного поля витраченої на перенесення електричного заряду з однієї точки в іншу (між полюсами) до цього заряду. Напруга вимірюється в Вольтах (В) і позначається буквою V. Для того щоб перемістити між полюсами заряд в 1 Кл, зробивши при цьому роботу в 1 Дж (Джоуль), необхідна напруга струму рівне 1 В.
Для кращого розуміння взаємозв'язків між різницею потенціалів, електричним зарядом і струмом скористаємося наступним наочним прикладом. Уявімо ємність з трубою внизу, наповнену до певного рівня водою. Домовимося, що кількість води відповідає величині заряду, висота води в ємності (тиск стовпа рідини) - це напруга, а інтенсивність виходу потоку води з труби - це електричний струм.
Чим більше води в резервуарі, тим більше висота стовпа води і вище тиск. Аналогічно в електричних явищах: чим більше величина заряду, тим вище напруга необхідне для його перенесення. Почнемо випускати воду: тиск в резервуарі буде зменшуватися. Т. е. Зі зменшенням величини заряду - знижується напруга струму. Також наочно це видно при роботі ліхтарика з начавшими розряджатися батарейками: у міру того як розряджаються батарейки яскравість лампочки стає все менше і менше.
Електричний струм.
Електричний струм - це спрямований рух заряджених частинок. Носіями заряду, при цьому, можуть бути електрони, іони, протони і дірки. Для виникнення і існування електричного струму необхідна наявність вільних заряджених частинок і наявність електричного поля. Залежно від наявності або відсутності заряджених частинок в речовинах, вони можуть бути провідниками, напівпровідниками і діелектриками. Умовно напрямком руху струму вважається напрямок від позитивно зарядженого полюса до негативного. На практиці напрямок руху заражених частинок залежить від знака їх заряду: негативно заряджені електрони рухаються від мінуса до плюса, позитивно заряджені іони - від плюса до мінуса.
Кількісною характеристикою електричного струму є сила струму. Сила струму позначається буквою I і вимірюється в Амперах (А). Сила струму в 1 А виникає при проходженні через поперечний переріз провідника заряду в 1 До за 1 сек.
Повернемося до прикладу, з водою в ємності. Візьмемо два резервуари з однаковим рівнем води, але різними діаметрами труб на виході.
Порівняємо характер витікання води з обох резервуарів: рівень води в лівому баку зменшується швидше, ніж у правому. Т. е. Інтенсивність закінчення води залежить від діаметра труби. Спробуємо зрівняти два потоки: додамо в правий бак воду, таким чином збільшивши висоту стовпа рідини. Це підвищить тиск в правому баку і, відповідно, збільшить інтенсивність закінчення води. Аналогічно і в електричних ланцюгах: зі збільшенням напруги струму, збільшується і його сила. Аналогом діаметра труби в ланцюзі є електричний опір провідника.
Наведені приклади з водою наочно демонструють зв'язок між електричним струмом, напругою струму і опором .
Розрізняють постійний і змінний електричні струми. Якщо заряджені частинки постійно рухаються в одному напрямку, то в ланцюзі - постійний струм і, відповідно, постійна напруга струму. Якщо напрямок руху частинок періодично змінюється (вони переміщаються то в одному, то в іншому напрямку), то це - змінний струм і виникає він, відповідно, при наявності змінної напруги (т. Е. Коли різниця потенціалів змінює свою полярність). Для змінного струму характерно періодичне зміна величини сили струму: вона приймає те максимальне, то мінімальне значення. Ці значення сили струму є амплітудними, або піковими. Частота зміни полярності напруги може бути різною. Наприклад, в нашій країні ця частота дорівнює 50 Герц (т. Е. Напруга змінює свою полярність 50 раз в секунду), а в США частота змінного струму - 60 Гц (Герц).