Noções básicas de eletricidade

Os antigos gregos observaram fenômenos elétricos muito antes do início do estudo da eletricidade. Basta esfregar a pedra âmbar semipreciosa com lã ou pêlo, pois ela começa a atrair pedaços de palha seca, papel ou penugem e penas.

Experimentos escolares modernos usam bastões de vidro e ebonite friccionados com seda ou lã. Neste caso, considera-se que fica uma carga positiva no bastão de vidro e uma carga negativa no bastão de ebonite. Essas hastes também podem atrair pequenos pedaços de papel ou similares. pequenos objetos. É essa atração que é o efeito do campo elétrico que foi estudado por Charles Coulomb.

Em grego, o âmbar é chamado de elétron, então para descrever tal força atrativa, William Hilbert (1540 - 1603) propôs o termo "elétrico".

Em 1891, o cientista inglês Stony George Johnston levantou a hipótese da existência de partículas elétricas em substâncias, que ele chamou de elétrons. Essa afirmação tornou muito mais fácil entender os processos elétricos nos fios.

Os elétrons nos metais são bastante livres e facilmente separados de seus átomos e, sob a ação de um campo elétrico, mais precisamente, as diferenças de potencial se movem entre os átomos do metal, criando eletricidade… Assim, a corrente elétrica em um fio de cobre é um fluxo de elétrons fluindo ao longo do fio de uma extremidade à outra.

Não apenas os metais são capazes de conduzir eletricidade. Sob certas condições, líquidos, gases e semicondutores são eletricamente condutores. Nesses ambientes, os portadores de carga são íons, elétrons e buracos. Mas por enquanto estamos falando apenas de metais, porque mesmo neles nem tudo é tão simples.

Por enquanto, estamos falando de corrente contínua, cuja direção e magnitude não mudam. Portanto, em diagramas elétricos é possível indicar com setas onde a corrente flui. Acredita-se que a corrente flua do pólo positivo para o pólo negativo, uma conclusão alcançada no início do estudo da eletricidade.

Mais tarde descobriu-se que os elétrons realmente se movem na direção exatamente oposta – de menos para mais. Mas, apesar disso, eles não desistiram da direção "errada", aliás, essa mesma direção é chamada de direção técnica da corrente. Que diferença faz se a lâmpada ainda acende. A direção do movimento dos elétrons é chamada de verdadeira e é mais usada em pesquisas científicas.

Isso é ilustrado na Figura 1.

Imagem 1.

Se o interruptor for "jogado" para a bateria por algum tempo, o capacitor eletrolítico C será carregado e alguma carga se acumulará nele. Depois de carregar o capacitor, o interruptor foi colocado na lâmpada. A lâmpada pisca e apaga - o capacitor descarrega. É bastante óbvio que a duração do flash depende da quantidade de carga elétrica armazenada no capacitor.

Uma bateria galvânica também armazena carga elétrica, mas muito mais do que um capacitor. Portanto, o tempo de flash é longo o suficiente - a lâmpada pode queimar por várias horas.

Carga elétrica, corrente, resistência e tensão

O estudo das cargas elétricas foi realizado pelo cientista francês C. Coulomb, que em 1785 descobriu a lei que leva seu nome.

Nas fórmulas, a carga elétrica é denotada como Q ou q. O significado físico dessa quantidade é a capacidade dos corpos carregados de entrar em interações eletromagnéticas: à medida que as cargas se repelem, as diferentes se atraem. A força de interação entre as cargas é diretamente proporcional ao tamanho das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles. Se estiver na forma de uma fórmula, fica assim:

F = q1 * q2 / r2

A carga elétrica do elétron é muito pequena, então na prática eles usam a magnitude da carga chamada coulomb... É esse valor que é usado no sistema internacional SI (C). Um pingente contém nada menos que 6,24151 * 1018 (dez à décima oitava potência) elétrons. Se 1 milhão de elétrons por segundo forem liberados dessa carga, esse processo durará até 200 mil anos!

A unidade de medida de corrente no sistema SI é o Ampere (A), em homenagem ao cientista francês André Marie Ampere (1775 — 1836). A uma corrente de 1A, uma carga de exatamente 1 C passa pela seção transversal do fio em 1 segundo. A fórmula matemática neste caso é a seguinte: I = Q / t.

Nesta fórmula, a corrente está em ampères, a carga em coulombs e o tempo em segundos. Todos os dispositivos devem estar em conformidade com o sistema SI.

Em outras palavras, um pingente é liberado por segundo. Muito semelhante à velocidade de um carro em quilômetros por hora.Portanto, a força de uma corrente elétrica nada mais é do que a taxa de fluxo de carga elétrica.

Mais frequentemente na vida cotidiana, a unidade fora do sistema Ampere * hora é usada. Basta recordar as baterias de automóveis, cuja capacidade é indicada apenas em ampères-hora. E todo mundo sabe e entende isso, embora ninguém se lembre de nenhum pingente em lojas de autopeças. Mas, ao mesmo tempo, ainda há uma proporção: 1 C = 1 * / 3600 amperes * hora. É possível chamar tal quantidade ampère * segundo.

Em outra definição, uma corrente de 1 A flui em um condutor de resistência 1 Ω em diferença de potencial (tensão) nas pontas do fio 1 V. A relação entre esses valores é determinada por lei de ohm... Esta é talvez a lei eléctrica mais importante, não é por acaso que a sabedoria popular diz: «Se não conheces a lei de Ohm, fica em casa!»

O teste da lei de Ohm

Esta lei agora é conhecida por todos: «A corrente no circuito é diretamente proporcional à tensão e inversamente proporcional à resistência.» Parece que são apenas três letras — I = U / R, todo aluno dirá: «E daí?». Mas, na verdade, o caminho para essa fórmula curta foi bastante espinhoso e longo.

Para testar a lei de Ohm, você pode montar o circuito mais simples mostrado na Figura 2.

Figura 2.

A investigação é bastante simples - aumentando a tensão de alimentação ponto a ponto no papel, construa o gráfico mostrado na Figura 3.

Figura 3.

Parece que o gráfico deve ser uma linha perfeitamente reta, já que a relação I = U / R pode ser representada como U = I * R, e na matemática é uma linha reta. Na verdade, do lado direito, a linha se curva. Talvez não muito, mas dobra e por algum motivo é muito versátil.Nesse caso, a flexão dependerá do método de aquecimento da resistência testada. Não é à toa que é feito de um longo fio de cobre: ​​você pode enrolar firmemente uma bobina em uma bobina, pode fechá-la com uma camada de amianto, talvez a temperatura na sala hoje seja a mesma, mas ontem era diferente, ou há uma corrente de ar na sala.

Isso ocorre porque a temperatura afeta a resistência da mesma forma que as dimensões lineares dos corpos físicos quando aquecidos. Cada metal tem seu próprio coeficiente de temperatura de resistência (TCR). Mas quase todo mundo sabe e se lembra da expansão, mas esquece a mudança nas propriedades elétricas (resistência, capacitância, indutância). Mas a temperatura nesses experimentos é a fonte mais estável de instabilidade.

Do ponto de vista literário, revelou-se uma tautologia bastante bonita, mas neste caso expressa com muita precisão a essência do problema.

Muitos cientistas em meados do século XIX tentaram descobrir essa dependência, mas a instabilidade dos experimentos interferiu e levantou dúvidas sobre a veracidade dos resultados obtidos. Apenas Georg Simon Ohm (1787-1854) conseguiu isso, que conseguiu rejeitar todos os efeitos colaterais ou, como dizem, ver a floresta pelas árvores. A resistência de 1 Ohm ainda leva o nome desse brilhante cientista.

Cada ingrediente pode ser expresso pela lei de Ohm: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

Para não esquecer essas relações, existe o chamado Triângulo de Ohm, ou algo parecido, mostrado na Figura 4.

Figura 4. Triângulo de Ohm

Usá-lo é muito simples: basta fechar o valor desejado com o dedo e as outras duas letras mostrarão o que fazer com elas.

Resta lembrar que papel a tensão desempenha em todas essas fórmulas, qual é o seu significado físico. A tensão é geralmente entendida como a diferença de potencial em dois pontos no campo elétrico. Para facilitar o entendimento, utilizam analogias, via de regra, com tanque, água e canos.

Neste esquema de "encanamento", o consumo de água na tubulação (litros/seg) é apenas a corrente (coulomb/seg), e a diferença entre o nível superior do tanque e a torneira aberta é a diferença de potencial (tensão) . Além disso, se a válvula estiver aberta, a pressão de saída é igual à atmosférica, o que pode ser considerado como um nível zero condicional.

Em circuitos elétricos, esta convenção permite tomar um ponto para um condutor comum ("terra") contra o qual todas as medições e ajustes são feitos. Na maioria das vezes, presume-se que o terminal negativo da fonte de alimentação seja esse fio, embora nem sempre seja o caso.

A diferença de potencial é medida em volt (V), em homenagem ao físico italiano Alessandro Volta (1745-1827). Segundo a definição moderna, com uma diferença de potencial de 1 V, gasta-se uma energia de 1 J para mover uma carga de 1 C. A energia consumida é reposta por uma fonte de alimentação, por analogia com um circuito de «canalização», irá ser uma bomba que suporta o nível de água no tanque.