Original: https://www.swansontec.com/set.html

Уільям Суонсон

Цей довідник – це короткий вступ до понять заряду, напруги та струму. Цей підручник не такий довгий і виснажливий, як підручник з коледжу, але він містить більше інформації, ніж студенти, можливо, знайдуть у початковій шкільній книзі.

Атом

Зліва – концептуальна креслення атома. Атоми – це складові речовини. Все складається з атомів, від скель, до дерев, до зірок, навіть до себе. Атом складається з щільно упакованого ядра, що містить один або декілька протонів (кольорового кольору на малюнку), і зазвичай рівну кількість нейтронів (сірий). Електрони (сині) оточують ядро, утворюючи електронну хмару. Кількість електронів в електрично стійкому атомі завжди дорівнює кількості протонів у ядрі.

Електричний заряд

Між протонами і електронами відбувається дивна річ: протон і електрон завжди притягуються один до одного, тоді як протон відштовхує інші протони, а електрон відштовхує інші електрони. Така поведінка викликана чимось, що називається електричною силою. Кажуть, що протони мають позитивний електричний заряд, тоді як електрони мають негативний електричний заряд. Два об’єкти з однаковим типом заряду відштовхуються один від одного, тоді як два об’єкти з протилежними зарядами притягуються один до одного. Оскільки протон і електрон мають протилежні електричні заряди, вони притягуються один до одного. Два протони, однак, віддаляються один від одного через однакові електричні заряди. Те саме стосується двох електронів, які відштовхуються один від одного через однакові негативні заряди.

Електричний баланс

Більшість матерії містить рівну кількість протонів та електронів. Негативні електрони врівноважують позитивні протони, і матерія не має загального електричного заряду. Слово загальне є важливим, оскільки звинувачення все ще є, підстрибуючи всередині справи. Електричні заряди є скрізь, але ми просто не можемо їх відчути, оскільки вони знаходяться в рівновазі. Насправді, якщо ви візьмете хімію, ви дізнаєтесь, що електрична сила – це саме те, що тримає матерію разом. Наступного разу, коли ви щось підберете, подумайте, що все, що ви тримаєте, буквально наповнене електричним зарядом. Це важливий факт, який багато людей пропускають, коли вивчають електроенергію.

Статична електрика

Скажімо, ми викрадаємо електрон з одного атома і передаємо електрон іншому. Один атом матиме загальний позитивний заряд, а другий матиме загальний негативний заряд. Коли це відбувається, два атоми називаються іонами. Оскільки іони мають загальний електричний заряд, вони можуть взаємодіяти з іншими зарядженими об’єктами. Оскільки, як відштовхування зарядів, так і протилежні заряди притягують, позитивний іон буде залучати негативно заряджені об’єкти, такі як електрони або інші іони, і відштовхувати позитивно заряджені об’єкти. Негативно заряджений іон притягне позитивно заряджені об’єкти і відштовхне інші негативно заряджені об’єкти.

Те саме стосується великих об’єктів. Якщо ви берете електрони з одного об’єкта і розміщуєте їх на іншому об’єкті, перший об’єкт матиме загальний позитивний заряд, а другий матиме загальний негативний заряд. Залежно від типів предметів та кількості заряду, що залучається, електричної сили може бути достатньо, щоб об’єкти злипалися. Це явище часто називають “статичною електрикою”.

Існує кілька способів вкрасти електрони з одного об’єкта і подати їх іншому. Деякі із способів включають хімічні реакції, механічний рух, світло і навіть тепло. Якщо натерти скляний стрижень шовком, електрони в скляному стрижні вибиваються і збираються на шовк. Скляний стрижень отримує загальний позитивний заряд, а шовк отримує загальний негативний заряд. У акумуляторі хімічні реакції використовуються для витіснення електронів з позитивного терміналу і розміщення їх на негативному терміналі.

Вимірювання зарядів

Кількість загального електричного заряду, яким володіє предмет, вимірюється в кулонах. Один кулон приблизно дорівнює кількості заряду, який має 6 000 000 000 000 000 000 (шість мільярдів мільярдів) електронів. Хоча спочатку це може здатися величезною кількістю, це насправді не так багато, оскільки електрони настільки крихітні. Тільки для того, щоб дати вам уявлення, один кулон – це приблизно кількість заряду, що протікає через 12-ватну автомобільну лампочку за одну секунду.

Якщо відомий обсяг заряду, який мають два об’єкти, і відстань між ними, то можна обчислити величину сили між об’єктами, використовуючи формулу, відому як закон Кулона. Цей закон був відкритий Шарлем Августином де Куломбом у 1784 р. І зазначається, що сила між двома зарядженими предметами змінюється безпосередньо як заряди предметів, так і навпаки, як площа відстані між ними. Закон Кулона виглядає так у формулі:

F – сила, у ньютонах.
q та q’ – заряди двох предметів, у кулонах.
r – відстань між предметами, у метрах.
k – константа, що дорівнює 8.98755×10⁹ N m² C^-2

Напруга

Щоразу, коли електрони беруться з одного об’єкта і розміщуються на іншому, викликаючи дисбаланс заряду, ми говоримо, що існує напруга. Це те, що хтось має на увазі, коли вони говорять, що щось має стільки вольт електроенергії. Вони описують різницю заряду в двох різних місцях. Стандартний акумулятор АА має різницю в 1,5 вольт між його позитивним і негативним клеммою, тоді як акумулятор автомобіля має різницю в 12 вольт між двома його клемами, а щоденний тип статичної електрики, який змушує речі склеюватися і час від часу дає вам поштовх коли ви торкаєтесь металевого предмета, зазвичай вимірюється тисячами вольт.

Ще один спосіб зрозуміти напругу – це думати про “електричне поле”. Уявіть позитивно заряджену тарілку поруч із негативно зарядженою пластиною. Якщо помістити позитивно заряджений предмет між цими пластинами, електричне поле пластин приверне об’єкт до негативної сторони. Уявіть, що ви розміщуєте об’єкт із 1 кулоном позитивного заряду поруч із негативною пластиною, а потім тягніть предмет до позитивної пластини. Оскільки електричне поле створює силу в протилежному напрямку, для переміщення зарядженого об’єкта потрібна енергія. Кількість енергії залежить від відстані між пластинами і сили електричного поля, створеного плитами. Ця енергія називається “напругою” електричного поля. Один вольт – це кількість енергії в джоулях, необхідна для переміщення предмета з 1 кулоном заряду через електричне поле. Математично 1 вольт = 1 джоуль/1 кулон.

Вольти корисні, оскільки вони акуратно описують розмір і силу будь-якого електричного поля. Візуалізувати електричне поле між двома простими пластинами легко, але візуалізувати поле в складній схемі з акумуляторами, двигунами, лампочками та вимикачами дуже складно. Напруга спрощує такі схеми, описуючи все електричне поле одним числом.

Електричний струм

Слово струм походить від латинського слова currere, що означає втекти або текти. Електричний струм є не чим іншим, як потоком електричних зарядів. Електричні заряди можуть текти тільки через певні матеріали, звані провідники. Незважаючи на те, що електрони в більшості матеріалів обмежені фіксовані орбіти, деякі матеріали, в тому числі більшості металів, мають багато вільних електронів, які вільні бродити через матеріал. Матеріали , що володіють цією властивістю діяти в якості провідників. Коли провідник поміщається між двома зарядженими об’єктами, ці вільні електрони відштовхуються від негативно зарядженого об’єкта і всмоктуються в позитивно заряджений об’єкт. Результат є те, що є потік заряду, званий струмом, і заряджає два об’єкти стає збалансований. Величина струму, що протікає через провідник в будь-який момент часу в вимірюється в амперах бо підсилювачі для стислості. Коли ви читаєте щось, що використовує так багато підсилювачів, то, що вам говорять це кількість струму, що протікає через пристрій. Один Ампер дорівнює потоку одного кулона заряду в одну секунду.

Батареї та струм

У попередньому розділі ми розглянули, як струм тече від одного зарядженого об’єкта до іншого, скасовуючи заряди двох об’єктів. Після того, як звинувачення було скасовано, струм припинився. Якби течія завжди була такою нетривалою, це було б дуже недоцільно. Уявіть собі ліхтарик, який тривав лише частину секунди, перш ніж потрібно було зарядитись! Хоча струм, як правило, скасовує заряди на двох об’єктах, а потім припиняє текти, якщо заряд може бути розміщений на об’єктах швидше, ніж струм може зливати заряд, можна постійно тривати струм, що протікає постійно. Ось що відбувається в акумуляторі. Хімічні реакції всередині електрона батареї перекачують електрони від позитивного терміналу до негативного терміналу швидше, ніж пристрій, підключений до акумулятора, може їх злити. Акумулятор продовжуватиме живити стільки струму, скільки потрібно пристрою до тих пір, поки хімічні речовини, що знаходяться в межах акумулятора, не будуть витрачені, і в цей момент акумулятор загине і його потрібно замінити.

Опір

Всі провідники мають певний ступінь опору потоку електричного струму. Що відбувається так: Коли електрони пересуваються через провідник, вони натикаються на атоми, втрачаючи частину свого руху, рухаючи атом. Результатом є те, що струм, що проходить через провідник, сповільнюється, а провідник нагрівається. Величина, якою даний провідник чинить опір потоку електричного струму, вимірюється в омах.

Потужність

Кожного разу, коли тече струм, проводиться робота. Може прогріватися провідник, мотор може крутитися, лампочка може випромінювати світло або вивільнитися якась інша форма енергії. Існує простий закон, який точно розповідає, скільки роботи може бути виконано струмом, що протікає. Обсяг виконаної роботи дорівнює напрузі напруги живлення, струму, що проходить через дріт. Цей закон виражається у вигляді P = IV, де P – потужність у ватах, I – струм в амперах, а V – напруга у вольтах. Наприклад, якщо ми виявимо, що лампочка черпає половину ампер на 120 вольт, ми просто множимо 120 вольт на половину ампера, щоб виявити, що лампочка витрачає 60 Вт потужності.

Закон Ома

Скажімо, у вас батарея на шість вольт і вам потрібно провести два ампера струму. Який опір вам повинен чинити провідник? Або скажімо, у вас є тривольтний блок живлення і резистор на тисячу Ом. Скільки струму пройшло б через резистор, якби ви підключили резистор до джерела живлення? Для того, щоб знайти відповіді на ці запитання, все, що вам потрібно зробити, – це використовувати просту математичну формулу під назвою закон Ома. Закон Ома зазначає, що величина струму, що протікає через провідник, менший за опір провідника, дорівнює напрузі джерела живлення. Цей закон часто виражається у вигляді V = IR, де V – напруга, виміряна у вольтах, I – струм, виміряний в амперах, а R – опір, виміряний в омах.

Дякую!
Ну, це все, що є! Сподіваюсь, вам сподобалось ваше подорож світом напруги, струму та опору. Скажіть, будь ласка, що ви думаєте. Просто надішліть мені електронний лист із вашими коментарями. Гарного дня!

– Вільям Суонсон

Copyright © 2000 William Swanson