Czy można sobie wyobrazić swoje życie bez elektryczności? Współczesny człowiek szczelnie otoczył się sprzętem AGD, który pomaga w życiu. Nie wyobrażamy sobie już siebie i naszego życia bez inteligentnych asystentów domowych.
Technologia w coraz większym stopniu przestawia się na wykorzystanie energii elektrycznej. Nawet transport jest stopniowo przenoszony na silniki elektryczne, co może zmniejszyć znaczne szkody dla przyrody.
Dzisiaj postaramy się odpowiedzieć na następujące pytania:
- Co to jest prąd elektryczny?
- Co to jest napięcie elektryczne?
- Jak określić napięcie?
- Jakie jest mierzone napięcie?
Co jest aktualne?
U zarania badań nad elektrycznością uzyskano ją, pocierając jedno ciało o drugie. Większy zapas ładunku można było uzyskać podczas burzy za pomocą naturalnego wyładowania - błyskawicy. Wiadomo, że ta metoda kosztowała życie studenta M. V. Łomonosowa - Richtera.
Sam ładunek jest trudny i nieracjonalny w użyciu. Konieczne jest uzyskanie jego ukierunkowanego ruchu - prądu elektrycznego. Aktualne właściwości:
- ogrzewanie przewodu;
- działanie chemiczne;
- działanie mechaniczne;
- działanie magnetyczne.
Są używane w życiu codziennym i technologii. Warunkiem koniecznym istnienia prądu jest obecność źródła prądu, wolnych ładunków elektrycznych oraz zamkniętego przewodnika.
Tło
W 1792 roku słynny włoski fizyk, fizjolog i wynalazca Alessandro Volta zainteresował się wnioskami swojego rodaka Luigiego Galvani na temat natury obecnych impulsów w organach zwierzęcych. Wieloletnia obserwacja zachowania żabich ud, osadzonych na metalowych haczykach, pozwoliła mu wywnioskować, że źródłem elektryczności nie jest żywy organizm, ale kontakt różnych metali. To właśnie ta okoliczność przyczynia się do przepływu prądu, a reakcja zakończeń nerwowych jest tylko fizjologicznym efektem prądu.
Unikalne odkrycie doprowadziło do stworzenia pierwszego na świecie źródła prądu stałego, zwanego filarem Voltaic. Metale niepodobne (Volta przekonywał, że należy je oddzielić od siebie w szeregu pierwiastków chemicznych) układa się na papierze nasączonym płynnym „przewodnikiem drugiego rodzaju”.
To urządzenie było pierwszym źródłem stałego napięcia. Jednostka napięcia elektrycznego uwieczniła imię Alessandro Volta.
Zasilanie DC
Głównym elementem obwodu elektrycznego jest źródło prądu. Jego celem jest wytworzenie pola elektrycznego, pod wpływem którego swobodne, naładowane cząstki (elektrony, jony) wchodzą w ukierunkowany ruch. Skumulowane w dniuposzczególne elementy ładunków źródłowych (tzw. słupy) mają różne znaki. Sam ładunek ulega redystrybucji wewnątrz źródła pod działaniem sił o charakterze nieelektrycznym (mechanicznych, chemicznych, magnetycznych, termicznych itd.). Pole elektryczne wytworzone przez bieguny na zewnątrz źródła prądu wykonuje pracę polegającą na przemieszczaniu ładunku w zamkniętym przewodniku. Alessandro Volta mówił o potrzebie obwodu zamkniętego do wytwarzania prądu stałego.
Ponieważ ładunek porusza się w źródłach pod działaniem sił nieelektrycznych, można argumentować, że siły te działają. Nazwijmy ich outsiderami. Stosunek pracy sił zewnętrznych do przeniesienia ładunku wewnątrz źródła prądu do wielkości ładunku nazywamy siłą elektromotoryczną.
Zapis matematyczny dla tego stosunku:
- Ε=Ast: q,
gdzie E to siła elektromotoryczna (EMF), Astto praca sił zewnętrznych, q to ładunek przenoszony przez siły zewnętrzne w źródle.
EMF charakteryzuje zdolność źródła do wytwarzania prądu, ale główną cechą źródła jest czasami napięcie elektryczne (różnica potencjałów).
Napięcie
Stosunek pracy pola poruszającego ładunek w przewodniku do wielkości ładunku nazywany jest napięciem elektrycznym.
Aby to ustalić, musisz podzielić wartość pracy w terenie przez wartość opłaty. Niech A będzie pracą wykonaną przez pole elektryczne źródła prądu, aby przesunąć ładunek q. U - napięcie elektryczne. Notacja matematyczna odpowiedniego wzoru:
U=A: q
Jak każda wielkość fizyczna, napięcie ma jednostkę miary. Jak mierzone jest napięcie? Od nazwiska wynalazcy pierwszego na świecie źródła prądu stałego, Alessandro Volty, wartości tej nadano własną jednostkę miary. W systemie międzynarodowym napięcie jest mierzone w woltach (V).
Napięcie 1 V to napięcie pola elektrycznego, które działa o wartości 1 J, aby przenieść ładunek o wartości 1 C.
V=J/C=N•m/(A•s)=kg•m/(A•s3).
W podstawowych jednostkach SI, jednostka napięcia elektrycznego:
kg•m/(A•s3).
Wymagana wartość
Dlaczego nie wystarczy, charakteryzując prąd, wprowadzić pojęcie siły prądu? Zróbmy eksperyment myślowy. Weźmy dwie różne lampy: zwykłą lampę domową i lampę z latarki. Podłączając je do różnych źródeł prądu (sieć miejska i bateria) można uzyskać dokładnie taką samą wartość prądu. Jednocześnie lampa domowa daje więcej światła, czyli praca prądu w niej jest znacznie większa.
Różne źródła prądu mają różne napięcia. Dlatego ta wartość jest niezbędna.
Przydatna analogia
Zrozumienie fizycznego znaczenia napięcia elektrycznego pochodzi z interesującej analogii. W naczyniach połączonych płyn przepływa z rurki do rurki, jeśli występuje w nich różnica ciśnień. Przepływ płynu zatrzymuje się w przypadku równościciśnienie.
Jeżeli prąd cieczy jest porównywany z przepływem ładunku elektrycznego, to różnica ciśnień w kolumnach cieczy odgrywa taką samą rolę jak różnica potencjałów w źródle prądu.
Dopóki procesy towarzyszące redystrybucji ładunku na biegunach zachodzą wewnątrz źródła prądu, jest ono w stanie wytworzyć prąd w przewodniku. Napięcie prądu elektrycznego mierzone jest w woltach, różnica ciśnień ma jednostkę miary - Pascal.
Prąd przemienny
Prąd elektryczny, okresowo zmieniający swój kierunek, nazywany jest zmiennym. Jest tworzony przez przemienne źródło napięcia. Najczęściej jest to generator. Spróbujmy wyjaśnić: czym jest pomiar napięcia AC?
Sama zasada generowania prądu opiera się na zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Obrót obwodu zamkniętego w polu magnetycznym prowadzi do pojawienia się różnicy potencjałów w przewodzie. Napięcie jest mierzone w woltach oraz w przypadku zmiennego prądu.
Czy można twierdzić, że napięcie się nie zmienia? Oczywiście, ze względu na zmianę kąta między płaszczyzną konturu a normalną do niego, generowane napięcie zmienia się w czasie. Jego wartość rośnie od zera do pewnej wartości maksymalnej, po czym ponownie spada do zera. Nie ma potrzeby mówić o pewnej wartości. Wprowadź tzw. efektywną wartość napięcia:
- Ud=U: √2.
Jaki przyrząd mierzy napięcie?
Urządzenie do pomiaru napięcia elektrycznego - woltomierz. Zasada jego działania opiera się na interakcji obwodu z prądem i polem magnetycznymtrwały magnes. Wiadomo, że obwód z prądem obraca się w polu magnetycznym. W zależności od natężenia prądu w obwodzie zmienia się kąt obrotu.
Jeśli do obwodu zostanie dołączona strzałka, odbiega ona od zera, gdy w obwodzie płynie prąd (zwykle cewka). W zależności od tego, w jakim napięciu jest mierzone, skala urządzenia jest wyskalowana. Możliwe jest użycie podwielokrotności i wielokrotności.
W przypadku niskich wartości napięcie elektryczne jest mierzone w miliwoltach lub mikrowoltach. Wręcz przeciwnie, w sieciach wysokiego napięcia stosuje się wiele jednostek.
Dowolny woltomierz jest podłączony równolegle do tej części obwodu, w której mierzone jest napięcie. Główną właściwość obwodu urządzenia można nazwać wysoką rezystancją omową. Woltomierz, bez względu na to, w jakim napięciu jest mierzone, nie powinien wpływać na natężenie prądu w obwodzie. Przepływa przez nią niewielki prąd, który nie wpływa znacząco na wartość główną.
Tabela napięć
| Urządzenie fizyczne | Napięcie na jego kontaktach, V |
| Biegun napięcia | 1, 1 |
| Bateria latarki | 1, 5 |
| Bateria alkaliczna | 1, 25 |
| Akumulator kwasowy | 2 |
| Sieć miejska | 220 |
| Wysokie napięcielinie energetyczne | 500 000 |
| Między chmurami podczas burzy | Do 100 000 000 |
Praktyczne zastosowanie woltomierza
Aby efektywnie korzystać z woltomierza, powinieneś nauczyć się z niego korzystać. Ciekawskiemu eksperymentatorowi można polecić skontaktowanie się z nauczycielami szkolnymi.
Lekcje fizyki w szkole są wyposażone w przyrządy laboratoryjne i demonstracyjne do pomiaru naprężeń.
Obsługuj dowolny woltomierz z ostrożnością, przestrzegając prostych zasad:
- Woltomierz ma maksymalny limit pomiaru. To najwyższa wartość na jego skali. Nie podłączaj go do obwodu zawierającego element o wyższym napięciu.
- Jeżeli nie ma innego źródła lub woltomierza, możesz użyć systemu dodatkowego oporu. W takim przypadku należy również zmienić skalę woltomierza.
- Urządzenia elektryczne są podłączone do obwodu prądu stałego w zależności od wskazania znaku ładunku na jego zaciskach. Dodatni zacisk źródła prądu musi być podłączony do dodatniego zacisku woltomierza, ujemny zacisk do ujemnego zacisku. W przypadku pomieszania strzałki urządzenia mogą się wygiąć, co jest wysoce niepożądane.
- Wszystkie połączenia są wykonane wyłącznie do obwodu bez napięcia.
Niezdrowy
Działanie prądu elektrycznego może być niebezpieczne dla ludzi. Mniej niż 24 V jest uważane za nieszkodliwe.
Działanie prądu pod napięciem sieci miejskiej (220 V) jest dość zauważalne. Dotykaniu nagich kontaktów towarzyszy znaczący „szok”.
Napięcie podczas burzy przepuszcza tak duży prąd przez ludzkie ciało, że grozi mu śmiercią. Nie ryzykuj życia i zdrowia.
