電気の基礎

古代ギリシャ人は、電気の研究が始まるずっと前から電気現象を観察していました。半貴石の琥珀の石を羊毛や毛皮でこするだけで十分です。乾いたわら、紙、綿毛や羽の破片が引き寄せられ始めるからです。

現代の学校の実験では、シルクやウールでこすったガラスとエボナイトの棒が使用されます。この場合、ガラス棒にはプラスの電荷が残り、エボナイト棒にはマイナスの電荷が残ると考えられます。これらのロッドは、小さな紙片などを引き付けることもあります。小さな物体。シャルル・クーロンによって研究されたのは、この引力である電界効果です。

ギリシャ語で琥珀は電子と呼ばれ、そのような引力を説明するためにウィリアム・ヒルベルト（1540 - 1603）は「電気」という用語を提案しました。

1891 年、イギリスの科学者ストーニー ジョージ ジョンストンは、物質中に電気粒子が存在するという仮説を立て、それを電子と呼びました。この記述により、ワイヤ内の電気プロセスを理解することがはるかに容易になりました。

金属内の電子は非常に自由で、原子から簡単に分離されます。電場の作用下で、より正確には、金属原子間で電位差が移動し、 電気… したがって、銅線内の電流は、銅線に沿って一方の端からもう一方の端まで流れる電子の流れです。

電気を通すことができるのは金属だけではありません。特定の条件下では、液体、気体、半導体は導電性になります。これらの環境では、電荷キャリアはイオン、電子、正孔です。しかし、金属であってもすべてがそれほど単純ではないため、今のところ私たちは金属についてのみ話しています。

ここでは、方向と大きさが変わらない直流について話します。したがって、電気図上では、電流が流れる場所を矢印で示すことができます。電流は正極から負極に流れると考えられており、これは電気研究の初期に結論に達しました。

その後、電子は実際にはまったく逆の方向、つまりマイナスからプラスに移動することが判明しました。しかし、それにもかかわらず、彼らは「間違った」方向を放棄しませんでした。さらに、まさにこの方向が現在の技術的な方向と呼ばれます。ランプがまだ点灯している場合は、どのような違いがありますか。電子の運動方向は真と呼ばれ、科学研究で最もよく使用されます。

これを図 1 に示します。

写真1。

スイッチがしばらくの間バッテリーに「投入」されると、電解コンデンサ C が充電され、いくらかの電荷が蓄積されます。コンデンサーを充電した後、スイッチを電球に切り替えました。ランプが点滅して消えます - コンデンサが放電します。フラッシュの持続時間はコンデンサに蓄えられた電荷の量に依存することは明らかです。

ガルバニック電池も電荷を蓄えますが、コンデンサよりもはるかに優れています。したがって、フラッシュ時間は十分に長く、ランプは数時間点灯できます。

電荷、電流、抵抗、電圧

電荷の研究はフランスの科学者 C. クーロンによって行われ、1785 年にクーロンにちなんで名付けられた法則を発見しました。

式中、電荷はQまたはqと表されます。この量の物理的意味は、荷電した物体が電磁相互作用を起こす能力です。電荷が反発するにつれて、異なるものは引き付けられます。電荷間の相互作用の力は、電荷の大きさに正比例し、距離の二乗に反比例します。それらの間の。数式にすると以下のようになります。

F = q1 * q2 / r2

電子の電荷は非常に小さいため、実際にはクーロンと呼ばれる電荷の大きさが使用されます。国際システム SI (C) で使用されるのはこの値です。ペンダントには 6.24151 * 1018 (10 の 18 乗) 以上の電子が含まれています。この電荷から 1 秒あたり 100 万個の電子が放出されると、このプロセスは最大 20 万年続くことになります。

SI システムにおける電流の測定単位はアンペール (A) で、フランスの科学者アンドレ マリー アンペール (1775 ～ 1836 年) にちなんで名付けられました。 1A の電流では、正確に 1 C の電荷が 1 秒以内にワイヤの断面を通過します。この場合の数式は次のとおりです: I = Q / t。

この式では、電流はアンペア、電荷はクーロン、時間は秒です。すべてのデバイスは SI システムに準拠する必要があります。

つまり、1秒間に1つのペンダントがリリースされます。時速キロメートルで表した車の速度に非常に似ています。したがって、電流の強さは電荷の流れる速度に他なりません。

日常生活では、オフシステム単位の「アンペア * 時間」が使用されることが多くなります。車のバッテリーを思い出すだけで十分です。その容量はアンペア時間でのみ示されます。そして、誰もが自動車部品店のペンダントを覚えていませんが、誰もがこれを知っており、理解しています。しかし同時に、1 C = 1 * / 3600 アンペア * 時間という比率も存在します。このような量をアンペア * 秒と呼ぶことができます。

別の定義では、抵抗 1 Ω の導体に 1 A の電流が流れます。 電位差（電圧） ワイヤの端では1 Vです。これらの値の比率は次のように決定されます。 オームの法則...これはおそらく最も重要な電気法則であり、民間の知恵がこう言うのは偶然ではありません。「オームの法則を知らないなら、家にいてください!」

オームの法則テスト

この法則は今や誰もが知っています。「回路内の電流は電圧に正比例し、抵抗に反比例する。」文字は 3 つだけのようです — I = U / R、どの生徒も「それで何?」と言うでしょう。しかし、実際には、この短いフォーミュラに至るまでの道のりは、非常に茨の長いものでした。

オームの法則をテストするには、図 2 に示す最も単純な回路を組み立てます。

図2.

調査は非常に簡単です。紙上の点ごとに電源電圧を増加させて、図 3 に示すグラフを作成します。

図3.

I = U / R の関係は U = I * R として表すことができ、数学では直線なので、グラフは完全な直線になるはずです。実際、右側ではラインが下に曲がっています。それほどではないかもしれませんが、曲がりますし、何らかの理由で非常に汎用性があります。この場合、曲げはテストされた抵抗の加熱方法によって異なります。それが長い銅線でできているのは当然のことです。コイルをコイルにしっかりと巻くことも、アスベストの層で閉じることもできます。おそらく今日の部屋の温度は同じですが、昨日はそうでした。違うか、部屋に隙間風が入っています。

これは、加熱されたときの物体の直線寸法と同じように、温度が抵抗に影響を与えるためです。各金属には独自の抵抗温度係数 (TCR) があります。しかし、ほとんどの人は膨張については知っていて覚えていますが、電気的特性（抵抗、静電容量、インダクタンス）の変化については忘れています。しかし、これらの実験における最も安定な不安定性の原因は温度です。

文学的な観点から見ると、これはかなり美しいトートロジーであることが判明しましたが、この場合、問題の本質を非常に正確に表現しています。

19 世紀半ばに多くの科学者がこの依存性を発見しようと試みましたが、実験の不安定性が邪魔をし、得られた結果の真実性について疑問が生じましたが、これに成功したのはゲオルグ・シモン・オーム (1787-1854) だけでした。すべての副作用、またはよく言われるように、木を見て森を見よ。 1 オームの抵抗には今でもこの優秀な科学者の名前が付けられています。

各成分はオームの法則で表すことができます: I = U / R、U = I * R、R = U / I。

これらの関係を忘れないように、図 4 に示すいわゆるオームの三角形、またはそれに類似したものがあります。

図 4. オームの三角形

使い方はとても簡単です。目的の値を指で閉じるだけで、他の 2 つの文字がその値をどう扱うかを示します。

これらすべての式において張力がどのような役割を果たしているのか、その物理的意味は何なのかを思い出す必要があります。電圧は通常、電界内の 2 点の電位差として理解されます。理解を容易にするために、原則としてタンク、水、パイプに例えて説明します。

この「配管」方式では、パイプ内の水の消費量（リットル/秒）は電流（クーロン/秒）のみであり、タンクの上層と開いた蛇口との差が電位差（電圧）になります。 。また、バルブが開いている場合、出口圧力は大気圧に等しく、これを条件付きゼロレベルとみなすことができます。

電気回路では、この規則により、すべての測定と調整が行われる共通の導体 (「グランド」) の点を取得することが可能になります。ほとんどの場合、電源のマイナス端子はこのワイヤであると想定されますが、常にそうであるとは限りません。

電位差はボルト (V) で測定され、イタリアの物理学者アレッサンドロ ボルタ (1745 ～ 1827 年) にちなんで名付けられました。現代の定義によれば、1 V の電位差では、1 C の電荷を移動させるのに 1 J のエネルギーが消費されます。消費されたエネルギーは、「配管」回路と同様に電源によって補充されます。タンク内の水位を支えるポンプです。