Les bases de l'électricité

Les anciens Grecs ont observé des phénomènes électriques bien avant que l'étude de l'électricité ne commence. Il suffit de frotter la pierre d'ambre semi-précieuse avec de la laine ou de la fourrure, car elle commence à attirer des morceaux de paille sèche, de papier ou de peluches et de plumes.

Les expériences scolaires modernes utilisent des tiges de verre et d'ébonite frottées avec de la soie ou de la laine. Dans ce cas, on considère qu'il reste une charge positive sur la tige de verre, et une charge négative sur la tige d'ébonite. Ces tiges peuvent également attirer de petits morceaux de papier ou similaires. petits objets. C'est cette attraction qu'est l'effet de champ électrique qui a été étudié par Charles Coulomb.

En grec, l'ambre est appelé électron, alors pour décrire une telle force attractive, William Hilbert (1540 - 1603) a proposé le terme "électrique".

En 1891, le scientifique anglais Stony George Johnston a émis l'hypothèse de l'existence de particules électriques dans les substances, qu'il a appelées électrons. Cette déclaration a rendu beaucoup plus facile la compréhension des processus électriques dans les fils.

Les électrons dans les métaux sont assez libres et facilement séparés de leurs atomes, et sous l'action d'un champ électrique, plus précisément, les différences de potentiel se déplacent entre les atomes métalliques, créant électricité… Ainsi, le courant électrique dans un fil de cuivre est un flux d'électrons circulant le long du fil d'une extrémité à l'autre.

Il n'y a pas que les métaux qui sont capables de conduire l'électricité. Sous certaines conditions, les liquides, les gaz et les semi-conducteurs sont électriquement conducteurs. Dans ces environnements, les porteurs de charge sont les ions, les électrons et les trous. Mais pour l'instant, nous ne parlons que des métaux, car même en eux, tout n'est pas si simple.

Pour l'instant, on parle de courant continu dont le sens et l'intensité ne changent pas. Par conséquent, sur les schémas électriques, il est possible d'indiquer avec des flèches où le courant passe. On pense que le courant circule du pôle positif au pôle négatif, une conclusion atteinte au début de l'étude de l'électricité.

Plus tard, il s'est avéré que les électrons se déplaçaient exactement dans la direction opposée - du moins au plus. Mais malgré cela, ils n'ont pas abandonné la "mauvaise" direction, d'ailleurs, cette direction même s'appelle la direction technique du courant. Quelle différence cela fait-il si la lampe reste allumée. La direction du mouvement des électrons est appelée vraie et est le plus souvent utilisée dans la recherche scientifique.

Ceci est illustré à la figure 1.

Image 1.

Si l'interrupteur est "jeté" sur la batterie pendant un certain temps, le condensateur électrolytique C sera chargé et une certaine charge s'y accumulera. Après avoir chargé le condensateur, l'interrupteur a été tourné vers l'ampoule. La lampe clignote et s'éteint - le condensateur se décharge. Il est bien évident que la durée du flash dépend de la quantité de charge électrique stockée dans le condensateur.

Une batterie galvanique stocke également une charge électrique, mais bien plus qu'un condensateur. Par conséquent, le temps de flash est suffisamment long - la lampe peut brûler pendant plusieurs heures.

Charge électrique, courant, résistance et tension

L'étude des charges électriques a été réalisée par le scientifique français C. Coulomb, qui a découvert en 1785 la loi qui porte son nom.

Dans les formules, la charge électrique est notée Q ou q. La signification physique de cette quantité est la capacité des corps chargés à entrer dans des interactions électromagnétiques : lorsque les charges se repoussent, différentes s'attirent. La force d'interaction entre les charges est directement proportionnelle à la taille des charges et inversement proportionnelle au carré de la distance. entre eux. S'il se présente sous la forme d'une formule, il ressemble à ceci :

F = q1 * q2 / r2

La charge électrique de l'électron est très faible, donc en pratique on utilise la magnitude de la charge appelée le coulomb... C'est cette valeur qui est utilisée dans le système international SI(C). Un pendentif contient pas moins de 6,24151 * 1018 (dix à la puissance dix-huitième) électrons. Si 1 million d'électrons par seconde sont libérés de cette charge, ce processus durera jusqu'à 200 000 ans !

L'unité de mesure du courant dans le système SI est l'ampère (A), du nom du scientifique français André Marie Ampère (1775 - 1836). À un courant de 1A, une charge d'exactement 1 C traverse la section transversale du fil en 1 seconde. La formule mathématique dans ce cas est la suivante : I = Q / t.

Dans cette formule, le courant est en ampères, la charge en coulombs et le temps en secondes. Tous les appareils doivent être conformes au système SI.

En d'autres termes, un pendentif est libéré par seconde. Très similaire à la vitesse d'une voiture en kilomètres par heure.Par conséquent, la force d'un courant électrique n'est rien de plus que le débit d'une charge électrique.

Plus souvent dans la vie de tous les jours, l'unité hors système Ampère * heure est utilisée. Il suffit de rappeler les batteries de voiture dont la capacité n'est indiquée qu'en ampères-heures. Et tout le monde le sait et le comprend, même si personne ne se souvient des pendentifs dans les magasins de pièces automobiles. Mais en même temps, il y a toujours un rapport : 1 C = 1 * / 3600 ampères * heure. Il est possible d'appeler une telle quantité ampère * seconde.

Dans une autre définition, un courant de 1 A circule dans un conducteur de résistance 1 Ω à différence de potentiel (tension) aux extrémités du fil 1 V. Le rapport entre ces valeurs est déterminé par Loi d'Ohm... C'est peut-être la loi électrique la plus importante, ce n'est pas par hasard que la sagesse populaire dit : « Si vous ne connaissez pas la loi d'Ohm, restez chez vous !

Le test de la loi d'Ohm

Cette loi est désormais connue de tous : "Le courant dans le circuit est directement proportionnel à la tension et inversement proportionnel à la résistance." Il semble qu'il n'y ait que trois lettres — I = U / R, chaque élève dira : « Et alors ? ». Mais en réalité, le chemin vers cette formule courte a été assez épineux et long.

Pour tester la loi d'Ohm, vous pouvez assembler le circuit le plus simple illustré à la figure 2.

Figure 2.

L'enquête est assez simple - en augmentant la tension d'alimentation point par point sur le papier, construisez le graphique illustré à la figure 3.

Figure 3.

Il semble que le graphique devrait se révéler être une ligne parfaitement droite, puisque la relation I = U / R peut être représentée par U = I * R, et en mathématiques c'est une ligne droite. En fait, du côté droit, la ligne se penche vers le bas. Peut-être pas beaucoup, mais il plie et pour une raison quelconque, il est très polyvalent.Dans ce cas, la flexion dépendra de la méthode de chauffage de la résistance testée. Ce n'est pas pour rien qu'il est fait d'un long fil de cuivre: vous pouvez enrouler étroitement une bobine sur une bobine, vous pouvez la fermer avec une couche d'amiante, peut-être que la température dans la pièce aujourd'hui est la même, mais hier c'était différent ou il y a un courant d'air dans la pièce.

En effet, la température affecte la résistance de la même manière que les dimensions linéaires des corps physiques lorsqu'ils sont chauffés. Chaque métal a son propre coefficient de température de résistance (TCR). Mais presque tout le monde connaît et se souvient de l'expansion, mais oublie le changement des propriétés électriques (résistance, capacité, inductance). Mais la température dans ces expériences est la source d'instabilité la plus stable.

D'un point de vue littéraire, cela s'est avéré être une assez belle tautologie, mais dans ce cas, il exprime très précisément l'essence du problème.

De nombreux scientifiques au milieu du XIXe siècle ont tenté de découvrir cette dépendance, mais l'instabilité des expériences s'est immiscée et a fait douter de la véracité des résultats obtenus. Seul Georg Simon Ohm (1787-1854) y est parvenu, qui a réussi à rejeter tous les effets secondaires ou, comme on dit, voir la forêt pour les arbres. La résistance 1 Ohm porte toujours le nom de ce brillant scientifique.

Chaque ingrédient peut être exprimé par la loi d'Ohm : I = U / R, U = I * R, R = U / I.

Afin de ne pas oublier ces relations, il existe ce que l'on appelle le triangle d'Ohm, ou quelque chose de similaire, illustré à la figure 4.

Figure 4. Triangle d'Ohm

Son utilisation est très simple : fermez simplement la valeur souhaitée avec votre doigt et les deux autres lettres vous indiqueront quoi en faire.

Reste à rappeler quel rôle joue la tension dans toutes ces formules, quelle est sa signification physique. La tension est généralement comprise comme la différence de potentiel en deux points du champ électrique. Pour une meilleure compréhension, ils utilisent généralement des analogies avec un réservoir, de l'eau et des tuyaux.

Dans ce schéma "plomberie", la consommation d'eau dans le tuyau (litres/sec) est uniquement le courant (coulomb/sec), et la différence entre le niveau supérieur dans le réservoir et le robinet ouvert est la différence de potentiel (tension) . De plus, si la vanne est ouverte, la pression de sortie est égale à la pression atmosphérique, qui peut être considérée comme un niveau zéro conditionnel.

Dans les circuits électriques, cette convention permet de prendre un point pour un conducteur commun ("terre") par rapport auquel toutes les mesures et tous les réglages sont effectués. Le plus souvent, la borne négative de l'alimentation est supposée être ce fil, bien que ce ne soit pas toujours le cas.

La différence de potentiel se mesure en volt (V), du nom du physicien italien Alessandro Volta (1745-1827). Selon la définition moderne, avec une différence de potentiel de 1 V, une énergie de 1 J est dépensée pour déplacer une charge de 1 C. L'énergie consommée est reconstituée par une source d'alimentation, par analogie avec un circuit de « plomberie », elle va être une pompe qui supporte le niveau d'eau dans le réservoir.