Dasar-dasar kelistrikan

Orang Yunani kuno mengamati fenomena kelistrikan jauh sebelum studi kelistrikan dimulai. Cukup menggosok batu amber semi mulia dengan wol atau bulu, karena mulai menarik potongan-potongan jerami kering, kertas atau bulu halus dan bulu.

Eksperimen sekolah modern menggunakan kaca dan batang ebonit yang digosok dengan sutra atau wol. Dalam hal ini, dianggap bahwa muatan positif tetap ada pada batang kaca, dan muatan negatif pada batang ebonit. Batang ini juga dapat menarik potongan kertas kecil atau sejenisnya. benda kecil. Daya tarik inilah efek medan listrik yang dipelajari oleh Charles Coulomb.

Dalam bahasa Yunani, amber disebut elektron, jadi untuk menggambarkan gaya tarik menarik seperti itu, William Hilbert (1540 - 1603) mengusulkan istilah "listrik".

Pada tahun 1891, ilmuwan Inggris Stony George Johnston menghipotesiskan keberadaan partikel listrik dalam suatu zat, yang disebutnya elektron. Pernyataan ini membuatnya lebih mudah untuk memahami proses kelistrikan di kabel.

Elektron dalam logam cukup bebas dan mudah dipisahkan dari atomnya, dan di bawah aksi medan listrik, lebih tepatnya, perbedaan potensial bergerak di antara atom logam, menciptakan listrik… Jadi, arus listrik dalam kawat tembaga adalah aliran elektron yang mengalir di sepanjang kawat dari satu ujung ke ujung lainnya.

Tidak hanya logam yang mampu menghantarkan listrik. Dalam kondisi tertentu, cairan, gas, dan semikonduktor bersifat konduktif secara elektrik. Di lingkungan ini, pembawa muatan adalah ion, elektron, dan lubang. Tetapi untuk saat ini kita hanya berbicara tentang logam, karena bahkan di dalamnya semuanya tidak sesederhana itu.

Untuk saat ini, kita berbicara tentang arus searah, yang arah dan besarnya tidak berubah. Oleh karena itu, pada diagram kelistrikan dimungkinkan untuk menunjukkan dengan panah di mana arus mengalir. Arus diyakini mengalir dari kutub positif ke kutub negatif, sebuah kesimpulan yang dicapai pada awal studi kelistrikan.

Belakangan ternyata elektron benar-benar bergerak ke arah yang berlawanan - dari minus ke plus. Namun meskipun demikian, mereka tidak menyerah pada arah yang "salah", terlebih lagi, arah ini disebut arah teknis dari arus. Apa bedanya jika lampu masih menyala. Arah gerak elektron disebut benar dan paling sering digunakan dalam penelitian ilmiah.

Ini diilustrasikan pada Gambar 1.

Gambar 1.

Jika sakelar "dilempar" ke baterai selama beberapa waktu, kapasitor elektrolitik C akan terisi daya dan sebagian muatan akan menumpuk di atasnya. Setelah mengisi kapasitor, sakelar diputar ke bohlam. Lampu berkedip dan padam - kapasitor habis. Cukup jelas bahwa durasi flash bergantung pada jumlah muatan listrik yang disimpan dalam kapasitor.

Baterai galvanik juga menyimpan muatan listrik, tetapi lebih dari sekadar kapasitor. Oleh karena itu, waktu flash cukup lama — lampu dapat menyala selama beberapa jam.

Muatan listrik, arus, hambatan dan tegangan

Studi tentang muatan listrik dilakukan oleh ilmuwan Prancis C. Coulomb, yang pada tahun 1785 menemukan hukum yang dinamai menurut namanya.

Dalam rumus, muatan listrik dilambangkan sebagai Q atau q. Arti fisik dari kuantitas ini adalah kemampuan benda bermuatan untuk masuk ke dalam interaksi elektromagnetik: sebagai tolak-menolak muatan, yang berbeda menarik.Kekuatan interaksi antara muatan berbanding lurus dengan ukuran muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak diantara mereka. Jika dalam bentuk rumus, tampilannya seperti ini:

F = q1 * q2 / r2

Muatan listrik elektron sangat kecil, sehingga dalam praktiknya mereka menggunakan besaran muatan yang disebut coulomb... Nilai inilah yang digunakan dalam sistem internasional SI (C). Sebuah liontin mengandung tidak kurang dari 6,24151 * 1018 (pangkat sepuluh delapan belas) elektron. Jika 1 juta elektron per detik dilepaskan dari muatan ini, maka proses ini akan berlangsung hingga 200 ribu tahun!

Satuan pengukuran arus dalam sistem SI adalah Ampere (A), dinamai menurut nama ilmuwan Prancis Andre Marie Ampere (1775 — 1836). Pada arus 1A, muatan tepat 1 C melewati penampang kabel dalam 1 detik. Rumus matematika dalam hal ini adalah sebagai berikut: I = Q / t.

Dalam rumus ini, arus dalam ampere, muatan dalam coulomb, dan waktu dalam detik. Semua perangkat harus sesuai dengan sistem SI.

Dengan kata lain, satu liontin dilepaskan per detik. Sangat mirip dengan kecepatan mobil dalam kilometer per jam.Oleh karena itu, kuat arus listrik tidak lebih dari laju aliran muatan listrik.

Lebih sering dalam kehidupan sehari-hari, unit off-system Ampere * hour digunakan. Cukup dengan mengingat kembali aki mobil yang kapasitasnya hanya ditunjukkan dalam ampere-jam. Dan semua orang tahu dan memahami ini, meskipun tidak ada yang mengingat liontin apa pun di toko suku cadang mobil. Tetapi pada saat yang sama masih ada rasio: 1 C = 1 * / 3600 ampere * jam. Dimungkinkan untuk memanggil kuantitas seperti itu ampere * detik.

Dalam definisi lain, arus 1 A mengalir dalam konduktor dengan resistansi 1 Ω di beda potensial (tegangan) di ujung kabel 1 V. Rasio antara nilai-nilai ini ditentukan oleh Hukum Ohm... Ini mungkin hukum kelistrikan yang paling penting, bukan kebetulan kebijaksanaan rakyat mengatakan: «Jika Anda tidak mengetahui hukum Ohm, tetaplah di rumah!»

Tes Hukum Ohm

Hukum ini sekarang diketahui semua orang: «Arus dalam rangkaian berbanding lurus dengan tegangan dan berbanding terbalik dengan resistansi.» Sepertinya hanya ada tiga huruf — I = U / R, setiap siswa akan berkata: «Terus kenapa?». Namun sebenarnya jalan menuju formula pendek ini cukup berliku dan panjang.

Untuk menguji hukum Ohm, Anda dapat merangkai rangkaian paling sederhana yang ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2.

Penyelidikannya cukup sederhana — dengan meningkatkan tegangan suplai titik demi titik di atas kertas, buatlah grafik yang ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3.

Tampaknya grafik harus menjadi garis lurus sempurna, karena hubungan I = U / R dapat direpresentasikan sebagai U = I * R, dan dalam matematika itu adalah garis lurus. Padahal, di sisi kanan, garisnya melengkung ke bawah. Mungkin tidak banyak, tetapi bengkok dan untuk beberapa alasan sangat serbaguna.Dalam hal ini, tekukan akan bergantung pada metode pemanasan resistansi yang diuji. Bukan tanpa alasan itu terbuat dari kawat tembaga panjang: Anda dapat melilitkan gulungan dengan erat, Anda dapat menutupnya dengan lapisan asbes, mungkin suhu di dalam ruangan hari ini sama, tetapi kemarin itu adalah berbeda, atau ada angin di dalam ruangan.

Ini karena suhu memengaruhi resistansi dengan cara yang sama seperti dimensi linier benda fisik saat dipanaskan. Setiap logam memiliki koefisien ketahanan suhu (TCR) sendiri. Tetapi hampir semua orang mengetahui dan mengingat tentang pemuaian, tetapi melupakan tentang perubahan sifat kelistrikan (resistansi, kapasitansi, induktansi). Tetapi suhu dalam percobaan ini adalah sumber ketidakstabilan yang paling stabil.

Dari segi sastra ternyata tautologi yang cukup indah, namun dalam hal ini sangat akurat mengungkapkan inti permasalahannya.

Banyak ilmuwan di pertengahan abad ke-19 mencoba menemukan ketergantungan ini, tetapi ketidakstabilan percobaan mengganggu dan menimbulkan keraguan tentang kebenaran hasil yang diperoleh. Hanya Georg Simon Ohm (1787-1854) yang berhasil dalam hal ini, yang berhasil menolak semua efek samping atau, seperti kata mereka, melihat hutan untuk pepohonan. Perlawanan 1 Ohm masih menyandang nama ilmuwan brilian ini.

Setiap bahan dapat dinyatakan dengan hukum Ohm: I = U / R, U = I * R, R = U / I.

Agar tidak melupakan hubungan tersebut, ada yang disebut Segitiga Ohm, atau yang serupa, ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4. Segitiga Ohm

Menggunakannya sangat sederhana: tutup saja nilai yang diinginkan dengan jari Anda dan dua huruf lainnya akan menunjukkan kepada Anda apa yang harus dilakukan dengannya.

Masih harus diingat apa peran ketegangan dalam semua formula ini, apa arti fisiknya. Tegangan biasanya dipahami sebagai beda potensial pada dua titik dalam medan listrik. Untuk pemahaman yang lebih mudah, mereka menggunakan analogi, sebagai aturan, dengan tangki, air, dan pipa.

Dalam skema "plumbing" ini, konsumsi air dalam pipa (liter / detik) hanya arus (coulomb / detik), dan perbedaan antara level atas di tangki dan keran terbuka adalah perbedaan potensial (tegangan) . Juga, jika katup terbuka, tekanan keluar sama dengan atmosfer, yang dapat dianggap sebagai level nol bersyarat.

Di sirkuit listrik, konvensi ini memungkinkan untuk mengambil titik untuk konduktor umum ("pembumian") tempat semua pengukuran dan penyesuaian dilakukan. Paling sering, terminal negatif catu daya diasumsikan sebagai kabel ini, meskipun tidak selalu demikian.

Perbedaan potensial diukur dalam volt (V), dinamai menurut fisikawan Italia Alessandro Volta (1745-1827). Menurut definisi modern, dengan perbedaan potensial 1 V, energi 1 J dihabiskan untuk memindahkan muatan 1 C. Energi yang dikonsumsi diisi ulang oleh sumber daya, dengan analogi dengan sirkuit "pipa", itu akan menjadi pompa yang mendukung ketinggian air di dalam tangki.