Elektrikle ilgili bazı temel bilgiler olmadan, elektrikli cihazların nasıl çalıştığını, neden çalıştığını, çalışması için neden televizyonu fişe takmanız gerektiğini ve bir el fenerinin karanlıkta parlamak için neden yalnızca küçük bir pile ihtiyaç duyduğunu hayal etmek zordur. .
Ve böylece her şeyi sırayla anlayacağız.
Elektrik
Elektrik elektrik yüklerinin varlığını, etkileşimini ve hareketini doğrulayan doğal bir olgudur. Elektrik ilk kez M.Ö. 7. yüzyılda keşfedildi. Yunan filozofu Thales. Thales, bir parça kehribarın yüne sürülmesi durumunda hafif nesneleri çekmeye başladığını fark etti. Amber, eski Yunanca'da elektron anlamına gelir.
Thales'in oturduğunu, himationuna bir parça kehribar sürdüğünü (bu eski Yunanlıların yünlü dış giyimi) ve sonra şaşkın bir bakışla saçların, iplik parçalarının, tüylerin ve kağıt parçalarının çekilmesini izlediğini hayal ediyorum. kehribar rengine.
Bu fenomene denir Statik elektrik. Bu deneyimi tekrarlayabilirsiniz. Bunu yapmak için sıradan bir plastik cetveli yünlü bir bezle iyice ovalayın ve küçük kağıt parçalarına getirin.
Bu fenomenin uzun süredir araştırılmadığını belirtmek gerekir. Ve ancak 1600 yılında İngiliz doğa bilimci William Gilbert, "Mıknatıs, Manyetik Cisimler ve Büyük Mıknatıs - Dünya Üzerine" adlı makalesinde elektrik terimini tanıttı. Çalışmasında elektrikli nesnelerle yaptığı deneyleri anlattı ve ayrıca diğer maddelerin de elektriklenebileceğini tespit etti.
Daha sonra, üç yüzyıl boyunca dünyanın en ileri bilim adamları elektriği araştırdılar, bilimsel incelemeler yazdılar, kanunlar formüle ettiler, elektrik makinelerini icat ettiler ve ancak 1897'de Joseph Thomson elektriğin ilk maddi taşıyıcısını, yani elektrik işlemlerini gerçekleştiren bir parçacık olan elektronu keşfetti. mümkün olan maddeler.
Elektron– bu temel bir parçacıktır ve yaklaşık olarak eşit bir negatif yüke sahiptir. -1.602·10 -19 Cl (Kolye). Belirlenmiş e veya e –.
Gerilim
Yüklü parçacıkların bir kutuptan diğerine hareket etmesini sağlamak için kutuplar arasında bir hareket olması gerekir. potansiyel fark veya - Gerilim. Gerilim ünitesi – Volt (İÇİNDE veya V). Formüllerde ve hesaplamalarda voltaj harfle gösterilir V . 1 V'luk bir voltaj elde etmek için, 1 J (Joule) iş yaparken kutuplar arasında 1 C'lik bir yükü aktarmanız gerekir.
Netlik sağlamak için belirli bir yüksekliğe yerleştirilmiş bir su deposu hayal edin. Tanktan bir boru çıkıyor. Doğal basınç altındaki su, tanktan bir boru aracılığıyla çıkar. Suyun olduğu konusunda hemfikir olalım elektrik şarjı, su sütununun yüksekliği (basınç) Gerilim ve suyun akış hızı elektrik.
Yani tankta ne kadar çok su varsa basınç da o kadar yüksek olur. Benzer şekilde elektriksel açıdan bakıldığında, yük ne kadar büyük olursa voltaj da o kadar yüksek olur.
Suyu boşaltmaya başlayalım, basınç azalacaktır. Onlar. Şarj seviyesi düşer - voltaj düşer. Bu olay bir el fenerinde gözlemlenebilir; piller bittiğinde ampulün ışığı söner. Su basıncı (voltaj) ne kadar düşük olursa, su akışının (akım) da o kadar düşük olacağını lütfen unutmayın.
Elektrik
Elektrik kapalı bir elektrik devresinin bir kutbundan diğerine bir elektromanyetik alanın etkisi altında yüklü parçacıkların yönlendirilmiş hareketinin fiziksel bir işlemidir. Yük taşıyan parçacıklar elektronları, protonları, iyonları ve delikleri içerebilir. Kapalı devre olmadan akım mümkün değildir. Elektrik yükü taşıyabilen parçacıklar her maddede bulunmaz, içinde bulundukları parçacıklara denir. iletkenler Ve yarı iletkenler. Ve içinde bu tür parçacıkların bulunmadığı maddeler - dielektrikler.
Geçerli birim – Amper (A). Formüllerde ve hesaplamalarda mevcut güç harfle gösterilir BEN . Bir elektrik devresindeki bir noktadan 1 Coulomb'luk (6.241·10 18 elektron) yük 1 saniyede geçtiğinde 1 Amperlik bir akım üretilir.
Su-elektrik benzetmemize tekrar bakalım. Ancak şimdi iki tank alıp içlerini eşit miktarda suyla dolduralım. Tanklar arasındaki fark, çıkış borusunun çapıdır.
Muslukları açalım ve sol tanktan gelen su akışının sağdan daha fazla (borunun çapı daha büyük) olduğundan emin olalım. Bu deneyim, akış hızının boru çapına bağlı olduğunun açık bir kanıtıdır. Şimdi iki akışı eşitlemeye çalışalım. Bunu yapmak için sağ depoya su (şarj) ekleyin. Bu daha fazla basınç (voltaj) verecek ve akış hızını (akım) artıracaktır. Bir elektrik devresinde boru çapı şu şekilde oynanır: rezistans.
Yapılan deneyler, aralarındaki ilişkiyi açıkça ortaya koymaktadır. Gerilim, Elektrik şoku Ve rezistans. Biraz sonra direnç hakkında daha fazla konuşacağız, ancak şimdi elektrik akımının özellikleri hakkında birkaç söz daha söyleyeceğiz.
Gerilim polaritesini artı eksiye değiştirmiyorsa ve akım bir yönde akıyorsa, o zaman bu DC ve buna bağlı olarak sabit basınç. Gerilim kaynağı polaritesini değiştirirse ve akım önce bir yönde, sonra diğer yönde akarsa, bu zaten alternatif akım Ve alternatif akım voltajı. Maksimum ve minimum değerler (grafikte şu şekilde belirtilmiştir: Io ) - Bu genlik veya tepe akım değerleri. Ev prizlerinde voltaj, polaritesini saniyede 50 kez değiştirir; akım şurada burada salınım yapıyor, bu salınımların frekansının 50 Hertz yani kısaca 50 Hz olduğu ortaya çıkıyor. Bazı ülkelerde, örneğin ABD'de, frekans 60 Hz'dir.
Rezistans
Elektrik direnci– bir iletkenin akımın geçişini engelleme (direnme) özelliğini belirleyen fiziksel bir miktar. Direnç ünitesi – Ohm(belirtilen Ohm veya Yunan harfi omega Ω ). Formüllerde ve hesaplamalarda direnç harfle gösterilir R . Bir iletkenin kutuplarına 1 V gerilim uygulanan ve 1 A akım geçen iletkenin direnci 1 ohm'dur.
İletkenler akımı farklı şekilde iletir. Onların iletkenlik her şeyden önce iletkenin malzemesine, ayrıca kesite ve uzunluğa bağlıdır. Kesit ne kadar büyük olursa iletkenlik o kadar yüksek olur, ancak uzunluk ne kadar uzun olursa iletkenlik o kadar düşük olur. Direnç iletkenliğin ters kavramıdır.
Örnek olarak tesisat modelini kullanırsak direnç borunun çapı olarak gösterilebilir. Ne kadar küçükse iletkenlik o kadar kötü ve direnç o kadar yüksek olur.
Bir iletkenin direnci, örneğin içinden akım geçtiğinde iletkenin ısınmasıyla kendini gösterir. Ayrıca akım ne kadar büyükse ve iletkenin kesiti ne kadar küçükse, ısıtma o kadar güçlü olur.
Güç
Elektrik gücü elektriğin dönüşüm oranını belirleyen fiziksel bir miktardır. Örneğin, birden fazla kez duymuşsunuzdur: "bir ampul şu kadar watt eder." Bu, çalışma sırasında ampulün birim zaman başına tükettiği güçtür, yani. belirli bir hızda bir enerji türünü diğerine dönüştürmek.
Jeneratörler gibi elektrik kaynakları da güçle karakterize edilir, ancak birim zamanda zaten üretilir.
Güç ünitesi - Watt(belirtilen K veya K). Formüllerde ve hesaplamalarda güç harfle gösterilir P . Alternatif akım devreleri için bu terim kullanılır Tam güç, birim - Volt-amp (VA veya V·A), harfle gösterilir S .
Ve nihayet hakkında Elektrik devresi. Bu devre, elektrik akımını iletebilen ve buna göre birbirine bağlanabilen belirli bir dizi elektrikli bileşendir.
Bu resimde gördüğümüz şey temel bir elektrikli cihazdır (el feneri). Düşük voltaj sen(B) farklı dirençlere sahip iletkenler ve diğer bileşenler aracılığıyla bir elektrik kaynağı (piller) 4,61 (244 Oy)
Elektriği hafife alıyoruz ve ışığı, bilgisayarı veya çamaşır makinesini açtığında neredeyse hiç kimse elektrik voltajının ne olduğunu ve fiziksel özünün ne olduğunu düşünmüyor. Aslında çok daha fazla ilgiyi hak ediyor ve sadece ölümcül olabileceği için değil, aynı zamanda bu tür enerjide ustalaşan İnsanlığın medeniyette niteliksel bir sıçrama yapmış olması nedeniyle de.
Bir okul fizik dersindeki en ilginç anlardan birini, öğretmenin bir elektrikli makinenin diskini döndürdüğü ve metal topların arasına bir kıvılcımın sıçradığı anları hatırlayalım. Bu, elektrik akımı adı verilen doğal bir olgunun görünür yansımasıdır. Bir topta daha fazla negatif yüklü iyon olması ve diğerinde daha az olması nedeniyle ortaya çıkar, bu nedenle potansiyel bir fark ortaya çıkar, yani Doğanın temel yasasını - enerjinin korunumunu ihlal eden bir gerçektir.
Negatif yüklü parçacıklar daha az olduğu yere doğru hareket etme eğiliminde olur ve böylece fark ortadan kalkar. Elbette elektronlar, kutup adı verilen yüklü topların arasında tam yol kat etmezler. Menzilleri, düğümlerini terk edemeyecekleri kristal bir kafesle sınırlıdır. Ancak komşu parçacıklara çarparak momentumu zincir boyunca daha da ileterek domino etkisi yaratabilirler. Bu tür her çarpışma, sistemin dinlenme durumundan, genellikle elektrik voltajı olarak adlandırılan uyarılmış duruma geçmesi nedeniyle bir enerji patlaması üretir.
Yüklü parçacıkları hareket ettiren kuvvet
Elektrik voltajını ve akımını hizmetine sunabilmek için insanın, kutuplar arasındaki potansiyel farkını yeniden oluşturacak, kristal kafesin parçacıklarının sürekli çarpışmasını sağlayacak bir kuvvet bulması gerekiyordu. Bunlardan üçü vardı:
- Elektromanyetik indüksiyon, metallerin manyetik alanda birbirine bağlı hareketinin bir sonucu olarak akımın üretilmesidir. Doğru ve alternatif akım jeneratörlerinde kullanılır.
- Maddelerin kristal kafesleri arasındaki potansiyel farkından kaynaklanan elektrokimyasal etkileşim. Pillerde, DC pillerde kullanılır.
- Isıtma sonucu elektronların aktivitesini artıran termokimyasal bir reaksiyon.
Yüklü parçacıkların hareketini oluşturan kuvvete "elektromotor" (EMF kısaltması) denir ve diyagramlarda genellikle güç kaynağının bağlı olduğu konektörlerin anımsatıcı sembollerine eşlik eden "E" harfiyle gösterilir.
Volt ve Amper
EMF ve voltaj, doğru akım kaynağı olan galvanik pilin resmi olarak tanınan mucidi İtalyan Alessandro Volta'nın adını taşıyan geleneksel bir birim olan volt cinsinden ölçülür. Bu, 1 joule konvansiyonel enerji harcanmışsa, bir birim yükü (coulomb) hareket ettirirken yapılan iş miktarıdır.
Bununla birlikte, elektrik akımının ikinci bir ölçüm birimi daha vardır - adını Fransız fizikçi Andre-Marie Ampere'den alan amper. Geleneksel olarak buna akım gücü denir, ancak yüklü bir parçacığın ikili fiziksel özünü en iyi şekilde yansıtan "manyetik motor kuvveti" terimini kullanmak daha doğrudur.
Elektronun manyetik ve elektrik alanları karşılıklı olarak telafi etme eğilimindedir ve bağımlılıkları I = U / R formülüyle açıklanan Ohm yasasına göre belirlenir. Ortamın direnci keskin bir şekilde düşerse (örneğin kısa devre sırasında), o zaman akım katlanarak artar. Bu, tepki voltajının düşmesine neden olarak sistemin dengeye dönmesine neden olur. Benzer bir etki, bir kaynak transformatörünün çalışması sırasında, bir ark oluştuğunda akkor lambalar neredeyse söndüğünde fark edilebilir.
Başka bir etki daha var: ortamın yüksek direnciyle, voltaj kritik bir seviyeye ulaşana kadar herhangi bir yüzeyde aynı işaretli bir yük birikir, ardından en büyük potansiyele sahip yüzey yönünde bir arıza (akım meydana gelir) meydana gelir. fark. Statik voltaj son derece tehlikelidir çünkü deşarj anında yüzlerce amperlik akım üretebilir. Bu nedenle uzun süre manyetik alana maruz kalan metal yapıların topraklanması gerekir.
Sabit mi değişken mi?
Gerilim elektriğin statik bileşenidir ve akım dinamiktir çünkü yönü iletkenin uçlarındaki polariteye göre değişir. Ve bu özelliğin elektriğin dünyaya yayılması için çok faydalı olduğu ortaya çıktı. Gerçek şu ki, aynı enerji korunumu yasasına göre ortamın iç direnci nedeniyle herhangi bir akım sönümlenir. Ancak tek yönde hareket eden bir elektron akışını yükseltmenin çok zor olduğu, ancak döngüsel olarak yön değiştiren akışın basit olduğu ortaya çıktı, bunun için bir çekirdek üzerinde iki sargılı bir transformatör kullanıldı.
Alternatif akım elde etmek için, bir elektrik jeneratörü prototipinde bakır bir diski kalıcı bir mıknatıs alanında döndüren Faraday'ın keşfettiği prensibi tersine çevirmek gerekir. Nikola Tesla tam tersini yaptı - sabit bir sargının içine dönen bir elektromıknatıs yerleştirdi ve beklenmedik bir etki elde etti: kutuplar manyetik alanın nötr noktasından geçtiği anda, voltaj genliği sıfıra düşer ve sonra tekrar artar, ancak farklı bir işaret. Bir devir sırasında, iletkendeki elektronların hareket yönü iki kez değişir ve bu da çalışma aşamasını oluşturur. Bu nedenle alternatif akıma faz akımı da denir. Ve onu üreten voltaj sinüzoidaldir.
Nikola Tesla, birbirine 90 0 açıyla yerleştirilmiş iki sargılı bir jeneratör yarattı ve Rus mühendis M.O. Dolivo-Dobrovolsky, elektrik makinesinin stabilitesini artıran statora üç tane yerleştirerek bunu geliştirdi. Bunun sonucunda endüstriyel alternatif akım üç fazlı hale geldi.
Neden 220 volt 50 Hz?
Ülkemizde tek fazlı ev ağı 220 volt ve 50 hertz değerlerine sahiptir. Bu özel sayıların ortaya çıkmasının nedeni oldukça ilginçtir.
Elektriğin yerli gelişiminde avuç içi Thomas Edison'a aittir. Nikola Tesla'nın parlak alternatif akım icadı henüz gerçekleşmediğinden, yalnızca doğru akımı kullandı.
İlk elektrikli cihaz, karbon filamanlı akkor lambaydı. Deneysel olarak, en iyi 45 volt voltajda çalıştığı ve devrede bulunan ve yirmi voltun daha dağılmasını sağlayan bir balast direncinde çalıştığı bulunmuştur. İki lambanın seri bağlanmasıyla kabul edilebilir bir çalışma süresi sağlandı. Edison'a göre ev ağında toplamda 110 volt olması gerekiyordu.
Ancak doğru akımın enerji santrallerinden tüketicilere aktarılmasında büyük zorluklar yaşandı: bir veya iki mil sonra tamamen sona erdi. Joule-Lenz Yasasına göre bir iletkenin akımın geçişi sırasında yaydığı ısı miktarı şu formülle hesaplanır: Q = R. ben 2. Kayıpları dört kat azaltmak için voltaj 220 volta çıkarıldı ve güç hattı iki "artı" ve bir "eksi" olmak üzere üç iletkenden yapıldı. Tüketici aynı 110 voltu aldı.
Nikola Tesla ile Thomas Edison arasındaki "Akımların Savaşı" olarak adlandırılan çatışma, uzun mesafelerde minimum kayıpla iletilebildiği için alternatif akımın lehine kararlaştırıldı. Bununla birlikte, güç iletkenleri arasındaki voltaj 220 kalır ve tüketiciye sağlanan doğrusal voltaj 127 volttur, çünkü 120 derecelik faz kayması nedeniyle voltaj genlikleri aritmetik olarak toplanmaz, ancak 1,73 - kare ile çarpılır. üçün kökü.
SSCB'de, tek fazda 127 voltluk ağ değeri 60'lı yılların başına kadar kullanıldı. İletilen gücü artırmak için gerçekleştirilen elektrik hatlarının iyileştirilmesi sırasında tasarımcılar Edison ile aynı yolu izlediler - voltajı artırdılar.
Referans noktası fazlar arasında ölçülen 220 volttur. Bu sıradan hale geldi. Ve 220'nin 1,73 ile çarpılmasıyla 380 voltluk endüstriyel faz-faz voltajı elde edildi. 50 Hz'lik bir frekans, dakikada 3 bin titreşimdir, yani bir dizel motorun veya alternatif akımlı bir makineyi çalıştıran başka bir içten yanmalı motorun krank milinin optimum devir sayısıdır.
Artık voltajın ve elektrik akımının ne olduğunu, hangi birimlerde ölçüldüğünü ve birbirlerine nasıl bağlı olduklarını ve ayrıca prizinizde neden 220 volt bulunduğunu biliyorsunuz. Sunulan gerçekler akademik nitelikte değildir ve nihai gerçek olma iddiasında değildir. Bu olgunun doğası hakkında elektrik mühendisliği ders kitaplarından daha fazla bilgi edinebilirsiniz.
Elbette her birimiz, hayatımızda en az bir kez, akımın ne olduğuna dair sorular sormuşuzdur, Gerilim, yük vb. Bütün bunlar büyük bir fiziksel kavramın bileşenleridir - elektrik. Basit örnekler kullanarak elektriksel olayların temel kalıplarını incelemeye çalışalım.
Elektrik nedir?
Elektrik, elektrik yükünün ortaya çıkışı, birikmesi, etkileşimi ve aktarımı ile ilişkili bir dizi fiziksel olaydır. Bilim tarihçilerinin çoğuna göre, ilk elektrik olgusu M.Ö. yedinci yüzyılda antik Yunan filozofu Thales tarafından keşfedildi. Thales statik elektriğin etkisini gözlemledi: hafif nesnelerin ve parçacıkların yünle ovulan kehribara çekilmesi. Bu deneyi kendiniz tekrarlamak için, herhangi bir plastik nesneyi (örneğin bir kalem veya cetvel) yün veya pamuklu bir kumaşa sürmeniz ve onu ince kesilmiş kağıt parçalarına getirmeniz gerekir.
Elektrik olaylarının incelenmesini açıklayan ilk ciddi bilimsel çalışma, İngiliz bilim adamı William Gilbert'in 1600 yılında yayınlanan "Mıknatıs, Manyetik Cisimler ve Büyük Mıknatıs - Dünya Üzerine" adlı eseriydi. Yazar bu çalışmada sonuçları açıkladı. Mıknatıslar ve elektrikli cisimlerle yaptığı deneylerden. Elektrik terimi de ilk kez burada geçiyor.
W. Gilbert'in araştırması, elektrik ve manyetizma biliminin gelişimine ciddi bir ivme kazandırdı: 17. yüzyılın başından 19. yüzyılın sonuna kadar olan dönemde çok sayıda deney yapıldı ve elektromanyetik alanı tanımlayan temel yasalar fenomenler formüle edildi. Ve 1897'de İngiliz fizikçi Joseph Thomson, maddenin elektriksel ve manyetik özelliklerini belirleyen temel yüklü parçacık olan elektronu keşfetti. Bir elektronun (eski Yunanca'da elektron kehribardır) yaklaşık 1.602 * 10-19 C'ye (Coulomb) eşit bir negatif yükü ve 9.109 * 10-31 kg'a eşit bir kütlesi vardır. Elektronlar ve diğer yüklü parçacıklar sayesinde maddelerde elektriksel ve manyetik işlemler meydana gelir.
Gerilim nedir?
Doğrudan ve alternatif elektrik akımları vardır. Yüklü parçacıklar sürekli olarak bir yönde hareket ediyorsa, devrede doğru akım vardır ve buna göre sabit voltaj. Parçacıkların hareket yönü periyodik olarak değişirse (bir yönde veya başka bir yönde hareket ederler), o zaman bu bir alternatif akımdır ve buna göre alternatif bir voltajın varlığında (yani potansiyel fark polaritesini değiştirdiğinde) ortaya çıkar. Alternatif akım, akım gücündeki periyodik bir değişiklikle karakterize edilir: önce bir maksimum, sonra da minimum bir değer alır. Bu mevcut değerler genlik veya tepe noktasıdır. Gerilim polarite değişikliklerinin sıklığı değişebilir. Örneğin ülkemizde bu frekans 50 Hertz'dir (yani voltaj saniyede 50 kez polaritesini değiştirir), ABD'de alternatif akımın frekansı 60 Hz (Hertz)'dir.
Elektrik alanına giren yüklü parçacıklar, belirli bir yönde düzenli bir şekilde hareket etmeye başlar. Parçacıklar belli bir enerji kazanır, yani iş yapılır. Bir elektrik alanında elektrik yüklerini kuvvetli bir şekilde hareket ettirmek için yapılan iş miktarını belirlemek e başka bir fiziksel miktarın - elektrik voltajının - eklenmesini gerektirdi sen.
Elektrik alanın yaptığı iş nedir?
İş tutumu A Pozitif bir yükü alanın bir noktasından diğerine hareket ettirirken herhangi bir elektrik alanı tarafından yük miktarına kadar gerçekleştirilir Q elektrik voltajı denir sen bu noktalar arasında:
$$ U = ( A \over q ) $$
Elektrik voltajının, 1 coulomb'luk bir yükü elektrik alanındaki bir noktadan başka bir noktaya taşımak için yapılan işe eşit olduğunu söyleyebiliriz.
Daha sonra alanın yaptığı iş miktarını belirlemek için aşağıdaki ifadeyi elde edebiliriz:
$$ A = ( q * U ) $$
Pirinç. 1. Elektrik alanındaki elektronlar.
Birimler
Uluslararası Birimler Sisteminde (SI), gerilim birimi (V), elektriğin doğasının anlaşılmasına büyük katkı sağlayan İtalyan kaşif Alessandro Volta'nın (1745-1827) adını almıştır. İş joule (J) ve yük coulomb (K) cinsinden ölçüldüğüne göre:
$$ =( \üzerinde ) $$
Gerilim geniş bir aralıkta değişiklik gösterebilir, bu nedenle sistem dışı birimler:
- 1 mikrovolt (μV) = 0,0000001 V;
- 1 milivolt (mV) = 0,001 V;
- 1 kilovolt (kV) = 1000 V;
- 1 MV (megavolt) = 1.000.000 V.
DC ve AC voltajı
İki tür voltaj vardır - sabit ve alternatif. Sabit voltaj kaynağına bir örnek, ev aletlerinde kullanılan sıradan pillerdir: uzaktan kumandalar, telefonlar vb. Pillerin yüzeyinde her zaman “-” ve “+” simgeleri bulunur.
Bu da pilin oluşturduğu elektrik alanın yönünün her zaman sabit olacağı anlamına geliyor. Alternatif akım kaynakları daha sonra icat edildi ve alternatif akımın dönüştürülmesinin (yükseltilmesi, zayıflatılması) ve uzun mesafelere iletilmesinin daha kolay olması nedeniyle çok yaygınlaştı.
Pirinç. 2. Doğrudan ve alternatif gerilimlerin grafikleri.
Grafikler sabit voltajın zamana bağlı olmadığını göstermektedir,
$$U(t) = sabit $$
Alternatif voltaj sıfır değerinden geçerek "+" işaretini "-" olarak değiştirir. Elektrik voltajı formülü U(t) için sinüs veya kosinüsün trigonometrik fonksiyonları çok uygundur:
$$ U(t) = U_А * sin(ω*t) $$
nerede U A — alternatif voltajın genliği, yani maksimum voltaj değeri;
ω - alternatif voltajın frekansı, voltajın işaretinin bir saniyede kaç kez değiştiğini, yani "artı"nın "eksi"ye değiştiğini gösterir. Frekans değeri, gerilim polaritesinin hangi hızda (ne sıklıkta) değiştiğini gösterir. Örneğin apartmanlarımızın elektrik prizlerinde voltaj saniyede 50 kez (50 Hertz frekansında) değişmektedir.
Elektrik voltajının etkisi belirli değerlerden başlayarak insanlar için güvensiz hale gelir. Kuru odalarda 36 V'a kadar voltaj güvenli kabul edilir.Nem oranı yüksek odalarda bu değer daha da düşüktür - 12 V. Bu nedenle, elektrikli cihazlarla çalışırken ve kullanırken her zaman güvenlik önlemlerine uymalısınız.
Nasıl ve hangi voltajla ölçülür?
Gerilim, voltmetre adı verilen bir alet kullanılarak ölçülür. Gerilim düşüşünün ölçüleceği elektrik devresi elemanına paralel olarak bir voltmetre bağlanır. Diyagramlarda bir voltmetre, içinde V harfi bulunan bir daire olarak gösterilir.
Pirinç. 3. Çeşitli voltmetreler ve diyagramlardaki gösterimleri.
Daha önce, tüm voltmetreler kadranlı voltmetrelerdi ve voltaj değeri, üzerine dijital değerlerin basıldığı cihaz ölçeğinde bir okla gösteriliyordu. Artık bu cihazların çoğu elektronik göstergeli (LED veya sıvı kristal) üretiliyor. Voltmetrenin kendisi ölçüm sonucunu etkilememelidir, bu nedenle kendi direnci çok büyük yapılır, böylece içinden pratik olarak hiçbir yük (elektrik akımı) akmaz.
Ne öğrendik?
Böylece, elektrik voltajının, elektrik alan kuvvetinin elektrik yüklerini hareket ettiren çalışmasını karakterize eden fiziksel bir miktar olduğunu öğrendik. Gerilim sabit veya değişken olabilir. Voltmetreler voltajı ölçmek için kullanılır.
Konuyla ilgili deneme
Raporun değerlendirilmesi
Ortalama puanı: 4.8. Alınan toplam puan: 44.
Hayatınızı elektriksiz hayal etmek mümkün mü? Modern insan, kendisini hayata yardımcı olan ev aletleriyle sıkı bir şekilde çevrelemiştir. Artık kendimizi ve hayatımızı akıllı ev asistanları olmadan hayal edemiyoruz.
Teknoloji giderek elektrik kullanımına yöneliyor. Ulaşımda bile yavaş yavaş elektrik motorlarına geçiliyor, bu da doğaya verilen zararı önemli ölçüde azaltıyor.
Bugün aşağıdaki soruları cevaplamaya çalışacağız:
- Elektrik akımı nedir?
- Elektrik voltajı nedir?
- Gerilim nasıl belirlenir?
- Gerilim nasıl ölçülür?
Güncel olan nedir?
Elektrik çalışmalarının başlangıcında, bir cismin diğerine sürtülmesiyle elde ediliyordu. Fırtına sırasında doğal bir deşarj olan yıldırım kullanılarak daha büyük bir yük kaynağı elde edilebilir. Bu yöntemin M. V. Lomonosov'un öğrencisi Richter'in hayatına mal olduğu biliniyor.
Yükün kendisinin kullanılması zor ve mantıksızdır. Yön hareketini - elektrik akımını - elde etmek gerekir. Mevcut özellikler:
- iletken ısıtma;
- kimyasal etki;
- mekanik eylem;
- manyetik eylem.
Günlük yaşamda ve teknolojide kullanılırlar. Akımın varlığı için gerekli bir koşul, serbest elektrik yüklerinin ve kapalı bir iletkenin varlığıdır.
Arka plan
1792'de ünlü İtalyan fizikçi, fizyolog ve mucit, vatandaşı Luigi Galvani'nin hayvan organlarındaki mevcut darbelerin doğası hakkındaki sonuçlarıyla ilgilenmeye başladı. Metal kancalara tutturulmuş kurbağa bacaklarının davranışlarının uzun süreli gözlemlenmesi, elektriğin kaynağının canlı bir organizma değil, farklı metallerin teması olduğu sonucuna varmasına olanak sağladı. Elektrik akışını teşvik eden de bu durumdur ve sinir uçlarının reaksiyonu yalnızca akımın fizyolojik etkisidir.
Eşsiz keşif, Volta Sütunu adı verilen dünyanın ilk kaynağının yaratılmasına yol açtı. Benzer olmayan metaller (Volta, bunların bir dizi kimyasal elementle birbirlerinden ayrılması gerektiğini savundu), "ikinci tür iletken" sıvıyla emprenye edilmiş kağıtla ayrılır.
Bu cihaz ilk sabit voltaj kaynağı oldu. Elektrik voltajı ölçüm birimi Alessandro Volta'nın adını ölümsüzleştirdi.
DC kaynağı
Bir elektrik devresinin ana elemanı bir akım kaynağıdır. Amacı, etkisi altında serbest yüklü parçacıkların (elektronlar, iyonlar) yönlendirilmiş harekete geçtiği bir elektrik alanı yaratmaktır. Kaynağın bireysel elemanları üzerinde biriken yükler (bunlara kutuplar denir) farklı işaretlere sahiptir. Yükün kendisi, elektriksel olmayan nitelikteki kuvvetlerin (mekanik, kimyasal, manyetik, termal vb.) etkisi altında kaynağın içinde yeniden dağıtılır. Akım kaynağının dışındaki kutupların yarattığı elektrik alanı, kapalı bir iletkendeki yükü hareket ettirmek için çalışır. Alessandro Volta, doğru akım oluşturmak için kapalı devrenin gerekliliğinden bahsetti.
Yük hareketi, elektriksel olmayan kuvvetlerin etkisi altındaki kaynaklarda meydana geldiğinden, bu, bu kuvvetlerin iş yaptığı anlamına gelir. Onlara üçüncü şahıslar diyelim. Bir akım kaynağı içindeki yükü aktarmak için dış kuvvetlerin yaptığı işin yük miktarına oranına elektromotor kuvvet denir.
Bu ilişkinin matematiksel gösterimi şu şekildedir:
- Ε = А st: q,
burada E elektromotor kuvvettir (EMF), A st dış kuvvetlerin işidir, q ise dış kuvvetler tarafından kaynakta aktarılan yüktür.
EMF, bir kaynağın akım yaratma yeteneğini karakterize eder, ancak bir kaynağın temel özelliği bazen elektrik voltajı (potansiyel fark) olarak kabul edilir.
Gerilim
Bir iletkendeki yükü hareket ettirmek için yapılan alanın, yük miktarına oranına elektrik voltajı denir.
Bunu belirlemek için saha çalışmasının büyüklüğünü yükün büyüklüğüne bölmeniz gerekir. Akım kaynağının elektrik alanının q yükünü hareket ettirmek için yaptığı iş A olsun. U - İlgili formülün matematiksel gösterimi:
- U = A: q.
Herhangi bir fiziksel nicelik gibi voltajın da bir ölçü birimi vardır. Gerilim nasıl ölçülür? Dünyanın ilk doğru akım kaynağının mucidi Alessandro Volta'nın adından sonra bu niceliğe kendi ölçü birimi verilmiştir. Uluslararası sistemde voltaj volt (V) cinsinden ölçülür.
1 V'luk bir voltaj, 1 C'lik bir yükü hareket ettirmek için 1 J'lik iş yapan bir elektrik alanın voltajı olarak kabul edilir.
- B = J/C = N.m/(A.s) = kg.m/(A.s 3).
SI temel birimlerinde elektrik voltajının ölçü birimi şöyledir:
- kg.m/(A.s 3).
Gerekli değer
Akımı karakterize ederken akım gücü kavramını tanıtmak neden yeterli değil? Bir düşünce deneyi yapalım. İki farklı lamba alalım: sıradan bir ev lambası ve bir el feneri lambası. Bunları farklı akım kaynaklarına (şehir ağı ve pil) bağlarken, kesinlikle aynı akım değerini elde edebilirsiniz. Aynı zamanda ev lambası daha fazla ışık verir, yani içindeki akımın yaptığı iş çok daha fazladır.
Farklı akım kaynaklarının farklı voltajları vardır. Dolayısıyla bu değer son derece gereklidir.
Yararlı bir benzetme
Elektrik voltajının fiziksel anlamını anlamak, ilginç bir benzetmeye dalmaktan gelir. Aralarında basınç farkı varsa sıvı tüpten tüpe akar. Basınçlar eşit olduğunda sıvı akışı durur.
Sıvı akımı bir elektrik yükünün akışıyla karşılaştırıldığında, sıvı sütunları arasındaki basınç farkı, akım kaynağındaki potansiyel farkla aynı rolü oynar.
Akım kaynağının içinde, kutuplarda yükün yeniden dağıtımına eşlik eden işlemler meydana geldiği sürece, iletkende bir akım oluşturabilir. Elektrik voltajı volt cinsinden ölçülür, basınç farkının bir ölçü birimi vardır - pascal.
Alternatif akım
Periyodik olarak yönünü değiştiren bir elektrik akımına alternatif denir. Alternatif bir voltaj kaynağı tarafından oluşturulur. Çoğu zaman bu bir jeneratördür. Açıklamaya çalışalım: AC voltajı nasıl ölçülür?
Akım üretiminin ilkesi elektromanyetik indüksiyon olgusuna dayanmaktadır. Kapalı bir döngünün manyetik alanda dönmesi, iletkende potansiyel bir farkın ortaya çıkmasına neden olur. volt cinsinden ve değişen akım durumunda ölçülür.
Gerilimin değişmediğini söyleyebilir miyiz? Kontur düzlemi ile normali arasındaki açının değişmesi nedeniyle oluşturulan gerilimin zamanla değiştiği açıktır. Değeri sıfırdan belli bir maksimum değere kadar büyür, sonra tekrar sıfıra düşer. Belirli bir değerden bahsetmeye gerek yok. Sözde etkin voltaj değerini girin:
- U d = U: √2.
Gerilimi hangi cihaz ölçer?
Elektrik voltajını ölçmek için bir cihaz - bir voltmetre. Çalışma prensibi, bir devrenin akımla ve kalıcı bir mıknatısın manyetik alanıyla etkileşimine dayanmaktadır. Akım taşıyan bir devrenin manyetik alan içerisinde döndüğü bilinmektedir. Devredeki akım miktarına bağlı olarak dönme açısı değişir.
Devreye bir ok takarsanız devreden (genellikle bir bobinden) akım geçtiğinde sıfır değerinden sapar. Hangi voltajın ölçüldüğüne bağlı olarak cihazın ölçeği kalibre edilir. Alt katları ve katları kullanmak mümkündür.
Değerlerin düşük olması durumunda elektrik voltajı milivolt veya mikrovolt cinsinden ölçülür. Aksine, yüksek gerilim şebekelerinde birden fazla ünite kullanılır.
Herhangi bir voltmetre, devrenin voltajın ölçüldüğü bölümüne paralel olarak bağlanır. Cihaz devresinin ana özelliği yüksek omik dirençtir. Voltmetre, voltajın nasıl ölçüldüğüne bakılmaksızın devredeki akım gücünü etkilememelidir. İçinden, ana değeri önemli ölçüde etkilemeyen önemsiz bir akım geçer.
Gerilim tablosu
Voltmetrenin pratik uygulaması
Bir voltmetreyi etkili bir şekilde kullanmak için onu nasıl kullanacağınızı öğrenmelisiniz. Meraklı bir deneyciye okul öğretmenleriyle iletişime geçmesi önerilebilir.
Okul fizik sınıfları, stresi ölçmek için laboratuvar ve gösteri araçlarıyla donatılmıştır.
Herhangi bir voltmetre, basit kurallara uyarak dikkatle çalıştırılmalıdır:
- Voltmetrenin maksimum ölçüm sınırı vardır. Bu kendi ölçeğindeki en yüksek değerdir. Daha yüksek voltaj elemanı içeren bir devreye bağlamamalısınız.
- Başka bir kaynak veya voltmetre yoksa ek direnç sistemini kullanabilirsiniz. Bu durumda voltmetre ölçeğinin de değiştirilmesi gerekir.
- Elektrikli cihazlar, terminallerindeki şarj işaretinin göstergelerine bağlı olarak bir DC devresine bağlanır. Akım kaynağının pozitif terminali voltmetrenin pozitif terminaline, negatif terminali ise negatif terminale bağlanmalıdır. Karıştırırsanız cihazın okları bükülebilir ve bu da son derece istenmeyen bir durumdur.
- Tüm bağlantılar yalnızca enerjisi kesilmiş bir devreye yapılır.
Sağlıksız
Elektrik akımının etkisi insanlar için güvenli olmayabilir. 24 V'un altındaki voltaj zararsız kabul edilir.
Şehir şebekesi voltajı (220 V) altındaki akımın etkisi oldukça belirgindir. Açıkta kalan temas noktalarına dokunmak, önemli bir “elektrik çarpması” ile birlikte gelir.
Fırtına sırasındaki voltaj insan vücudundan o kadar yüksek bir akım geçirir ki ölümcül olabilir. Hayatınızı ve sağlığınızı riske atmanın bir anlamı yok.