Історична довідка

2600 років тому Фалес Мілетський у Греції зауважив, що якщо потерти кінцем бурштинової палички об вовняну тканину, вона може притягувати легкі та сухі частинки різних речовин. Оскільки бурштин по-грецьки називається "електрон", це ще невідоме явище назвали "електрика".

Бенджамін Франклін ототожнив електрику з блискавкою і винайшов громовідвід, а Вольта, трохи пізніше, винайшов гальванічний елемент, що носить його ім'я. А вже у 1800 році був вперше практично використаний електричний генератор.

У 19 столітті застосування електричного струму розвивається, і прогрес прискорюється. Це, головним чином, пов'язано з винаходом динамо Граммом у 1869 році та першої лампи розжарювання з вугільною ниткою Едісоном у 1889 році.

На початку 20 століття все більш досконалі дослідження йдуть одне за одним і приводять до розгляду електрики як форми енергії, пов'язаної з переміщенням нескінченно малих частинок у глибині речовини. Ми потрапляємо в епоху атома.

Молекула та атом

Перед тим як визначити, що таке електричний струм, розглянемо ближче будову матерії.

Найдрібніша частка тіла, що існує у вільному стані, називається молекулою. Сама молекула складається з однієї чи множини атомів, природа яких може бути різна.

Атом походить від грецького “атомос”, що означає “неподільний”.

Довгий час атом розглядався, як найдрібніша частка речовини, але новітні технології дозволили виявити частки, що його становлять: електрон, протон і нейтрон.

Будову атома можна легко пояснити за аналогією із сонячною системою: електрони (негативно заряджені частинки) рухаються різними орбітами навколо ядра.

Ядро складається з протонів (позитивно заряджених частинок) та нейтронів (електрично нейтральних частинок).

Число електронів дорівнює числу протонів в атомі, що робить його електрично нейтральним.

Шар електронів, найбільш віддалених від ядра - "валентний шар", визначає хімічні та електричні властивості атома.

Якщо валентний шар містить від одного до трьох електронів, вони можуть легко відокремлюватися від атома. Такі електрони називаються вільними.

Електричний струм

Джерело струму має виводи (+) та (-).

Вивід, що заряджений негативно, пов'язаний з атомами, що містять надлишок електронів.

Вивід, що заряджений позитивно, пов'язаний з атомами, що втратили електрони.

Зобразимо атом як якогось суб'єкта в капелюсі: голова є ядро, а капелюх – вільний електрон.

Так само в джерелі струму зобразимо атоми, що належать виводам (+) або (-) відповідно до їх електронного заряду, потім з'єднаємо їх електричним провідником.

Ми бачимо, що електрони переміщуються від виводу (-) до виводу (+) за допомогою вільних електронів провідника. Це реальний напрямок електричного струму, який також називають напрямом руху електронів.

Однак електричний струм був відкритий значно раніше, ніж він міг бути пояснений. Фізики вирішили привласнити йому довільний напрямок від плюса до мінуса і назвали його "умовний напрямок". 

Оскільки це непринципово, такий напрямок було збережено в теорії електрики.

Найпростіший електричний ланцюг і його параметри

Щоб пояснити електричний ланцюг, найпростіше звернутися до гідравлічного ланцюга.

Цю аналогію ми будемо використовувати у подальшому.

Простий ланцюг складається з наступних елементів:

• Джерело живлення - Батарея - Резервуар із водою

• Споживач - Лампа - Гідротурбіна

• Провідники - Проводи - Трубопроводи

• Роз'єднувач - Вимикач - Вентиль

Поняття напруги

Для протікання струму по ланцюгу необхідно, щоб на його кінцях існувала різниця електричних "тисків". Ця різниця називається різницею потенціалів або напругою на виводах ланцюга.

Те саме і в гідравліці: необхідно мати різницю рівнів у резервуарах А та В, щоб створити циркуляцію води.

Напругу можна порівняти з тиском води в гідравлічній системі: якщо немає різниці тиску між двома резервуарами, вода в системі не тече. 

Так само і в електриці: якщо немає різниці потенціалів на кінцях ланцюга, струм у ланцюгу не протікає.

• Позначення напруги: U

• Одиниця напруги: Вольт (В)

• Вимірювальний прилад: Вольтметр

• Увімкнення приладу: Паралельно

Поняття сили струму

Залежно від характеристики споживача електричний струм тече у більшій чи меншій кількості – це витрата струму.

Силою струму називають величину витрати струму, що циркулює по ланцюгу.

Сила струму аналогічна витраті води, що циркулює в гідравлічній системі.

• Позначення сили струму: I

• Одиниця виміру: Ампер (А)

• Вимірювальний прилад: Амперметр

• Включення споживача: Послідовно

Поняття опору

Для свого обертання турбіна використовує енергію циркуляції води, гальмуючи її та зменшуючи її витрату. 

Щоб краще зрозуміти, що таке опір, замінимо турбіну жиклером. Ми помічаємо, що в залежності від прохідного перерізу жиклера резервуар випорожнюється швидше або повільніше:таким чином жиклер протидіє витраті води.

В електриці це протидія називається "опором", оскільки вона зменшує витрату струму в ланцюгу, або силу струму. Елементи, функціональне призначення яких – чинити відомий опір електричному струму з метою регулювання струму та напруги, називаються резисторами.

• Позначення опору: R

• Одиниця виміру: Ом (Ω)

• Вимірювальний прилад: Омметр

• Увімкнення приладу: До виводів вимірюваного елемента

Говорять, що дві точки електричного ланцюга замкнуті, якщо опір між цими двома точками близький до нуля.

Такі матеріали, як фарфор або пластмаса, що мають великий електричний опір, називаються “ізоляторами”.

Проте слід зазначити, що ідеальних ізоляторів немає, як і немає ідеальних провідників: мідний провід, який є хорошим провідником, все ж таки створює певний опір протіканню струму.

Щоб пояснити це явище, розглянемо знову гідравлічний контур і представимо в якості опору накип у трубках.

Констатуємо, що вода легко витікає, якщо:

• Перетин трубки великий

• Довжина трубки мала

Електричний провід веде себе як трубопровід у гідравлічному контурі: його опір збільшується з його довжиною та зменшується зі збільшенням перерізу.