Fysikken til elektrisitet er noe hver enkelt av oss må forholde seg til. I artikkelen vil vi vurdere de grunnleggende konseptene knyttet til den.
Hva er elektrisitet? For en uinnvidd person er det assosiert med et lynglimt eller med energien som mater TVen og vaskemaskinen. Han vet at elektriske tog bruker elektrisk energi. Hva annet kan han si? Kraftledninger minner ham om vår avhengighet av elektrisitet. Noen kan gi noen andre eksempler.
Menge andre, ikke så åpenbare, men hverdagslige fenomener henger imidlertid sammen med elektrisitet. Fysikken introduserer oss for dem alle. Vi begynner å studere elektrisitet (oppgaver, definisjoner og formler) på skolen. Og vi lærer mye interessant. Det viser seg at et bankende hjerte, en løpende idrettsutøver, en sovende baby og en svømmende fisk alle genererer elektrisk energi.
Elektroner og protoner
La oss definere de grunnleggende konseptene. Fra en forskers synspunkt er elektrisitetsfysikken assosiert med bevegelsen av elektroner og andre ladede partikler i forskjellige stoffer. Derfor avhenger den vitenskapelige forståelsen av naturen til fenomenet som er av interesse for oss, av kunnskapsnivået om atomer og deres konstituerende subatomære partikler. Det lille elektronet er nøkkelen til denne forståelsen. Atomene til et hvilket som helst stoff inneholder ett eller flere elektroner som beveger seg i forskjellige baner rundt kjernen, akkurat som planetene kretser rundt solen. Vanligvis er antallet elektroner i et atom lik antallet protoner i kjernen. Imidlertid kan protoner, som er mye tyngre enn elektroner, betraktes som om de er festet i sentrum av atomet. Denne ekstremt forenklede modellen av atomet er nok til å forklare det grunnleggende om et slikt fenomen som elektrisitetens fysikk.
Hva mer trenger du å vite? Elektroner og protoner har samme elektriske ladning (men forskjellige tegn), så de tiltrekkes av hverandre. Ladningen til et proton er positiv og ladningen til et elektron er negativ. Et atom som har flere eller færre elektroner enn vanlig kalles et ion. Hvis det ikke er nok av dem i et atom, kalles det et positivt ion. Hvis det inneholder et overskudd av dem, kalles det et negativt ion.
Når et elektron forlater et atom, får det en viss positiv ladning. Et elektron, fratatt sin motsetning - et proton, beveger seg enten til et annet atom eller går tilbake til det forrige.
Hvorfor forlater elektroner atomer?
Dette skyldes flere årsaker. Det mest generelle er at under påvirkning av en lyspuls eller et eksternt elektron, kan et elektron som beveger seg i et atom bli slått ut av sin bane. Varme får atomene til å vibrere raskere. Dette betyr at elektroner kan fly ut av atomet deres. I kjemiske reaksjoner beveger de seg også fra atom tilatom.
Et godt eksempel på forholdet mellom kjemisk og elektrisk aktivitet er musklene våre. Fibrene deres trekker seg sammen når de utsettes for et elektrisk signal fra nervesystemet. Elektrisk strøm stimulerer kjemiske reaksjoner. De fører til muskelsammentrekning. Eksterne elektriske signaler brukes ofte for å kunstig stimulere muskelaktivitet.
Konduktivitet
I noen stoffer beveger elektroner seg friere under påvirkning av et eksternt elektrisk felt enn i andre. Slike stoffer sies å ha god ledningsevne. De kalles konduktører. Disse inkluderer de fleste metaller, oppvarmede gasser og noen væsker. Luft, gummi, olje, polyetylen og glass er dårlige ledere av elektrisitet. De kalles dielektrikum og brukes til å isolere gode ledere. Ideelle isolatorer (absolutt ikke-ledende) finnes ikke. Under visse forhold kan elektroner fjernes fra ethvert atom. Imidlertid er disse betingelsene vanligvis så vanskelige å oppfylle at fra et praktisk synspunkt kan slike stoffer anses som ikke-ledende.
Når vi blir kjent med en slik vitenskap som fysikk (seksjonen "Elektrisitet"), lærer vi at det er en spesiell gruppe stoffer. Dette er halvledere. De oppfører seg delvis som dielektrikum og delvis som ledere. Disse inkluderer spesielt: germanium, silisium, kobberoksid. På grunn av egenskapene finner halvlederen mange bruksområder. For eksempel kan den tjene som en elektrisk ventil: som en sykkeldekkventil, denlar ladninger bevege seg i bare én retning. Slike enheter kalles likerettere. De brukes i miniatyrradioer så vel som store kraftverk for å konvertere AC til DC.
Varme er en kaotisk form for bevegelse av molekyler eller atomer, og temperatur er et mål på intensiteten til denne bevegelsen (i de fleste metaller, med synkende temperatur, blir elektronenes bevegelse friere). Dette betyr at motstanden mot fri bevegelse av elektroner avtar med synkende temperatur. Med andre ord øker ledningsevnen til metaller.
Superledningsevne
I noen stoffer ved svært lave temperaturer forsvinner motstanden mot strømmen av elektroner helt, og elektronene, etter å ha begynt å bevege seg, fortsetter det i det uendelige. Dette fenomenet kalles superledning. Ved temperaturer noen få grader over absolutt null (-273 °C) er det observert i metaller som tinn, bly, aluminium og niob.
Van de Graaff-generatorer
Skolens læreplan inneholder ulike eksperimenter med elektrisitet. Det finnes mange typer generatorer, en av dem vil vi gjerne snakke mer om. Van de Graaff-generatoren brukes til å produsere ultrahøye spenninger. Hvis en gjenstand som inneholder et overskudd av positive ioner er plassert inne i en beholder, vil elektroner vises på den indre overflaten av sistnevnte, og det samme antall positive ioner vil vises på den ytre overflaten. Hvis vi nå berører den indre overflaten med en ladet gjenstand, vil alle frie elektroner passere til den. På utsidenpositive belastninger vil forbli.
I en Van de Graaff-generator påføres positive ioner fra en kilde på et transportbånd inne i en metallkule. Båndet er koblet til den indre overflaten av kulen ved hjelp av en leder i form av en kam. Elektronene strømmer ned fra den indre overflaten av kulen. Positive ioner vises på dens ytre side. Effekten kan forsterkes ved å bruke to generatorer.
Elektrisk strøm
Skolefysikkkurset inneholder også noe slikt som elektrisk strøm. Hva er det? Elektrisk strøm skyldes bevegelse av elektriske ladninger. Når en elektrisk lampe koblet til et batteri er slått på, flyter strømmen gjennom en ledning fra den ene polen på batteriet til lampen, deretter gjennom håret, får den til å gløde, og tilbake gjennom den andre ledningen til den andre polen på batteriet. Hvis bryteren dreies, vil kretsen åpnes - strømstrømmen vil stoppe og lampen slukkes.
Bevegelse av elektroner
Strøm er i de fleste tilfeller en ordnet bevegelse av elektroner i et metall som fungerer som en leder. I alle ledere og noen andre stoffer er det alltid en tilfeldig bevegelse på gang, selv om det ikke flyter strøm. Elektroner i materie kan være relativt frie eller sterkt bundet. Gode ledere har frie elektroner som kan bevege seg rundt. Men i dårlige ledere, eller isolatorer, er de fleste av disse partiklene sterkt nok forbundet med atomer, noe som hindrer deres bevegelse.
Noen ganger skapes bevegelsen av elektroner i en bestemt retning naturlig eller kunstig i en leder. Denne strømmen kalles elektrisk strøm. Det måles i ampere (A). Ioner (i gasser eller løsninger) og "hull" (mangel på elektroner i enkelte typer halvledere) kan også tjene som strømbærere. Sistnevnte oppfører seg som positivt ladede elektriske strømbærere. Noe kraft må til for å få elektroner til å bevege seg i én retning eller en annen. I naturen kan dens kilder være: eksponering for sollys, magnetiske effekter og kjemiske reaksjoner. Noen av dem brukes til å generere elektrisitet. Vanligvis for dette formålet er: en generator som bruker magnetiske effekter, og en celle (batteri) hvis virkning skyldes til kjemiske reaksjoner. Begge enhetene skaper en elektromotorisk kraft (EMF), og får elektronene til å bevege seg i én retning gjennom kretsen. EMF-verdien måles i volt (V). Dette er de grunnleggende enhetene for elektrisitet.
Størrelsen på EMF og styrken til strømmen henger sammen, som trykk og strømning i en væske. Vannrør fylles alltid med vann ved et visst trykk, men vannet begynner først å renne når kranen slås på.
Tilsvarende kan en elektrisk krets kobles til en kilde til EMF, men strøm vil ikke flyte i den før det er opprettet en bane for elektronene å bevege seg langs. Det kan for eksempel være en elektrisk lampe eller en støvsuger, bryteren her spiller rollen som en kran som "slipper ut" strøm.
Forholdet mellom nåværende ogspenning
Når spenningen i kretsen øker, øker også strømmen. Når vi studerer et fysikkkurs, lærer vi at elektriske kretser består av flere forskjellige seksjoner: vanligvis en bryter, ledere og en enhet som bruker strøm. Alle av dem, koblet sammen, skaper en motstand mot elektrisk strøm, som (forutsatt en konstant temperatur) for disse komponentene ikke endres med tiden, men er forskjellig for hver av dem. Derfor, hvis den samme spenningen påføres en lyspære og et strykejern, vil strømmen av elektroner i hver av enhetene være forskjellig, siden motstandene deres er forskjellige. Derfor bestemmes styrken til strømmen som flyter gjennom en viss del av kretsen ikke bare av spenning, men også av motstanden til ledere og enheter.
Ohms lov
Verdien av elektrisk motstand måles i ohm (Ohm) i en vitenskap som fysikk. Elektrisitet (formler, definisjoner, eksperimenter) er et stort tema. Vi vil ikke utlede komplekse formler. For det første bekjentskapet med emnet er det som er sagt ovenfor nok. En formel er imidlertid fortsatt verdt å utlede. Hun er ganske ukomplisert. For enhver leder eller system av ledere og enheter, er forholdet mellom spenning, strøm og motstand gitt av formelen: spenning=strøm x motstand. Dette er det matematiske uttrykket for Ohms lov, oppk alt etter George Ohm (1787-1854), som først etablerte forholdet mellom disse tre parameterne.
Elektrisitetsfysikk er en veldig interessant gren av vitenskapen. Vi har kun vurdert de grunnleggende konseptene knyttet til det. Visste duHva er elektrisitet og hvordan genereres den? Vi håper du finner denne informasjonen nyttig.
