Elektricitetens fysik är något som var och en av oss måste ta itu med. I artikeln kommer vi att överväga de grundläggande begreppen som är förknippade med den.
Vad är el? För en oinvigd person är det förknippat med en blixt eller med energin som matar TV:n och tvättmaskinen. Han vet att elektriska tåg använder elektrisk energi. Vad mer kan han säga? Kraftledningar påminner honom om vårt beroende av el. Någon kan ge några andra exempel.
Många andra, inte så självklara, men vardagliga fenomen är dock kopplade till elektricitet. Fysiken introducerar oss för dem alla. Vi börjar studera el (uppgifter, definitioner och formler) i skolan. Och vi lär oss många intressanta saker. Det visar sig att ett hjärta som slår, en löpande idrottare, en sovande bebis och en simmande fisk alla genererar elektrisk energi.
Elektroner och protoner
Låt oss definiera de grundläggande begreppen. Ur en forskares synvinkel är elektricitetens fysik förknippad med rörelsen av elektroner och andra laddade partiklar i olika ämnen. Därför beror den vetenskapliga förståelsen av arten av fenomenet som är intressant för oss på kunskapsnivån om atomer och deras ingående subatomära partiklar. Den lilla elektronen är nyckeln till denna förståelse. Atomerna av något ämne innehåller en eller flera elektroner som rör sig i olika banor runt kärnan, precis som planeterna kretsar runt solen. Vanligtvis är antalet elektroner i en atom lika med antalet protoner i kärnan. Protoner, som är mycket tyngre än elektroner, kan dock anses vara fixerade i atomens mitt. Denna extremt förenklade modell av atomen räcker för att förklara grunderna för ett sådant fenomen som elektricitetens fysik.
Vad mer behöver du veta? Elektroner och protoner har samma elektriska laddning (men olika tecken), så de attraheras av varandra. Laddningen av en proton är positiv och den för en elektron är negativ. En atom som har fler eller färre elektroner än vanligt kallas en jon. Om det inte finns tillräckligt med dem i en atom kallas det en positiv jon. Om den innehåller ett överskott av dem kallas det en negativ jon.
När en elektron lämnar en atom får den en viss positiv laddning. En elektron, berövad sin motsats - en proton, flyttar sig antingen till en annan atom eller återgår till den föregående.
Varför lämnar elektroner atomer?
Detta beror på flera skäl. Det mest allmänna är att under påverkan av en ljuspuls eller någon extern elektron kan en elektron som rör sig i en atom slås ut ur sin bana. Värme gör att atomerna vibrerar snabbare. Det betyder att elektroner kan flyga ut ur sin atom. I kemiska reaktioner rör sig de också från atom tillatom.
Ett bra exempel på sambandet mellan kemisk och elektrisk aktivitet är våra muskler. Deras fibrer drar ihop sig när de utsätts för en elektrisk signal från nervsystemet. Elektrisk ström stimulerar kemiska reaktioner. De leder till muskelkontraktion. Externa elektriska signaler används ofta för att artificiellt stimulera muskelaktivitet.
Konduktivitet
I vissa ämnen rör sig elektroner under inverkan av ett yttre elektriskt fält mer fritt än i andra. Sådana ämnen sägs ha god ledningsförmåga. De kallas konduktörer. Dessa inkluderar de flesta metaller, uppvärmda gaser och vissa vätskor. Luft, gummi, olja, polyeten och glas är dåliga ledare av elektricitet. De kallas dielektrika och används för att isolera bra ledare. Idealiska isolatorer (absolut icke-ledande) finns inte. Under vissa förhållanden kan elektroner avlägsnas från vilken atom som helst. Dessa villkor är dock vanligtvis så svåra att uppfylla att sådana ämnen ur praktisk synvinkel kan anses vara icke-ledande.
När vi bekantar oss med en sådan vetenskap som fysik (avsnittet "Elektricitet"), lär vi oss att det finns en speciell grupp av ämnen. Dessa är halvledare. De beter sig dels som dielektrika och dels som ledare. Dessa inkluderar i synnerhet: germanium, kisel, kopparoxid. På grund av dess egenskaper finner halvledaren många tillämpningar. Till exempel kan den fungera som en elektrisk ventil: som en cykeldäcksventil, dentillåter laddningar att röra sig i endast en riktning. Sådana enheter kallas likriktare. De används i miniatyrradio såväl som i stora kraftverk för att konvertera AC till DC.
Värme är en kaotisk form av rörelse av molekyler eller atomer, och temperatur är ett mått på intensiteten av denna rörelse (i de flesta metaller, med sjunkande temperatur, blir elektronernas rörelse friare). Detta innebär att motståndet mot elektronernas fria rörelse minskar med sjunkande temperatur. Med andra ord ökar ledningsförmågan hos metaller.
Superledningsförmåga
I vissa ämnen vid mycket låga temperaturer försvinner motståndet mot flödet av elektroner helt, och elektronerna, som har börjat röra sig, fortsätter med det på obestämd tid. Detta fenomen kallas supraledning. Vid temperaturer några grader över absoluta nollpunkten (-273 °C) observeras det i metaller som tenn, bly, aluminium och niob.
Van de Graaff-generatorer
Skolans läroplan innehåller olika experiment med el. Det finns många typer av generatorer, en av dem skulle vi vilja prata om mer i detalj. Van de Graaff-generatorn används för att producera ultrahöga spänningar. Om ett föremål som innehåller ett överskott av positiva joner placeras inuti en behållare, kommer elektroner att dyka upp på den inre ytan av den senare, och samma antal positiva joner kommer att visas på den yttre ytan. Om vi nu vidrör den inre ytan med ett laddat föremål, så kommer alla fria elektroner att passera till det. På utsidanpositiva debiteringar kvarstår.
I en Van de Graaff-generator appliceras positiva joner från en källa på ett transportband inuti en metallsfär. Tejpen är ansluten till sfärens inre yta med hjälp av en ledare i form av en kam. Elektronerna strömmar ner från sfärens inre yta. Positiva joner visas på dess yttre sida. Effekten kan förstärkas genom att använda två generatorer.
Elektrisk ström
Skolfysikkursen innehåller också något sådant som elektrisk ström. Vad är det? Elektrisk ström beror på rörelsen av elektriska laddningar. När en elektrisk lampa som är ansluten till ett batteri slås på, flyter ström genom en ledning från en pol på batteriet till lampan, sedan genom dess hår, vilket gör att den lyser, och tillbaka genom den andra ledningen till den andra polen på batteriet. Om strömbrytaren vrids öppnas kretsen - strömflödet stoppas och lampan slocknar.
Rörelse av elektroner
Ström i de flesta fall är en ordnad rörelse av elektroner i en metall som fungerar som en ledare. I alla ledare och vissa andra ämnen sker det alltid någon slumpmässig rörelse, även om det inte flyter någon ström. Elektroner i materia kan vara relativt fria eller starkt bundna. Bra ledare har fria elektroner som kan röra sig. Men i dåliga ledare, eller isolatorer, är de flesta av dessa partiklar tillräckligt starkt förbundna med atomer, vilket förhindrar deras rörelse.
Ibland skapas elektroners rörelse i en viss riktning naturligt eller artificiellt i en ledare. Detta flöde kallas elektrisk ström. Det mäts i ampere (A). Joner (i gaser eller lösningar) och "hål" (brist på elektroner i vissa typer av halvledare) kan också fungera som strömbärare. De senare beter sig som positivt laddade elektriska strömbärare. Det behövs viss kraft för att få elektroner att röra sig i en riktning eller en annan. I naturen kan dess källor vara: exponering för solljus, magnetiska effekter och kemiska reaktioner. Några av dem används för att generera elektricitet. Vanligtvis för detta ändamål är: en generator som använder magnetiska effekter och en cell (batteri) vars verkan beror på till kemiska reaktioner. Båda enheterna skapar en elektromotorisk kraft (EMF), gör att elektronerna rör sig i en riktning genom kretsen. EMF-värdet mäts i volt (V). Dessa är de grundläggande enheterna för elektricitet.
Storleken på EMF och strömstyrkan är sammankopplade, som tryck och flöde i en vätska. Vattenledningar fylls alltid med vatten vid ett visst tryck, men vattnet börjar rinna först när kranen slås på.
På liknande sätt kan en elektrisk krets anslutas till en EMF-källa, men ström kommer inte att flöda i den förrän en väg skapas för elektronerna att röra sig längs. Det kan till exempel vara en elektrisk lampa eller en dammsugare, strömbrytaren här spelar rollen som en kran som "släpper ut" ström.
Förhållandet mellan nuvarande ochspänning
När spänningen i kretsen ökar, ökar också strömmen. När vi studerar en fysikkurs lär vi oss att elektriska kretsar består av flera olika sektioner: vanligtvis en strömbrytare, ledare och en enhet som förbrukar elektricitet. Alla av dem, sammankopplade, skapar ett motstånd mot elektrisk ström, som (förutsatt en konstant temperatur) för dessa komponenter inte förändras med tiden, men är olika för var och en av dem. Därför, om samma spänning appliceras på en glödlampa och ett strykjärn, kommer flödet av elektroner i var och en av enheterna att vara annorlunda, eftersom deras motstånd är olika. Därför bestäms styrkan hos strömmen som flyter genom en viss sektion av kretsen inte bara av spänningen utan också av motståndet hos ledare och enheter.
Ohms lag
Värdet på elektriskt motstånd mäts i ohm (Ohm) i en vetenskap som fysik. Elektricitet (formler, definitioner, experiment) är ett stort ämne. Vi kommer inte att härleda komplexa formler. För den första bekantskapen med ämnet räcker det som har sagts ovan. Men en formel är fortfarande värd att härleda. Hon är ganska okomplicerad. För alla ledare eller system av ledare och enheter, ges förhållandet mellan spänning, ström och resistans av formeln: spänning=ström x resistans. Detta är det matematiska uttrycket för Ohms lag, uppkallad efter George Ohm (1787-1854), som först etablerade sambandet mellan dessa tre parametrar.
Elektricitetsfysik är en mycket intressant gren av vetenskapen. Vi har bara övervägt de grundläggande begreppen som är förknippade med det. Visste duVad är el och hur genereras den? Vi hoppas att du tycker att denna information är användbar.
