Fizyka elektryczności to coś, z czym każdy z nas musi sobie poradzić. W artykule rozważymy podstawowe pojęcia z nim związane.
Co to jest elektryczność? Dla osoby niewtajemniczonej kojarzy się z błyskiem pioruna lub energią, która zasila telewizor i pralkę. Wie, że pociągi elektryczne zużywają energię elektryczną. Co jeszcze może powiedzieć? Linie energetyczne przypominają mu o naszej zależności od elektryczności. Ktoś może podać kilka innych przykładów.
Jednak wiele innych, nie tak oczywistych, ale codziennych zjawisk związanych jest z elektrycznością. Fizyka zapoznaje nas z nimi wszystkimi. Zaczynamy uczyć się elektryczności (zadania, definicje i formuły) w szkole. I dowiadujemy się wielu ciekawych rzeczy. Okazuje się, że bijące serce, biegający sportowiec, śpiące dziecko i pływająca ryba – wszyscy generują energię elektryczną.
Elektrony i protony
Zdefiniujmy podstawowe pojęcia. Z punktu widzenia naukowca fizyka elektryczności związana jest z ruchem elektronów i innych naładowanych cząstek w różnych substancjach. Dlatego naukowe zrozumienie natury interesującego nas zjawiska zależy od poziomu wiedzy o atomach i tworzących je cząstkach subatomowych. Mały elektron jest kluczem do tego zrozumienia. Atomy dowolnej substancji zawierają jeden lub więcej elektronów, które poruszają się po różnych orbitach wokół jądra, tak jak planety krążą wokół Słońca. Zwykle liczba elektronów w atomie jest równa liczbie protonów w jądrze. Jednak protony, które są znacznie cięższe od elektronów, można uważać za unieruchomione w centrum atomu. Ten niezwykle uproszczony model atomu wystarczy, aby wyjaśnić podstawy takiego zjawiska, jakim jest fizyka elektryczności.
Co jeszcze musisz wiedzieć? Elektrony i protony mają ten sam ładunek elektryczny (ale inny znak), więc przyciągają się do siebie. Ładunek protonu jest dodatni, a elektronu ujemny. Atom, który ma więcej lub mniej elektronów niż zwykle, nazywa się jonem. Jeśli w atomie jest ich za mało, nazywamy to jonem dodatnim. Jeśli zawiera ich nadmiar, nazywa się to jonem ujemnym.
Kiedy elektron opuszcza atom, uzyskuje pewien ładunek dodatni. Elektron pozbawiony swojego przeciwieństwa - protonu, albo przechodzi do innego atomu, albo powraca do poprzedniego.
Dlaczego elektrony opuszczają atomy?
Wynika to z kilku powodów. Najbardziej ogólne jest to, że pod wpływem impulsu światła lub jakiegoś zewnętrznego elektronu elektron poruszający się w atomie może zostać wybity z jego orbity. Ciepło sprawia, że atomy wibrują szybciej. Oznacza to, że elektrony mogą wylecieć z atomu. W reakcjach chemicznych przechodzą również od atomu doatom.
Dobrym przykładem związku między aktywnością chemiczną i elektryczną są nasze mięśnie. Ich włókna kurczą się pod wpływem sygnału elektrycznego z układu nerwowego. Prąd elektryczny stymuluje reakcje chemiczne. Prowadzą do skurczu mięśni. Zewnętrzne sygnały elektryczne są często wykorzystywane do sztucznego stymulowania aktywności mięśni.
Przewodność
W niektórych substancjach elektrony pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego poruszają się swobodniej niż w innych. Mówi się, że takie substancje mają dobrą przewodność. Nazywają się dyrygentami. Należą do nich większość metali, podgrzane gazy i niektóre ciecze. Powietrze, guma, olej, polietylen i szkło są słabymi przewodnikami elektryczności. Nazywane są dielektrykami i służą do izolowania dobrych przewodników. Izolatory idealne (całkowicie nieprzewodzące) nie istnieją. W pewnych warunkach elektrony można usunąć z dowolnego atomu. Warunki te są jednak zwykle tak trudne do spełnienia, że z praktycznego punktu widzenia takie substancje można uznać za nieprzewodzące.
Zapoznając się z taką nauką jak fizyka (rozdział "Elektryczność"), dowiadujemy się, że istnieje szczególna grupa substancji. To są półprzewodniki. Zachowują się częściowo jak dielektryki, a częściowo jak przewodniki. Należą do nich w szczególności: german, krzem, tlenek miedzi. Ze względu na swoje właściwości półprzewodnik znajduje wiele zastosowań. Na przykład może służyć jako zawór elektryczny: jak zawór opony rowerowej, topozwala szarżom poruszać się tylko w jednym kierunku. Takie urządzenia nazywane są prostownikami. Są używane w miniaturowych radioodbiornikach, a także w dużych elektrowniach do konwersji prądu przemiennego na prąd stały.
Ciepło to chaotyczna forma ruchu cząsteczek lub atomów, a temperatura jest miarą intensywności tego ruchu (w większości metali, wraz ze spadkiem temperatury, ruch elektronów staje się bardziej swobodny). Oznacza to, że wraz ze spadkiem temperatury opór wobec swobodnego ruchu elektronów maleje. Innymi słowy, przewodność metali wzrasta.
Nadprzewodnictwo
W niektórych substancjach w bardzo niskich temperaturach opór przepływu elektronów całkowicie zanika, a elektrony, które rozpoczęły ruch, kontynuują go w nieskończoność. Zjawisko to nazywa się nadprzewodnictwem. W temperaturach o kilka stopni powyżej zera absolutnego (-273°C) obserwuje się go w metalach takich jak cyna, ołów, aluminium i niob.
Generatory Van de Graaffa
Program szkolny obejmuje różne eksperymenty z elektrycznością. Istnieje wiele rodzajów generatorów, z których jeden chcielibyśmy omówić bardziej szczegółowo. Generator Van de Graaffa służy do wytwarzania ultrawysokich napięć. Jeśli przedmiot zawierający nadmiar jonów dodatnich zostanie umieszczony w pojemniku, to na jego wewnętrznej powierzchni pojawią się elektrony, a na zewnętrznej taka sama liczba jonów dodatnich. Jeśli teraz dotkniemy wewnętrznej powierzchni naładowanym obiektem, wszystkie wolne elektrony przejdą do niego. Na zewnątrzdodatnie ładunki pozostaną.
W generatorze Van de Graaffa jony dodatnie ze źródła są podawane na taśmę przenośnika wewnątrz metalowej kuli. Taśma jest połączona z wewnętrzną powierzchnią kuli za pomocą przewodnika w postaci grzebienia. Elektrony spływają z wewnętrznej powierzchni kuli. Na jego zewnętrznej stronie pojawiają się jony dodatnie. Efekt można wzmocnić za pomocą dwóch generatorów.
Prąd elektryczny
Szkolny kurs fizyki obejmuje również coś takiego jak prąd elektryczny. Co to jest? Prąd elektryczny jest spowodowany ruchem ładunków elektrycznych. Kiedy lampa elektryczna podłączona do akumulatora jest włączona, prąd przepływa przez przewód z jednego bieguna akumulatora do lampy, następnie przez jego włosy, powodując świecenie, iz powrotem przez drugi przewód do drugiego bieguna akumulatora. Jeśli przełącznik zostanie przekręcony, obwód zostanie otwarty - przepływ prądu ustanie, a lampka zgaśnie.
Ruch elektronów
Prąd w większości przypadków to uporządkowany ruch elektronów w metalu, który służy jako przewodnik. We wszystkich przewodnikach i niektórych innych substancjach zawsze zachodzi jakiś przypadkowy ruch, nawet jeśli nie płynie prąd. Elektrony w materii mogą być względnie wolne lub silnie związane. Dobre przewodniki mają wolne elektrony, które mogą się poruszać. Ale w słabych przewodnikach lub izolatorach większość tych cząstek jest wystarczająco silnie związana z atomami, co uniemożliwia ich ruch.
Czasami ruch elektronów w określonym kierunku powstaje w przewodniku w sposób naturalny lub sztuczny. Ten przepływ nazywa się prądem elektrycznym. Jest mierzony w amperach (A). Jony (w gazach lub roztworach) i „dziury” (brak elektronów w niektórych rodzajach półprzewodników) mogą również służyć jako nośniki prądu. Te ostatnie zachowują się jak dodatnio naładowane nośniki prądu elektrycznego. Aby elektrony poruszały się w jednym kierunku lub innym. W naturze jego źródłami mogą być: ekspozycja na światło słoneczne, efekty magnetyczne i reakcje chemiczne. Niektóre z nich służą do wytwarzania energii elektrycznej. Zazwyczaj do tego celu są: generator wykorzystujący efekty magnetyczne i ogniwo (akumulator), którego działanie jest spowodowane do reakcji chemicznych. Oba urządzenia wytwarzając siłę elektromotoryczną (EMF), powodują, że elektrony poruszają się w jednym kierunku przez obwód. Wartość pola elektromagnetycznego jest mierzona w woltach (V). Są to podstawowe jednostki energii elektrycznej.
Wielkość pola elektromagnetycznego i siła prądu są ze sobą powiązane, podobnie jak ciśnienie i przepływ cieczy. Rury wodociągowe są zawsze wypełnione wodą pod określonym ciśnieniem, ale woda zaczyna płynąć dopiero po odkręceniu kranu.
Podobnie obwód elektryczny może być podłączony do źródła pola elektromagnetycznego, ale prąd nie popłynie w nim, dopóki nie zostanie utworzona ścieżka, po której poruszają się elektrony. Może to być np. lampa elektryczna lub odkurzacz, przełącznik pełni tutaj rolę kranu, który „uwalnia” prąd.
Związek między prądem anapięcie
Wraz ze wzrostem napięcia w obwodzie rośnie również prąd. Studiując kurs fizyki, dowiadujemy się, że obwody elektryczne składają się z kilku różnych sekcji: zwykle przełącznika, przewodników i urządzenia pobierającego energię elektryczną. Wszystkie one połączone razem tworzą opór dla prądu elektrycznego, który (przy założeniu stałej temperatury) dla tych elementów nie zmienia się w czasie, ale jest inny dla każdego z nich. Dlatego jeśli to samo napięcie zostanie przyłożone do żarówki i do żelazka, przepływ elektronów w każdym z urządzeń będzie inny, ponieważ ich rezystancje są różne. Dlatego o sile prądu płynącego przez pewien odcinek obwodu decyduje nie tylko napięcie, ale także rezystancja przewodów i urządzeń.
Prawo Ohma
Wartość rezystancji elektrycznej jest mierzona w omach (Ohm) w nauce, takiej jak fizyka. Elektryczność (wzory, definicje, eksperymenty) to obszerny temat. Nie będziemy wyprowadzać skomplikowanych formuł. Do pierwszego zapoznania się z tematem wystarczy to, co zostało powiedziane powyżej. Jednak jedna formuła jest nadal warta wyprowadzenia. Jest dość nieskomplikowana. W przypadku dowolnego przewodnika lub układu przewodów i urządzeń zależność między napięciem, prądem i rezystancją wyraża się wzorem: napięcie=prąd x rezystancja. Jest to matematyczne wyrażenie prawa Ohma, nazwane na cześć George'a Ohma (1787-1854), który jako pierwszy ustalił związek między tymi trzema parametrami.
Fizyka elektryczności to bardzo interesująca dziedzina nauki. Rozważyliśmy tylko podstawowe pojęcia z tym związane. Czy wiedziałeśCo to jest energia elektryczna i jak jest wytwarzana? Mamy nadzieję, że te informacje okażą się przydatne.
