Mi a töltött részecskék irányított mozgása? Sokak számára ez egy érthetetlen terület, de valójában minden nagyon egyszerű. Tehát amikor a töltött részecskék irányított mozgásáról beszélnek, akkor az áramot jelenti. Nézzük meg főbb jellemzőit és megfogalmazásait, valamint vegyük figyelembe a biztonsági kérdéseket, amikor dolgozunk vele.
Általános információ
Kezdje egy meghatározással. Elektromos áram alatt mindig a töltött részecskék rendezett (irányított) mozgását értjük, amely elektromos tér hatására megy végbe. Milyen tárgyak jöhetnek szóba ebben az esetben? A részecskék elektronokat, ionokat, protonokat, lyukakat jelentenek. Azt is fontos tudni, hogy mekkora az aktuális erősség. Ez azoknak a töltött részecskéknek a száma, amelyek időegység alatt átfolynak a vezető keresztmetszetén.
A jelenség természete
Minden fizikai anyag atomokból képződő molekulákból áll. Nem is a végső anyag, mert vannak bennük elemei (egy atommag és körülötte keringő elektronok). Minden kémiai reakciót a részecskék mozgása kísér. Például az elektronok részvételével egyes atomok hiányukat, míg mások többletet tapasztalnak. Ebben az esetben az anyagok ellentétes töltéssel rendelkeznek. Ha megtörténik az érintkezésük, akkor az egyik elektronjai hajlamosak a másikhoz menni.
Az elemi részecskék ilyen fizikai természete megmagyarázza az elektromos áram lényegét. A töltött részecskék ezen iránymozgása addig folytatódik, amíg az értékek ki nem egyenlítődnek. Ebben az esetben a változások reakciója lánc. Vagyis az eltávozott elektron helyett egy másik jön a helyére. A szomszédos atom részecskéi helyettesítésre kerülnek. De a lánc itt sem ér véget. Az elektron a szélső atomhoz is eljuthat, például az áramló áram forrásának negatív pólusáról.
Ilyen helyzetre példa az akkumulátor. A vezető negatív oldaláról az elektronok a forrás pozitív pólusára mozognak. Amikor a negatívan fertőzött komponensben lévő összes részecske elfogy, az áram leáll. Ebben az esetben azt mondják, hogy az akkumulátor lemerült. Mekkora az így mozgó töltött részecskék irányított mozgásának sebessége? A kérdés megválaszolása nem olyan egyszerű, mint amilyennek első pillantásra tűnhet.
A stressz szerepe
Mire használják ezt a fogalmat? A feszültség az elektromos tér jellemzője, amely a benne lévő két pont közötti potenciálkülönbség. Sokak számára ez zavarónak tűnhet. Amikor a töltött részecskék irányított (rendezett) mozgásáról van szó, akkor meg kell értened a feszültséget.
Képzeljük el, hogy van egy egyszerű karmesterünk. Ez lehet fémből, például rézből vagy alumíniumból készült huzal. A mi esetünkben ez nem annyira fontos. Egy elektron tömege 9,10938215(45)×10-31kg. Ez azt jelenti, hogy elég anyagi. De a vezető fém szilárd. Akkor hogyan áramolhatnak át rajta az elektronok?
Miért lehet áram a fémtermékekben
Térjünk rá a kémia alapjaira, amelyeket mindannyiunknak volt alkalma megtanulni az iskolában. Ha az anyagban lévő elektronok száma megegyezik a protonok számával, akkor az elem semlegessége biztosított. Mengyelejev periodikus törvénye alapján meghatározható, hogy melyik anyaggal kell foglalkozni. Ez a protonok és neutronok számától függ. Lehetetlen figyelmen kívül hagyni az atommag és az elektronok tömege közötti nagy különbséget. Ha ezeket eltávolítjuk, akkor az atom tömege gyakorlatilag változatlan marad.
Például egy proton tömege körülbelül 1836-tal nagyobb, mint egy elektroné. De ezek a mikroszkopikus részecskék nagyon fontosak, mert könnyen elhagyhatnak egyes atomokat, és csatlakozhatnak másokhoz. Ugyanakkor számuk csökkenése vagy növekedése ahhoz vezethogy megváltoztassuk az atom töltését. Ha egyetlen atomot veszünk figyelembe, akkor az elektronjainak száma mindig változó lesz. Folyamatosan indulnak és jönnek vissza. Ennek oka a hőmozgás és az energiaveszteség.
Fizikai jelenség kémiai specifitása
Amikor elektromosan töltött részecskék irányított mozgása történik, nem vész el az atomtömeg? Változik a karmester összetétele? Ez egy nagyon fontos tévhit, amely sokakat megzavar. A válasz ebben az esetben csak negatív. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a kémiai elemeket nem az atomtömegük, hanem az atommagban lévő protonok száma határozza meg. Az elektronok/neutronok jelenléte vagy hiánya ebben az esetben nem játszik szerepet. A gyakorlatban ez így néz ki:
- Elektronok összeadása vagy kivonása. Kiderült, hogy egy ion.
- Neutronok összeadása vagy kivonása. Kiderült, hogy egy izotóp.
A kémiai elem nem változik. A protonokkal azonban más a helyzet. Ha csak egy, akkor van hidrogénünk. Két proton – és héliumról beszélünk. A három részecske lítium. Stb. Akit érdekel a folytatás, az megnézheti a periódusos rendszert. Ne feledje: hiába megy át áram ezerszer egy vezetőn, a kémiai összetétele nem változik. De talán másképp.
Elektrolitok és egyéb érdekességek
Az elektrolitok sajátossága, hogy a kémiai összetételük változik. Aztán az áram hatására,elektrolit elemek. Amikor a potenciáljuk kimerül, a töltött részecskék irányított mozgása leáll. Ez a helyzet annak a ténynek köszönhető, hogy az elektrolitokban lévő töltéshordozók ionok.
Ráadásul vannak olyan kémiai elemek, amelyek egyáltalán nem tartalmaznak elektronokat. Példa erre:
- Atomikus kozmikus hidrogén.
- Minden anyag, amely plazmaállapotban van.
- Gázok a felső légkörben (nem csak a Földön, hanem más bolygókon is, ahol légtömegek vannak).
- Gyorsítók és ütköztetők tartalma.
Azt is meg kell jegyezni, hogy elektromos áram hatására egyes vegyszerek szó szerint összeomlanak. Jól ismert példa a biztosíték. Hogy néz ki mikro szinten? A mozgó elektronok lökdösik az atomokat az útjukba. Ha az áram nagyon erős, akkor a vezető kristályrácsa nem képes ellenállni, megsemmisül, és az anyag megolvad.
Vissza a sebességhez
Korábban ezt a pontot felületesen érintették. Most nézzük meg közelebbről. Meg kell jegyezni, hogy a töltött részecskék elektromos áram formájában történő irányított mozgásának sebességének fogalma nem létezik. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a különböző értékek összefonódnak. Tehát az elektromos tér olyan sebességgel terjed a vezetőn keresztül, amely közel van a fény mozgásához, azaz körülbelül 300 000 kilométer per másodperc.
Hatása alatt minden elektron mozogni kezd. De a sebességüknagyon kicsi. Ez körülbelül 0,007 milliméter másodpercenként. Ugyanakkor véletlenszerűen hőmozgásban is rohangálnak. A protonok és neutronok esetében más a helyzet. Túl nagyok ahhoz, hogy ugyanazok az események megtörténjenek velük. Általában nem szükséges a fény értékéhez közeli sebességükről beszélni.
Fizikai paraméterek
Most nézzük meg, mi a töltött részecskék mozgása az elektromos térben fizikai szempontból. Ehhez képzeljük el, hogy van egy kartondobozunk, amiben 12 üveg szénsavas ital fér el. Ezzel párhuzamosan egy újabb konténert próbálnak ott elhelyezni. Tegyük fel, hogy sikerült. De a doboz alig maradt életben. Amikor megpróbál egy másik üveget betenni, az eltörik, és az összes tartály kiesik.
A kérdéses doboz egy vezeték keresztmetszetéhez hasonlítható. Minél magasabb ez a paraméter (vastagabb vezeték), annál nagyobb áramot tud biztosítani. Ez határozza meg, hogy a töltött részecskék irányított mozgásának mekkora térfogata lehet. Esetünkben egy 1-12 palackot tartalmazó doboz könnyen betöltheti rendeltetését (nem fog szétrobbanni). Hasonlattal azt mondhatjuk, hogy a vezető nem fog égni.
Ha túllépi a jelzett értéket, az objektum meghiúsul. Egy karmester esetében az ellenállás lép életbe. Az Ohm törvénye nagyon jól leírja az elektromosan töltött részecskék irányított mozgását.
Különböző fizikai paraméterek közötti kapcsolat
Dobozonkéntpéldánkból berakhat még egyet. Ebben az esetben területegységenként nem 12, hanem akár 24 palack is elhelyezhető. Hozzáadunk még egyet – és harminchat van belőle. Az egyik doboz a feszültséghez hasonló fizikai egységnek tekinthető.
Minél szélesebb (ezáltal csökken az ellenállás), annál több palack (melyek példánkban helyettesítik az áramot) helyezhető el. A dobozok kötegének növelésével területegységenként további konténereket helyezhet el. Ebben az esetben a teljesítmény növekszik. Ez nem teszi tönkre a dobozt (vezetőt). Íme ennek az analógiának az összefoglalása:
- A palackok teljes száma növeli a teljesítményt.
- A dobozban lévő konténerek száma az aktuális erősséget jelzi.
- A magasságban lévő dobozok száma lehetővé teszi a feszültség megítélését.
- A doboz szélessége képet ad az ellenállásról.
Lehetséges veszélyek
Már megbeszéltük, hogy a töltött részecskék irányított mozgását áramnak nevezzük. Meg kell jegyezni, hogy ez a jelenség veszélyes lehet az emberi egészségre és akár az életre is. Íme az elektromos áram tulajdonságainak összefoglalása:
- Fűtést biztosít a vezetőnek, amelyen keresztül áramlik. Ha a háztartási elektromos hálózat túlterhelt, a szigetelés fokozatosan elszenesedik és összeomlik. Ennek eredményeként fennáll a rövidzárlat lehetősége, ami nagyon veszélyes.
- A háztartási készülékeken és vezetékeken átfolyó elektromos áram találkozikaz elemeket alkotó anyagok ellenállása. Ezért azt az elérési utat választja, amelyen a paraméter minimális értéke van.
- Ha rövidzárlat lép fel, az áramerősség meredeken növekszik. Ezzel jelentős mennyiségű hő szabadul fel. Megolvaszthatja a fémet.
- A nedvesség behatolása miatt rövidzárlat léphet fel. A korábban tárgy alt esetekben a közeli tárgyak világítanak, de ebben az esetben az emberek mindig szenvednek.
- Az áramütés jelentős veszélyt rejt magában. Valószínűleg akár végzetes is lehet. Amikor elektromos áram folyik át az emberi testen, a szövetek ellenállása nagymértékben csökken. Kezdenek felmelegedni. Ebben az esetben a sejtek elpusztulnak, és az idegvégződések elhalnak.
Biztonsági problémák
Az elektromos áramnak való kitettség elkerülése érdekében speciális védőfelszerelést kell használnia. A munkát gumikesztyűben kell végezni, ugyanabból az anyagból készült szőnyeg, kisülőrudak, valamint a munkahelyek és berendezések földelőberendezései segítségével.
A különféle védelemmel ellátott áramköri kapcsolók jó eszköznek bizonyultak, amely megmentheti az ember életét.
A munkavégzés során nem szabad megfeledkezni az alapvető biztonsági óvintézkedésekről sem. Ha elektromos berendezésekben tűz keletkezik, csak szén-dioxiddal és porral oltó készülék használható. Ez utóbbiak mutatják a legjobb eredményt a tűz elleni küzdelemben, de a porral borított felszerelést nem mindig lehet helyreállítani.
Következtetés
Minden olvasó számára érthető példák segítségével rájöttünk, hogy a töltött részecskék rendezett irányított mozgását elektromos áramnak nevezzük. Ez egy nagyon érdekes jelenség, mind a fizika, mind a kémia szempontjából fontos. Az elektromos áram az ember fáradhatatlan segédje. Azonban óvatosan kell kezelni. A cikk olyan biztonsági kérdéseket tárgyal, amelyekre figyelni kell, ha nincs vágy meghalni.
