Az elektromosság fizikája olyan dolog, amellyel mindannyiunknak meg kell küzdenie. A cikkben megvizsgáljuk a hozzá kapcsolódó alapfogalmakat.
Mi az elektromosság? Az avatatlan ember számára egy villámcsapással vagy a tévét és a mosógépet tápláló energiával asszociál. Tudja, hogy az elektromos vonatok elektromos energiát használnak. Mit mondhat még? Az elektromos vezetékek az elektromosságtól való függőségünkre emlékeztetik. Valaki tud még néhány példát mondani.
Azonban sok más, nem annyira nyilvánvaló, de mindennapi jelenség kapcsolódik az elektromossághoz. A fizika mindegyikbe bevezet minket. Az iskolában elkezdjük tanulni az elektromosságot (feladatok, definíciók és képletek). És sok érdekes dolgot tanulunk. Kiderült, hogy egy dobogó szív, egy futó sportoló, egy alvó baba és egy úszó hal mind elektromos energiát termel.
Elektronok és protonok
Határozzuk meg az alapfogalmakat. A tudós szemszögéből az elektromosság fizikája az elektronok és más töltött részecskék mozgásához kapcsolódik különféle anyagokban. Ezért a számunkra érdekes jelenség természetének tudományos megértése az atomokkal és az őket alkotó szubatomi részecskékkel kapcsolatos ismeretek szintjétől függ. Az apró elektron a kulcsa ennek a megértésnek. Bármely anyag atomjai egy vagy több elektront tartalmaznak, amelyek különböző pályákon mozognak az atommag körül, ahogy a bolygók a Nap körül. Általában az elektronok száma egy atomban megegyezik az atommagban lévő protonok számával. A protonok azonban, mivel sokkal nehezebbek az elektronoknál, úgy tekinthetők, mintha az atom középpontjában lennének rögzítve. Az atomnak ez a rendkívül leegyszerűsített modellje elegendő ahhoz, hogy megmagyarázza egy olyan jelenség alapjait, mint az elektromosság fizikája.
Mit kell még tudnod? Az elektronok és a protonok elektromos töltése azonos (de eltérő előjelű), ezért vonzódnak egymáshoz. A proton töltése pozitív, az elektroné negatív. Ionnak nevezzük azt az atomot, amelynek a szokásosnál több vagy kevesebb elektronja van. Ha nincs elég belőlük egy atomban, akkor azt pozitív ionnak nevezzük. Ha feleslegben van benne, akkor azt negatív ionnak nevezzük.
Amikor egy elektron elhagyja az atomot, pozitív töltést vesz fel. Az ellentététől – a protontól – megfosztott elektron vagy egy másik atomhoz lép, vagy visszatér az előzőhöz.
Miért hagyják el az elektronok az atomokat?
Ennek több oka lehet. A legáltalánosabb az, hogy fényimpulzus vagy valamilyen külső elektron hatására egy atomban mozgó elektron kiüthető a pályájáról. A hő hatására az atomok gyorsabban rezegnek. Ez azt jelenti, hogy az elektronok kirepülhetnek az atomjukból. A kémiai reakciókban szintén atomról vándorolnakatom.
A kémiai és elektromos aktivitás kapcsolatának jó példáját az izmaink szolgáltatják. Rostjaik összehúzódnak, ha az idegrendszer elektromos jelének vannak kitéve. Az elektromos áram stimulálja a kémiai reakciókat. Izomösszehúzódáshoz vezetnek. A külső elektromos jeleket gyakran használják az izomtevékenység mesterséges stimulálására.
Vezetőképesség
Egyes anyagokban az elektronok külső elektromos tér hatására szabadabban mozognak, mint másokban. Az ilyen anyagokról azt mondják, hogy jó vezetőképességűek. Ezeket karmestereknek hívják. Ide tartozik a legtöbb fém, fűtött gázok és néhány folyadék. A levegő, a gumi, az olaj, a polietilén és az üveg rossz elektromos vezetők. Ezeket dielektrikumoknak nevezik, és jó vezetők szigetelésére használják. Ideális szigetelők (abszolút nem vezetőképesek) nem léteznek. Bizonyos körülmények között az elektronok bármely atomból eltávolíthatók. Ezeket a feltételeket azonban általában olyan nehéz teljesíteni, hogy gyakorlati szempontból az ilyen anyagokat nem lehet vezetőnek tekinteni.
Az olyan tudományokkal való megismerkedés során, mint a fizika ("Elektromosság" rész), megtudjuk, hogy létezik egy speciális anyagcsoport. Ezek félvezetők. Részben dielektrikumként, részben vezetőként viselkednek. Ide tartozik különösen: germánium, szilícium, réz-oxid. Tulajdonságai miatt a félvezető számos alkalmazási lehetőséget talál. Például elektromos szelepként szolgálhat: a kerékpárgumi szelepéhez hasonlóan ezlehetővé teszi, hogy a töltések csak egy irányba mozogjanak. Az ilyen eszközöket egyenirányítóknak nevezik. Miniatűr rádiókban, valamint nagy erőművekben használják a váltakozó áramú egyenárammá alakítására.
A hő a molekulák vagy atomok kaotikus mozgási formája, a hőmérséklet pedig e mozgás intenzitásának mértéke (a legtöbb fémben a hőmérséklet csökkenésével az elektronok mozgása szabadabbá válik). Ez azt jelenti, hogy az elektronok szabad mozgásával szembeni ellenállás a hőmérséklet csökkenésével csökken. Más szóval, a fémek vezetőképessége nő.
Szupravezetés
Egyes anyagokban nagyon alacsony hőmérsékleten az elektronáramlással szembeni ellenállás teljesen eltűnik, és az elektronok, miután elkezdtek mozogni, a végtelenségig folytatják. Ezt a jelenséget szupravezetésnek nevezzük. Néhány fokkal az abszolút nulla (-273 °C) feletti hőmérsékleten olyan fémekben figyelhető meg, mint az ón, ólom, alumínium és nióbium.
Van de Graaff generátorok
Az iskolai tananyag különféle kísérleteket tartalmaz az elektromossággal. Sokféle generátor létezik, amelyek közül az egyikről szeretnénk részletesebben beszélni. A Van de Graaff generátort ultramagas feszültségek előállítására használják. Ha egy tartályba pozitív ionok feleslegét tartalmazó tárgyat helyezünk, akkor az utóbbi belső felületén elektronok, a külső felületén pedig ugyanennyi pozitív ion jelenik meg. Ha most egy töltött tárggyal megérintjük a belső felületet, akkor minden szabad elektron átjut hozzá. Kintpozitív töltések maradnak.
Egy Van de Graaff generátorban egy forrásból származó pozitív ionokat egy fémgömbön belüli szállítószalagra juttatják. A szalagot egy fésű formájú vezető segítségével csatlakozik a gömb belső felületéhez. Az elektronok a gömb belső felületéről áramlanak lefelé. A külső oldalán pozitív ionok jelennek meg. A hatás két generátor használatával fokozható.
Elektromos áram
Az iskolai fizikatanfolyam olyan dolgot is tartalmaz, mint az elektromos áram. Mi az? Az elektromos áram az elektromos töltések mozgásának köszönhető. Az akkumulátorhoz csatlakoztatott elektromos lámpa bekapcsolásakor az áram egy vezetéken keresztül áramlik az akkumulátor egyik pólusától a lámpához, majd a haján keresztül, amitől az világít, és vissza a második vezetéken keresztül az akkumulátor másik pólusához.. Ha a kapcsolót elfordítják, az áramkör megnyílik - az áram leáll, és a lámpa kialszik.
Elektronok mozgása
Az áram a legtöbb esetben az elektronok rendezett mozgása a vezetőként szolgáló fémben. Minden vezetőben és néhány más anyagban mindig történik valamilyen véletlenszerű mozgás, még akkor is, ha nincs áram. Az anyagban lévő elektronok lehetnek viszonylag szabadok vagy erősen kötöttek. A jó vezetőknek szabad elektronjai vannak, amelyek mozoghatnak. De a rossz vezetőkben vagy szigetelőkben ezeknek a részecskéknek a többsége elég erősen kapcsolódik az atomokhoz, ami megakadályozza azok mozgását.
Néha az elektronok bizonyos irányú mozgása természetes vagy mesterséges úton jön létre egy vezetőben. Ezt az áramlást elektromos áramnak nevezzük. Ezt amperben (A) mérik. Áramhordozóként szolgálhatnak az ionok (gázokban vagy oldatokban) és a „lyukak” (egyes félvezető típusokban az elektronok hiánya) is. Ez utóbbiak pozitív töltésű elektromos áramhordozókként viselkednek. Némi erő szükséges ahhoz, hogy az elektronokat egy irányba, ill. egy másik. A természetben forrásai lehetnek: napfénynek való kitettség, mágneses hatások és kémiai reakciók. Néhányat villamosenergia-termelésre használnak. Általában erre a célra: egy mágneses hatásokat használó generátor és egy cella (akkumulátor), amelynek működése indokolt. kémiai reakciókhoz. Mindkét eszköz elektromotoros erőt (EMF) létrehozva az elektronokat egy irányba mozog az áramkörön keresztül. Az EMF-értéket voltban (V) mérik. Ezek az elektromosság alapegységei.
Az EMF nagysága és az áram erőssége összefügg egymással, mint a nyomás és az áramlás a folyadékban. A vízvezetékek mindig meg vannak töltve vízzel bizonyos nyomáson, de a víz csak akkor kezd folyni, ha a csapot kinyitják.
Hasonlóan egy elektromos áramkör csatlakoztatható egy EMF-forráshoz, de addig nem folyik benne áram, amíg nem jön létre az elektronok mozgásának útja. Ez lehet mondjuk elektromos lámpa vagy porszívó, a kapcsoló itt egy csap szerepét tölti be, ami „kiengedi” az áramot.
Az aktuális és azfeszültség
Ahogy nő az áramkör feszültsége, úgy nő az áramerősség is. Fizika tanfolyamon tanuljuk meg, hogy az elektromos áramkörök több különböző részből állnak: általában egy kapcsolóból, vezetékekből és egy elektromos áramot fogyasztó készülékből. Ezek mindegyike összekapcsolva elektromos árammal szembeni ellenállást hoz létre, amely (állandó hőmérsékletet feltételezve) ezeknél az alkatrészeknél nem változik az idő múlásával, de mindegyiknél eltérő. Ezért, ha ugyanazt a feszültséget alkalmazzuk egy izzóra és egy vasra, akkor az elektronok áramlása az egyes eszközökben eltérő lesz, mivel az ellenállásuk eltérő. Ezért az áramkör egy bizonyos szakaszán átfolyó áram erősségét nemcsak a feszültség határozza meg, hanem a vezetők és eszközök ellenállása is.
Ohm törvénye
Az elektromos ellenállás értékét ohmban (Ohm) mérik egy olyan tudományban, mint a fizika. Az elektromosság (képletek, definíciók, kísérletek) hatalmas téma. Nem fogunk összetett képleteket származtatni. A témával való első ismerkedéshez elég a fent elmondottak. Egy képletet azonban még érdemes levezetni. Eléggé egyszerű. Bármely vezető vagy vezetékrendszer és eszköz esetében a feszültség, áram és ellenállás összefüggését a következő képlet adja meg: feszültség=áram x ellenállás. Ez az Ohm-törvény matematikai kifejezése, amelyet George Ohmról (1787-1854) neveztek el, aki először állapította meg a kapcsolatot e három paraméter között.
Az elektromosság fizikája a tudomány egy nagyon érdekes ága. Csak a hozzá kapcsolódó alapfogalmakat vettük figyelembe. TudtadMi az elektromosság és hogyan termelik? Reméljük hasznosnak találja ezt az információt.
