Fizica electricității este ceva cu care fiecare dintre noi trebuie să se confrunte. În articol vom lua în considerare conceptele de bază asociate cu acesta.
Ce este electricitatea? Pentru o persoană neinițiată, este asociată cu un fulger sau cu energia care alimentează televizorul și mașina de spălat. El știe că trenurile electrice folosesc energie electrică. Ce altceva poate spune? Liniile electrice îi amintesc de dependența noastră de electricitate. Cineva poate oferi alte câteva exemple.
Cu toate acestea, multe alte fenomene, nu atât de evidente, dar cotidiene, sunt legate de electricitate. Fizica ne prezintă pe toate. Începem să studiem electricitatea (sarcini, definiții și formule) la școală. Și învățăm o mulțime de lucruri interesante. Se dovedește că o inimă care bate, un atlet care alergă, un bebeluș adormit și un pește care înoată generează toți energie electrică.
Electroni și protoni
Să definim conceptele de bază. Din punctul de vedere al unui om de știință, fizica electricității este asociată cu mișcarea electronilor și a altor particule încărcate în diferite substanțe. Prin urmare, înțelegerea științifică a naturii fenomenului care ne interesează depinde de nivelul de cunoaștere despre atomi și particulele subatomice constitutive ale acestora. Micul electron este cheia acestei înțelegeri. Atomii oricărei substanțe conțin unul sau mai mulți electroni care se mișcă pe diverse orbite în jurul nucleului, la fel cum planetele se învârt în jurul soarelui. De obicei, numărul de electroni dintr-un atom este egal cu numărul de protoni din nucleu. Cu toate acestea, protonii, fiind mult mai grei decât electronii, pot fi considerați ca fixați în centrul atomului. Acest model extrem de simplificat al atomului este suficient pentru a explica elementele de bază ale unui astfel de fenomen precum fizica electricității.
Ce mai trebuie să știți? Electronii și protonii au aceeași sarcină electrică (dar semn diferit), așa că sunt atrași unul de celăl alt. Sarcina unui proton este pozitivă, iar cea a unui electron este negativă. Un atom care are mai mulți sau mai puțini electroni decât de obicei se numește ion. Dacă nu sunt destui într-un atom, atunci se numește ion pozitiv. Dacă conține un exces din ele, atunci se numește ion negativ.
Când un electron părăsește un atom, acesta capătă o sarcină pozitivă. Un electron, lipsit de opusul său - un proton, fie se deplasează la alt atom, fie revine la cel anterior.
De ce electronii lasă atomi?
Acest lucru se datorează mai multor motive. Cel mai general este că sub influența unui puls de lumină sau a unui electron extern, un electron care se mișcă într-un atom poate fi scos din orbita lui. Căldura face atomii să vibreze mai repede. Aceasta înseamnă că electronii pot zbura din atomul lor. În reacțiile chimice, ele se deplasează și de la atom laatom.
Un bun exemplu al relației dintre activitatea chimică și cea electrică este oferit de mușchii noștri. Fibrele lor se contractă atunci când sunt expuse la un semnal electric de la sistemul nervos. Curentul electric stimulează reacțiile chimice. Acestea duc la contracția musculară. Semnalele electrice externe sunt adesea folosite pentru a stimula în mod artificial activitatea musculară.
Conductivitate
În unele substanțe, electronii sub acțiunea unui câmp electric extern se mișcă mai liber decât în altele. Se spune că astfel de substanțe au o conductivitate bună. Se numesc conductoare. Acestea includ majoritatea metalelor, gazele încălzite și unele lichide. Aerul, cauciucul, uleiul, polietilena și sticla sunt conductoare slabe de electricitate. Ele se numesc dielectrice și sunt folosite pentru a izola conductorii buni. Izolatorii ideali (absolut neconductivi) nu există. În anumite condiții, electronii pot fi îndepărtați din orice atom. Cu toate acestea, aceste condiții sunt de obicei atât de greu de îndeplinit încât, din punct de vedere practic, astfel de substanțe pot fi considerate neconductoare.
Făcând cunoștință cu o astfel de știință precum fizica (secțiunea „Electricitate”), aflăm că există un grup special de substanțe. Aceștia sunt semiconductori. Se comportă parțial ca dielectrici și parțial ca conductori. Acestea includ, în special: germaniu, siliciu, oxid de cupru. Datorită proprietăților sale, semiconductorul își găsește multe aplicații. De exemplu, poate servi ca supapă electrică: ca o supapă de anvelopă de bicicletă, aceastapermite mișcarea încărcăturilor într-o singură direcție. Astfel de dispozitive se numesc redresoare. Acestea sunt folosite în radiourile miniaturale, precum și în centralele mari pentru a transforma AC în DC.
Căldura este o formă haotică de mișcare a moleculelor sau atomilor, iar temperatura este o măsură a intensității acestei mișcări (în majoritatea metalelor, odată cu scăderea temperaturii, mișcarea electronilor devine mai liberă). Aceasta înseamnă că rezistența la mișcarea liberă a electronilor scade odată cu scăderea temperaturii. Cu alte cuvinte, conductivitatea metalelor crește.
Superconductivitate
În unele substanțe la temperaturi foarte scăzute, rezistența la curgerea electronilor dispare complet, iar electronii, după ce au început să se miște, o continuă la nesfârșit. Acest fenomen se numește supraconductivitate. La temperaturi cu câteva grade peste zero absolut (-273 °C), se observă în metale precum staniul, plumbul, aluminiul și niobiul.
Generatoare Van de Graaff
Programa școlară include diverse experimente cu electricitatea. Există multe tipuri de generatoare, dintre care unul am dori să vorbim mai detaliat. Generatorul Van de Graaff este folosit pentru a produce tensiuni ultra-în alte. Dacă un obiect care conține un exces de ioni pozitivi este plasat în interiorul unui container, atunci electronii vor apărea pe suprafața interioară a acestuia din urmă, iar pe suprafața exterioară vor apărea același număr de ioni pozitivi. Dacă atingem acum suprafața interioară cu un obiect încărcat, atunci toți electronii liberi vor trece la ea. Pe dinafarasarcinile pozitive vor rămâne.
Într-un generator Van de Graaff, ionii pozitivi dintr-o sursă sunt aplicați pe o bandă transportoare în interiorul unei sfere de metal. Banda este conectată la suprafața interioară a sferei cu ajutorul unui conductor sub formă de pieptene. Electronii curg în jos de pe suprafața interioară a sferei. Ionii pozitivi apar pe partea sa exterioară. Efectul poate fi îmbunătățit prin utilizarea a două generatoare.
Curentul electric
Cursul de fizică din școală include și un lucru precum curentul electric. Ce este? Curentul electric se datorează mișcării sarcinilor electrice. Când o lampă electrică conectată la o baterie este aprinsă, curentul trece printr-un fir de la un pol al bateriei la lampă, apoi prin părul acesteia, făcându-l să strălucească și înapoi prin al doilea fir către celăl alt pol al bateriei.. Dacă comutatorul este rotit, circuitul se va deschide - fluxul de curent se va opri și lampa se va stinge.
Mișcarea electronilor
Curentul în cele mai multe cazuri este o mișcare ordonată a electronilor într-un metal care servește drept conductor. În toți conductorii și în unele alte substanțe există întotdeauna o mișcare aleatorie, chiar dacă nu există curent. Electronii din materie pot fi relativ liberi sau puternic legați. Conductorii buni au electroni liberi care se pot deplasa. Dar în conductoarele slabe sau izolatorii, majoritatea acestor particule sunt suficient de puternic legate de atomi, ceea ce împiedică mișcarea acestora.
Uneori mișcarea electronilor într-o anumită direcție este creată în mod natural sau artificial într-un conductor. Acest flux se numește curent electric. Se măsoară în amperi (A). Ionii (în gaze sau soluții) și „găurile” (lipsa de electroni în unele tipuri de semiconductori) pot servi și ca purtători de curent. Aceștia din urmă se comportă ca purtători de curent electric încărcați pozitiv. Este necesară o anumită forță pentru a face electronii să se miște într-o direcție sau alta. În natură sursele sale pot fi: expunerea la lumina soarelui, efecte magnetice și reacții chimice. Unele dintre ele sunt folosite pentru a genera energie electrică. De obicei, în acest scop sunt: un generator care utilizează efecte magnetice și o celulă (baterie) a cărei acțiune se datorează la reacții chimice. Ambele dispozitive, care creează o forță electromotoare (EMF), fac ca electronii să se miște într-o singură direcție prin circuit. Valoarea EMF este măsurată în volți (V). Acestea sunt unitățile de bază ale electricității.
Mărimea EMF și puterea curentului sunt interconectate, la fel ca presiunea și debitul într-un lichid. Conductele de apă sunt întotdeauna umplute cu apă la o anumită presiune, dar apa începe să curgă numai când robinetul este deschis.
În mod similar, un circuit electric poate fi conectat la o sursă de EMF, dar curentul nu va curge în el până când nu este creată o cale prin care electronii să se deplaseze. Poate fi, de exemplu, o lampă electrică sau un aspirator, întrerupătorul joacă aici rolul unui robinet care „eliberează” curent.
Relația dintre curent șitensiune
Pe măsură ce tensiunea din circuit crește, crește și curentul. Studiind un curs de fizică, aflăm că circuitele electrice constau din mai multe secțiuni diferite: de obicei un întrerupător, conductori și un dispozitiv care consumă energie electrică. Toate, conectate între ele, creează o rezistență la curentul electric, care (presupunând o temperatură constantă) pentru aceste componente nu se modifică în timp, ci este diferită pentru fiecare dintre ele. Prin urmare, dacă aceeași tensiune este aplicată unui bec și unui fier de călcat, atunci fluxul de electroni în fiecare dintre dispozitive va fi diferit, deoarece rezistențele lor sunt diferite. Prin urmare, puterea curentului care curge printr-o anumită secțiune a circuitului este determinată nu numai de tensiune, ci și de rezistența conductorilor și a dispozitivelor.
Legea lui Ohm
Valoarea rezistenței electrice este măsurată în ohmi (Ohm) într-o știință precum fizica. Electricitatea (formule, definiții, experimente) este un subiect vast. Nu vom deriva formule complexe. Pentru prima cunoaștere a subiectului este suficient ceea ce s-a spus mai sus. Cu toate acestea, o formulă merită totuși derivată. Ea este destul de necomplicată. Pentru orice conductor sau sistem de conductori și dispozitive, relația dintre tensiune, curent și rezistență este dată de formula: tensiune=curent x rezistență. Aceasta este expresia matematică a legii lui Ohm, numită după George Ohm (1787-1854), care a stabilit primul relația dintre acești trei parametri.
Fizica electricității este o ramură foarte interesantă a științei. Am luat în considerare doar conceptele de bază asociate cu acesta. ȘtiațiCe este electricitatea și cum este generată? Sperăm că veți găsi aceste informații utile.
