Mikä on varautuneiden hiukkasten suunnattu liike? Monille tämä on käsittämätön alue, mutta itse asiassa kaikki on hyvin yksinkertaista. Joten kun he puhuvat varautuneiden hiukkasten suunnatusta liikkeestä, he tarkoittavat virtaa. Tarkastellaan sen tärkeimpiä ominaisuuksia ja muotoiluja sekä pohditaan turvallisuuskysymyksiä sen kanssa työskennellessäsi.
Yleistä tietoa
Aloita määritelmällä. Sähkövirralla tarkoitetaan aina varautuneiden hiukkasten määrättyä (suunnattua) liikettä, joka tapahtuu sähkökentän vaikutuksesta. Millaisia esineitä voidaan tässä tapauksessa harkita? Hiukkasilla tarkoitetaan elektroneja, ioneja, protoneja, reikiä. On myös tärkeää tietää, mikä nykyinen vahvuus on. Tämä on varattujen hiukkasten määrä, joka virtaa johtimen poikkileikkauksen läpi aikayksikköä kohti.
Ilmiön luonne
Kaikki fyysiset aineet koostuvat molekyyleistä, jotka muodostuvat atomeista. Ne eivät myöskään ole lopullinen materiaali, koska niissä on elementtejä (ydin ja sen ympärillä kiertävät elektronit). Kaikkiin kemiallisiin reaktioihin liittyy hiukkasten liike. Esimerkiksi elektronien osallistuessa jotkut atomit kokevat puutteensa, kun taas toiset kokevat ylimäärän. Tässä tapauksessa aineilla on vastakkaiset varaukset. Jos niiden kosketus tapahtuu, elektronit yhdestä pyrkivät menemään toiseen.
Tällainen alkuainehiukkasten fyysinen luonne selittää sähkövirran olemuksen. Tämä varautuneiden hiukkasten suuntainen liike jatkuu, kunnes arvot tasoittuvat. Tässä tapauksessa muutosreaktio on ketju. Toisin sanoen, poistuneen elektronin tilalle tulee toinen. Korvaamiseen käytetään viereisen atomin hiukkasia. Mutta ketju ei myöskään lopu tähän. Elektroni voi tulla ääriatomiin myös esimerkiksi virtaavan virran lähteen negatiiviselta nav alta.
Esimerkki tällaisesta tilanteesta on akku. Johtimen negatiiviselta puolelta elektronit siirtyvät lähteen positiiviselle napalle. Kun kaikki negatiivisesti saastuneen komponentin hiukkaset loppuvat, virta pysähtyy. Tässä tapauksessa akun sanotaan olevan tyhjä. Mikä on tällä tavalla liikkuvien varautuneiden hiukkasten suunnatun liikkeen nopeus? Tähän kysymykseen vastaaminen ei ole niin helppoa kuin miltä ensi silmäyksellä näyttää.
Stressin rooli
Mihin tätä käsitettä käytetään? Jännite on sähkökentän ominaisuus, joka on potentiaaliero kahden sen sisällä olevan pisteen välillä. Monille tämä saattaa tuntua hämmentävältä. Kun on kyse varautuneiden hiukkasten suunnatusta (järjestetystä) liikkeestä, sinun on ymmärrettävä jännite.
Kuvitellaan, että meillä on yksinkertainen kapellimestari. Tämä voi olla metallista, kuten kuparista tai alumiinista valmistettu lanka. Meidän tapauksessamme tämä ei ole niin tärkeää. Elektronin massa on 9,10938215(45)×10-31kg. Tämä tarkoittaa, että se on melko materiaalista. Mutta johdinmetalli on kiinteää. Kuinka sitten elektronit voivat virrata sen läpi?
Miksi metallituotteissa voi olla virtaa
Käännytään kemian perusteisiin, jotka meillä jokaisella oli mahdollisuus opetella koulussa. Jos elektronien lukumäärä aineessa on yhtä suuri kuin protonien lukumäärä, niin alkuaineen neutraalisuus varmistetaan. Mendelejevin jaksollisen lain perusteella määrätään, mitä ainetta on käsiteltävä. Se riippuu protonien ja neutronien lukumäärästä. On mahdotonta sivuuttaa suurta eroa ytimen ja elektronien massojen välillä. Jos ne poistetaan, niin atomin paino pysyy käytännössä ennallaan.
Esimerkiksi protonin massa on noin 1836 suurempi kuin elektronin arvo. Mutta nämä mikroskooppiset hiukkaset ovat erittäin tärkeitä, koska ne voivat helposti poistua joistakin atomeista ja liittyä toisiin. Samalla niiden lukumäärän väheneminen tai lisääntyminen johtaamuuttaa atomin varausta. Jos tarkastelemme yhtä atomia, sen elektronien määrä on aina muuttuva. He lähtevät jatkuvasti ja tulevat takaisin. Tämä johtuu lämpöliikkeestä ja energiahäviöstä.
Fysikaalisen ilmiön kemiallinen spesifisyys
Kun sähköisesti varautuneiden hiukkasten liike on suunnattu, eikö atomimassa häviä? Muuttuuko johtimen kokoonpano? Tämä on erittäin tärkeä väärinkäsitys, joka hämmentää monia. Vastaus on tässä tapauksessa vain kielteinen. Tämä johtuu siitä, että kemiallisia alkuaineita ei määritä niiden atomimassa, vaan ytimessä olevien protonien lukumäärä. Elektronien/neutronien läsnäolo tai puuttuminen ei näytä tässä tapauksessa merkitystä. Käytännössä se näyttää tältä:
- Lisää tai vähennä elektroneja. Se osoittautuu ioniksi.
- Lisää tai vähennä neutroneja. Se osoittautuu isotooppiksi.
Kemiallinen alkuaine ei muutu. Mutta protoneilla tilanne on toinen. Jos se on vain yksi, meillä on vetyä. Kaksi protonia - ja puhumme heliumista. Kolme hiukkasta ovat litiumia. Jne. Jatkosta kiinnostuneet voivat katsoa jaksollista taulukkoa. Muista: vaikka virta kulkee johtimen läpi tuhat kertaa, sen kemiallinen koostumus ei muutu. Mutta ehkä toisin.
Elektrolyytit ja muut mielenkiintoiset kohdat
Elektrolyyttien erikoisuus on, että niiden kemiallinen koostumus muuttuu. Sitten virran vaikutuksen alaisenaelektrolyyttielementit. Kun niiden potentiaali on käytetty loppuun, varautuneiden hiukkasten suunnattu liike pysähtyy. Tämä tilanne johtuu siitä, että elektrolyyttien varauksen kantajat ovat ioneja.
Lisäksi on olemassa kemiallisia alkuaineita ilman elektroneja. Esimerkki olisi:
- Atominen kosminen vety.
- Kaikki aineet, jotka ovat plasmatilassa.
- Kaasut yläilmakehässä (ei vain Maa, vaan myös muut planeetat, joilla on ilmamassoja).
- Kiihdytinten ja törmäysten sisältö.
On myös huomattava, että jotkin kemikaalit voivat kirjaimellisesti murentua sähkövirran vaikutuksesta. Tunnettu esimerkki on sulake. Miltä se näyttää mikrotasolla? Liikkuvat elektronit työntävät atomeja tielleen. Jos virta on erittäin voimakas, johtimen kidehila ei kestä ja tuhoutuu ja aine sulaa.
Takaisin nopeuteen
Aiemmin tätä kohtaa käsiteltiin pinnallisesti. Katsotaanpa sitä nyt tarkemmin. On huomattava, että käsitettä varautuneiden hiukkasten suunnatun liikkeen nopeudesta sähkövirran muodossa ei ole olemassa. Tämä johtuu siitä, että erilaiset arvot kietoutuvat toisiinsa. Joten sähkökenttä etenee johtimen läpi nopeudella, joka on lähellä valon liikettä, eli noin 300 000 kilometriä sekunnissa.
Sen vaikutuksen alaisena kaikki elektronit alkavat liikkua. Mutta heidän nopeudensahyvin pieni. Se on noin 0,007 millimetriä sekunnissa. Samaan aikaan ne myös ryntäävät satunnaisesti lämpöliikkeessä. Protonien ja neutronien tapauksessa tilanne on toinen. Ne ovat liian suuria, jotta samat tapahtumat voisivat tapahtua heille. Niiden nopeudesta ei yleensä tarvitse puhua niin lähellä valon arvoa.
Fyysiset parametrit
Katsotaan nyt, mikä on varautuneiden hiukkasten liike sähkökentässä fysikaalisesta näkökulmasta. Tätä varten kuvitellaan, että meillä on pahvilaatikko, johon mahtuu 12 pulloa hiilihapotettua juomaa. Samanaikaisesti sinne yritetään sijoittaa toinen kontti. Oletetaan, että se onnistui. Mutta laatikko tuskin selvisi. Kun yrität laittaa toisen pullon sisään, se rikkoutuu ja kaikki astiat putoavat ulos.
Kyseessä olevaa laatikkoa voidaan verrata johtimen poikkileikkaukseen. Mitä suurempi tämä parametri (paksumpi lanka), sitä enemmän virtaa se voi tarjota. Tämä määrittää, mikä tilavuus varautuneiden hiukkasten suunnatulla liikkeellä voi olla. Meidän tapauksessamme laatikko, joka sisältää yhdestä kahteentoista pulloa, voi helposti täyttää käyttötarkoituksensa (se ei räjähdä). Analogisesti voimme sanoa, että johdin ei pala.
Jos ylität ilmoitetun arvon, objekti epäonnistuu. Johtimen tapauksessa vastus tulee peliin. Ohmin laki kuvaa erittäin hyvin sähköisesti varautuneiden hiukkasten suunnattua liikettä.
Eri fyysisten parametrien välinen suhde
Per laatikkoesimerkistämme voit laittaa vielä yhden. Tässä tapauksessa ei 12, vaan jopa 24 pulloa voidaan sijoittaa pinta-alayksikköä kohti. Lisäämme vielä yhden - ja niitä on kolmekymmentäkuusi. Yhtä laatikoista voidaan pitää fyysisenä yksikkönä, analogisena jännitteen kanssa.
Mitä leveämpi se on (pienentää siten vastusta), sitä enemmän pulloja (jotka esimerkissämme korvaavat virran) voidaan sijoittaa. Lisäämällä laatikoiden pinoa voit sijoittaa lisää säiliöitä pinta-alayksikköä kohti. Tässä tapauksessa teho kasvaa. Tämä ei tuhoa laatikkoa (johdinta). Tässä on yhteenveto tästä analogiasta:
- Pullojen kokonaismäärä lisää tehoa.
- Säiliöiden lukumäärä laatikossa osoittaa nykyisen voimakkuuden.
- Korkeudessa olevien laatikoiden lukumäärän avulla voit arvioida jännitteen.
- Laatikon leveys antaa käsityksen vastuksesta.
Mahdolliset vaarat
Olemme jo keskustelleet siitä, että varautuneiden hiukkasten suunnattua liikettä kutsutaan virraksi. On huomattava, että tämä ilmiö voi olla vaarallinen ihmisten terveydelle ja jopa elämälle. Tässä on yhteenveto sähkövirran ominaisuuksista:
- Lämmittää sen johtimen, jonka läpi se virtaa. Jos kotitalouden sähköverkko on ylikuormitettu, eristys hiiltyy ja murenee vähitellen. Tämän seurauksena on olemassa oikosulun mahdollisuus, mikä on erittäin vaarallista.
- Sähkövirta, kun se kulkee kodinkoneiden ja johtojen läpi, kohtaaelementtien muodostavien materiaalien kestävyys. Siksi se valitsee polun, jolla on tämän parametrin vähimmäisarvo.
- Jos tapahtuu oikosulku, virran voimakkuus kasvaa jyrkästi. Tämä vapauttaa huomattavan määrän lämpöä. Se voi sulattaa metallia.
- Kosteuden sisäänpääsyn vuoksi voi tapahtua oikosulku. Aiemmin käsitellyissä tapauksissa lähellä olevat kohteet syttyvät, mutta tässä tapauksessa ihmiset kärsivät aina.
- Sähköisku aiheuttaa merkittävän vaaran. Se on hyvin todennäköisesti jopa kohtalokasta. Kun sähkövirta kulkee ihmiskehon läpi, kudosten vastus heikkenee huomattavasti. Ne alkavat lämmetä. Tällöin solut tuhoutuvat ja hermopäätteet kuolevat.
Turvallisuusongelmat
Vältäksesi altistumisen sähkövirralle, sinun on käytettävä erityisiä suojavarusteita. Työ tulee suorittaa kumikäsineissä käyttäen samaa materiaalia olevaa mattoa, purkaustankoja sekä työpaikan ja laitteiden maadoituslaitteita.
Piirikytkimet erilaisilla suojauksilla ovat osoittautuneet hyväksi laitteiksi, jotka voivat pelastaa ihmisen hengen.
Ei myöskään pidä unohtaa työskentelyn perusturvatoimenpiteitä. Jos tulipalo syttyy sähkölaitteissa, saa käyttää vain hiilidioksidi- ja jauhesammuttimia. Jälkimmäiset osoittavat parhaan tuloksen tulipalon torjunnassa, mutta pölyn peittämiä laitteita ei aina voida palauttaa.
Johtopäätös
Jokaiselle lukijalle ymmärrettävillä esimerkeillä selvisimme, että varautuneiden hiukkasten määrättyä suunnattua liikettä kutsutaan sähkövirraksi. Tämä on erittäin mielenkiintoinen ilmiö, tärkeä sekä fysiikan että kemian näkökulmasta. Sähkövirta on ihmisen väsymätön apulainen. Sitä on kuitenkin käsiteltävä varoen. Artikkelissa käsitellään turvallisuuskysymyksiä, joihin tulisi kiinnittää huomiota, jos ei ole halua kuolla.
