Sähkön fysiikka on asia, joka meidän jokaisen on kohdattava. Artikkelissa tarkastellaan siihen liittyviä peruskäsitteitä.
Mitä sähkö on? Asiattomalle ihmiselle se liittyy salaman välähdyksen tai television ja pesukoneen ruokkivan energiaan. Hän tietää, että sähköjunat käyttävät sähköenergiaa. Mitä muuta hän voi sanoa? Sähköjohdot muistuttavat häntä riippuvuudestamme sähköstä. Joku voi antaa muutaman muun esimerkin.
Sähköön liittyy kuitenkin monia muita, ei niin ilmeisiä, mutta jokapäiväisiä ilmiöitä. Fysiikka esittelee meidät kaikkiin niihin. Alamme opiskella sähköä (tehtävät, määritelmät ja kaavat) koulussa. Ja opimme paljon mielenkiintoisia asioita. Osoittautuu, että sykkivä sydän, juoksuurheilija, nukkuva vauva ja uiva kala tuottavat sähköenergiaa.
Elektronit ja protonit
Määritellään peruskäsitteet. Tiedemiehen näkökulmasta sähkön fysiikka liittyy elektronien ja muiden varautuneiden hiukkasten liikkumiseen eri aineissa. Siksi tieteellinen ymmärrys meitä kiinnostavan ilmiön luonteesta riippuu tietotasosta atomeista ja niiden subatomisista hiukkasista. Pieni elektroni on avain tähän ymmärrykseen. Minkä tahansa aineen atomit sisältävät yhden tai useamman elektronin, jotka liikkuvat eri kiertoradoilla ytimen ympärillä, aivan kuten planeetat pyörivät auringon ympäri. Yleensä elektronien lukumäärä atomissa on yhtä suuri kuin protonien lukumäärä ytimessä. Kuitenkin protonit, jotka ovat paljon raskaampia kuin elektronit, voidaan katsoa kiinnittyneinä atomin keskelle. Tämä äärimmäisen yksinkertaistettu atomin malli riittää selittämään sellaisen ilmiön kuin sähkön fysiikan perusteet.
Mitä muuta sinun tarvitsee tietää? Elektroneilla ja protoneilla on sama sähkövaraus (mutta eri merkki), joten ne vetoavat toisiinsa. Protonin varaus on positiivinen ja elektronin negatiivinen. Atomia, jossa on tavallista enemmän tai vähemmän elektroneja, kutsutaan ioniksi. Jos niitä ei ole tarpeeksi atomissa, sitä kutsutaan positiiviseksi ioniksi. Jos se sisältää niitä ylimäärin, sitä kutsutaan negatiiviseksi ioniksi.
Kun elektroni lähtee atomista, se saa positiivisen varauksen. Elektroni, jolta on riistetty vastakohtansa - protoni, se joko siirtyy toiseen atomiin tai palaa edelliseen.
Miksi elektronit jättävät atomeja?
Tämä johtuu useista syistä. Yleisin on, että valopulssin tai jonkin ulkoisen elektronin vaikutuksesta atomissa liikkuva elektroni voi pudota pois kiertorad altaan. Lämpö saa atomit värähtelemään nopeammin. Tämä tarkoittaa, että elektronit voivat lentää pois atomistaan. Kemiallisissa reaktioissa ne myös siirtyvät atomista toiseenatomi.
Hyvä esimerkki kemiallisen ja sähköisen toiminnan välisestä suhteesta on lihaksemme. Niiden kuidut supistuvat joutuessaan alttiiksi hermoston sähköiselle signaalille. Sähkövirta stimuloi kemiallisia reaktioita. Ne johtavat lihasten supistumiseen. Ulkoisia sähköisiä signaaleja käytetään usein lihastoiminnan keinotekoiseen stimulointiin.
Johtavuus
Joissakin aineissa elektronit liikkuvat ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta vapaammin kuin toisissa. Tällaisilla aineilla sanotaan olevan hyvä johtavuus. Niitä kutsutaan johtimiksi. Näitä ovat useimmat metallit, kuumennetut kaasut ja jotkut nesteet. Ilma, kumi, öljy, polyeteeni ja lasi ovat huonoja sähkönjohtimia. Niitä kutsutaan dielektreiksi ja niitä käytetään eristämään hyviä johtimia. Ihanteellisia eristeitä (ehdottomasti johtamattomia) ei ole olemassa. Tietyissä olosuhteissa elektronit voidaan poistaa mistä tahansa atomista. Nämä ehdot ovat kuitenkin yleensä niin vaikeita täyttää, että käytännön näkökulmasta tällaisia aineita voidaan pitää johtamattomina.
Tutustuessamme sellaiseen tieteeseen kuin fysiikka (osio "Sähkö"), opimme, että on olemassa erityinen aineryhmä. Nämä ovat puolijohteita. Ne käyttäytyvät osittain dielektrisinä ja osittain johtimina. Näitä ovat erityisesti: germanium, pii, kuparioksidi. Ominaisuuksiensa ansiosta puolijohteella on monia sovelluksia. Se voi toimia esimerkiksi sähköventtiilinä: kuten polkupyörän renkaan venttiili, semahdollistaa latausten liikkumisen vain yhteen suuntaan. Tällaisia laitteita kutsutaan tasasuuntaajiksi. Niitä käytetään miniradioissa sekä suurissa voimalaitoksissa vaihtovirran muuntamiseksi tasavirtaan.
Lämpö on kaoottinen molekyylien tai atomien liikkeen muoto, ja lämpötila mittaa tämän liikkeen intensiteettiä (useimmissa metalleissa lämpötilan laskeessa elektronien liikkeestä tulee vapaampaa). Tämä tarkoittaa, että vastus elektronien vapaalle liikkeelle pienenee lämpötilan laskeessa. Toisin sanoen metallien johtavuus kasvaa.
Suprajohtavuus
Joissakin aineissa erittäin alhaisissa lämpötiloissa vastus elektronien virtausta vastaan katoaa kokonaan, ja elektronit, jotka ovat alkaneet liikkua, jatkavat sitä loputtomiin. Tätä ilmiötä kutsutaan suprajohtavuudeksi. Muutaman asteen absoluuttisen nollan yläpuolella (-273 °C) sitä havaitaan metalleissa, kuten tinassa, lyijyssä, alumiinissa ja niobiumissa.
Van de Graaff -generaattorit
Koulujen opetussuunnitelmaan sisältyy erilaisia sähkökokeita. Generaattorityyppejä on monenlaisia, joista yhdestä haluaisimme puhua tarkemmin. Van de Graaff -generaattoria käytetään erittäin korkeiden jännitteiden tuottamiseen. Jos esine, joka sisältää ylimäärin positiivisia ioneja, asetetaan astian sisään, elektronit ilmestyvät jälkimmäisen sisäpinnalle ja sama määrä positiivisia ioneja ilmestyy ulkopinnalle. Jos nyt kosketamme sisäpintaa varautuneella esineellä, kaikki vapaat elektronit siirtyvät siihen. Ulkopuolellapositiiviset varaukset säilyvät.
Van de Graaff -generaattorissa lähteestä peräisin olevat positiiviset ionit johdetaan metallipallon sisällä olevalle kuljetinhihnalle. Nauha on yhdistetty pallon sisäpintaan kamman muodossa olevan johtimen avulla. Elektronit virtaavat alas pallon sisäpinn alta. Positiiviset ionit ilmestyvät sen ulkopuolelle. Vaikutusta voidaan parantaa käyttämällä kahta generaattoria.
Sähkövirta
Koulun fysiikan kurssilla on mukana myös sähkövirta. Mikä se on? Sähkövirta johtuu sähkövarausten liikkeestä. Kun akkuun kytketty sähkölamppu sytytetään, virta kulkee johdon läpi akun yhdestä navasta lamppuun, sitten sen hiusten läpi, jolloin se hehkuu, ja takaisin toisen johdon kautta akun toiseen napaan.. Jos kytkintä käännetään, piiri aukeaa - virran kulku pysähtyy ja lamppu sammuu.
Elektronien liike
Virta on useimmissa tapauksissa elektronien määrättyä liikettä metallissa, joka toimii johtimena. Kaikissa johtimissa ja joissakin muissa aineissa tapahtuu aina jotain satunnaista liikettä, vaikka virtaa ei kulkisikaan. Aineen elektronit voivat olla suhteellisen vapaita tai vahvasti sidottuja. Hyvillä johtimilla on vapaita elektroneja, jotka voivat liikkua. Mutta huonoissa johtimissa tai eristimissä useimmat näistä hiukkasista ovat riittävän vahvasti yhteydessä atomeihin, mikä estää niiden liikkumisen.
Joskus elektronien liike tiettyyn suuntaan syntyy luonnollisesti tai keinotekoisesti johtimessa. Tätä virtausta kutsutaan sähkövirraksi. Se mitataan ampeereina (A). Virran kantajina voivat toimia myös ionit (kaasuissa tai liuoksissa) ja "reiät" (elektronin puute tietyissä puolijohtetyypeissä). Jälkimmäiset käyttäytyvät kuin positiivisesti varautuneet sähkövirran kantajat. Tarvitaan jonkin verran voimaa, jotta elektronit liikkuvat yhteen suuntaan tai toinen. Luonnossa sen lähteitä voivat olla: altistuminen auringonvalolle, magneettiset vaikutukset ja kemialliset reaktiot. Joitakin niistä käytetään sähkön tuottamiseen. Yleensä tähän tarkoitukseen ovat: magneettisia vaikutuksia käyttävä generaattori ja kenno (akku), jonka toiminta johtuu kemiallisiin reaktioihin. Molemmat laitteet, jotka muodostavat sähkömotorisen voiman (EMF), saavat elektronit liikkumaan yhteen suuntaan piirin läpi. EMF-arvo mitataan voltteina (V). Nämä ovat sähkön perusyksiköt.
EMF:n suuruus ja virran voimakkuus liittyvät toisiinsa, kuten paine ja virtaus nesteessä. Vesiputket täytetään aina vedellä tietyllä paineella, mutta vesi alkaa virrata vasta, kun hana avataan.
Samaan tapaan sähköpiiri voidaan kytkeä EMF-lähteeseen, mutta virta ei kulje siinä ennen kuin on luotu polku elektronien liikkumiselle. Se voi olla esimerkiksi sähkölamppu tai pölynimuri, tässä kytkin toimii hanana, joka "vapauttaa" virran.
Suhde nykyisen jajännite
Kun piirin jännite kasvaa, virta kasvaa. Fysiikan kurssia opiskelemalla opimme, että sähköpiirit koostuvat useista eri osista: yleensä kytkimestä, johtimista ja sähköä kuluttavasta laitteesta. Ne kaikki yhdessä muodostavat vastuksen sähkövirralle, joka (olettaen, että lämpötila on vakio) näille komponenteille ei muutu ajan myötä, vaan on jokaiselle erilainen. Siksi, jos sama jännite syötetään hehkulamppuun ja rautaan, elektronien virtaus kussakin laitteessa on erilainen, koska niiden vastukset ovat erilaiset. Siksi tietyn piirin osan läpi kulkevan virran voimakkuus määräytyy jännitteen lisäksi myös johtimien ja laitteiden resistanssin perusteella.
Ohmin laki
Sähköisen vastuksen arvo mitataan ohmeina (ohmeina) fysiikassa k altaisessa tieteessä. Sähkö (kaavat, määritelmät, kokeet) on laaja aihe. Emme johda monimutkaisia kaavoja. Aiheeseen ensimmäiseen tutustumiseen riittää se, mitä edellä on sanottu. Yksi kaava on kuitenkin edelleen johtamisen arvoinen. Hän on melko mutkaton. Jokaiselle johtimelle tai johdin- ja laitejärjestelmälle jännitteen, virran ja resistanssin välinen suhde saadaan kaavalla: jännite=virta x vastus. Tämä on Ohmin lain matemaattinen ilmaus, joka on nimetty George Ohmin (1787-1854) mukaan, joka ensimmäisenä määritti näiden kolmen parametrin välisen suhteen.
Sähkön fysiikka on erittäin mielenkiintoinen tieteenala. Olemme tarkastelleet vain siihen liittyviä peruskäsitteitä. TiesitköMitä sähkö on ja miten sitä tuotetaan? Toivomme, että nämä tiedot ovat hyödyllisiä.
