Elektrības fizika ir kaut kas tāds, ar ko mums ir jāsaskaras. Rakstā aplūkosim ar to saistītos pamatjēdzienus.
Kas ir elektrība? Nezinātājam tas asociējas ar zibens uzliesmojumu vai ar enerģiju, kas baro televizoru un veļas mašīnu. Viņš zina, ka elektrovilcieni izmanto elektroenerģiju. Ko vēl viņš var pateikt? Elektrības līnijas viņam atgādina par mūsu atkarību no elektrības. Kāds var sniegt dažus citus piemērus.
Tomēr ar elektrību ir saistītas daudzas citas, ne tik acīmredzamas, bet ikdienišķas parādības. Fizika mūs iepazīstina ar tiem visiem. Sākam skolā apgūt elektrību (uzdevumus, definīcijas un formulas). Un mēs uzzinām daudz interesantu lietu. Izrādās, ka pukstoša sirds, skrienošs sportists, guļošs mazulis un peldoša zivs rada elektrisko enerģiju.
Elektroni un protoni
Definēsim pamatjēdzienus. No zinātnieka viedokļa elektrības fizika ir saistīta ar elektronu un citu lādētu daļiņu kustību dažādās vielās. Tāpēc zinātniskā izpratne par mūs interesējošā fenomena būtību ir atkarīga no zināšanu līmeņa par atomiem un to sastāvā esošajām subatomiskajām daļiņām. Mazais elektrons ir šīs izpratnes atslēga. Jebkuras vielas atomi satur vienu vai vairākus elektronus, kas pārvietojas dažādās orbītās ap kodolu, tāpat kā planētas riņķo ap sauli. Parasti elektronu skaits atomā ir vienāds ar protonu skaitu kodolā. Tomēr protonus, kas ir daudz smagāki par elektroniem, var uzskatīt par fiksētiem atoma centrā. Ar šo ārkārtīgi vienkāršoto atoma modeli pietiek, lai izskaidrotu tādas parādības kā elektrības fizika pamatus.
Kas vēl jums jāzina? Elektroniem un protoniem ir vienāds elektriskais lādiņš (bet atšķirīga zīme), tāpēc tie tiek piesaistīti viens otram. Protona lādiņš ir pozitīvs, bet elektrona lādiņš ir negatīvs. Atomu, kurā ir vairāk vai mazāk elektronu nekā parasti, sauc par jonu. Ja atomā to nav pietiekami daudz, tad to sauc par pozitīvo jonu. Ja tas satur to pārpalikumu, to sauc par negatīvo jonu.
Kad elektrons atstāj atomu, tas iegūst kādu pozitīvu lādiņu. Elektrons, kam atņemts tā pretstats - protons, vai nu pāriet uz citu atomu, vai atgriežas pie iepriekšējā.
Kāpēc elektroni atstāj atomus?
Tam ir vairāku iemeslu dēļ. Vispārīgākais ir tas, ka gaismas impulsa vai kāda ārēja elektrona ietekmē elektronu, kas pārvietojas atomā, var izsist no orbītas. Siltums liek atomiem vibrēt ātrāk. Tas nozīmē, ka elektroni var izlidot no sava atoma. Ķīmiskajās reakcijās tie arī pārvietojas no atoma uzatoms.
Labu piemēru ķīmiskās un elektriskās aktivitātes attiecībām sniedz mūsu muskuļi. Viņu šķiedras saraujas, pakļaujoties elektriskam signālam no nervu sistēmas. Elektriskā strāva stimulē ķīmiskās reakcijas. Tie noved pie muskuļu kontrakcijas. Ārējos elektriskos signālus bieži izmanto, lai mākslīgi stimulētu muskuļu darbību.
Vadītspēja
Dažās vielās elektroni ārējā elektriskā lauka iedarbībā pārvietojas brīvāk nekā citās. Tiek uzskatīts, ka šādām vielām ir laba vadītspēja. Tos sauc par diriģentiem. Tie ietver lielāko daļu metālu, karsētas gāzes un dažus šķidrumus. Gaiss, gumija, eļļa, polietilēns un stikls ir slikti elektrības vadītāji. Tos sauc par dielektriķiem un izmanto labu vadītāju izolēšanai. Ideāli izolatori (absolūti nevadoši) nepastāv. Noteiktos apstākļos elektronus var noņemt no jebkura atoma. Tomēr šos nosacījumus parasti ir tik grūti izpildīt, ka no praktiskā viedokļa šādas vielas var uzskatīt par nevadošām.
Iepazīstoties ar tādu zinātni kā fizika (sadaļa "Elektrība"), uzzinām, ka pastāv īpaša vielu grupa. Tie ir pusvadītāji. Tie uzvedas daļēji kā dielektriķi un daļēji kā vadītāji. Tajos jo īpaši ietilpst: germānija, silīcijs, vara oksīds. Pateicoties savām īpašībām, pusvadītājs atrod daudzus pielietojumus. Piemēram, tas var kalpot kā elektriskais vārsts: tāpat kā velosipēda riepas vārsts, tasļauj lādiņiem pārvietoties tikai vienā virzienā. Šādas ierīces sauc par taisngriežiem. Tos izmanto miniatūros radioaparātos, kā arī lielās spēkstacijās, lai pārveidotu maiņstrāvu par līdzstrāvu.
Siltums ir haotiska molekulu vai atomu kustības forma, un temperatūra ir šīs kustības intensitātes mērs (lielākajā daļā metālu, temperatūrai pazeminoties, elektronu kustība kļūst brīvāka). Tas nozīmē, ka pretestība brīvai elektronu kustībai samazinās, pazeminoties temperatūrai. Citiem vārdiem sakot, palielinās metālu vadītspēja.
Supravadītspēja
Dažās vielās ļoti zemās temperatūrās pretestība pret elektronu plūsmu pilnībā izzūd, un elektroni, sākuši kustēties, to turpina bezgalīgi. Šo parādību sauc par supravadītspēju. Temperatūrā dažus grādus virs absolūtās nulles (-273 °C) to novēro tādos metālos kā alva, svins, alumīnijs un niobijs.
Van de Graaff ģeneratori
Skolas mācību programmā ir dažādi eksperimenti ar elektrību. Ir daudz veidu ģeneratoru, par vienu no kuriem mēs vēlētos runāt sīkāk. Van de Graaff ģenerators tiek izmantots, lai ražotu īpaši augstu spriegumu. Ja traukā ievieto priekšmetu, kas satur pozitīvo jonu pārpalikumu, tad uz tā iekšējās virsmas parādīsies elektroni, un uz ārējās virsmas parādīsies tikpat daudz pozitīvo jonu. Ja tagad pieskaramies iekšējai virsmai ar lādētu objektu, tad visi brīvie elektroni pāries tai. Ārpusēsaglabāsies pozitīvi lādiņi.
Van de Graaff ģeneratorā pozitīvie joni no avota tiek pielietoti konveijera lentei metāla sfērā. Lente ir savienota ar sfēras iekšējo virsmu ar vadītāja palīdzību ķemmes formā. Elektroni plūst uz leju no sfēras iekšējās virsmas. Tās ārējā pusē parādās pozitīvi joni. Efektu var uzlabot, izmantojot divus ģeneratorus.
Elektriskā strāva
Skolas fizikas kursā ir iekļauta arī tāda lieta kā elektriskā strāva. Kas tas ir? Elektriskā strāva rodas elektrisko lādiņu kustības dēļ. Kad tiek ieslēgta akumulatoram pievienota elektriskā lampa, strāva plūst pa vadu no viena akumulatora pola uz lampu, tad caur tās matiem, liekot tai spīdēt, un caur otru vadu atpakaļ uz otru akumulatora polu.. Ja slēdzis ir pagriezts, ķēde atvērsies - strāvas plūsma apstāsies un lampiņa nodzisīs.
Elektronu kustība
Strāva vairumā gadījumu ir sakārtota elektronu kustība metālā, kas kalpo kā vadītājs. Visos vadītājos un dažās citās vielās vienmēr notiek nejauša kustība, pat ja strāva neplūst. Vielā esošie elektroni var būt relatīvi brīvi vai stipri saistīti. Labiem vadītājiem ir brīvi elektroni, kas var pārvietoties. Bet sliktajos vadītājos vai izolatoros lielākā daļa šo daļiņu ir pietiekami cieši saistītas ar atomiem, kas neļauj tiem pārvietoties.
Dažreiz elektronu kustība noteiktā virzienā tiek radīta dabiski vai mākslīgi vadītājā. Šo plūsmu sauc par elektrisko strāvu. To mēra ampēros (A). Kā strāvas nesēji var kalpot arī joni (gāzēs vai šķīdumos) un “caurumi” (elektronu trūkums dažu veidu pusvadītājos). Pēdējie uzvedas kā pozitīvi lādēti elektriskās strāvas nesēji. Lai panāktu elektronu kustību vienā virzienā vai arī ir nepieciešams zināms spēks. cits. Dabā tā avoti var būt: saules gaismas iedarbība, magnētiskie efekti un ķīmiskās reakcijas. Daži no tiem tiek izmantoti elektroenerģijas ražošanai. Parasti šim nolūkam ir: ģenerators, kas izmanto magnētiskos efektus, un šūna (akumulators), kuras darbība ir saistīta ar uz ķīmiskajām reakcijām. Abas ierīces, radot elektromotora spēku (EMF), liek elektroniem pārvietoties vienā virzienā pa ķēdi. EMF vērtību mēra voltos (V). Tās ir elektroenerģijas pamatvienības.
EMF lielums un strāvas stiprums ir savstarpēji saistīti, piemēram, spiediens un plūsma šķidrumā. Ūdens caurules vienmēr ir piepildītas ar ūdeni ar noteiktu spiedienu, bet ūdens sāk plūst tikai tad, kad tiek atvērts jaucējkrāns.
Līdzīgi elektrisko ķēdi var pieslēgt EML avotam, taču strāva tajā neplūdīs, kamēr nav izveidots ceļš elektronu kustībai. Tā var būt, piemēram, elektriskā lampa vai putekļu sūcējs, slēdzis šeit spēlē krāna lomu, kas “atbrīvo” strāvu.
Attiecības starp pašreizējo unspriegums
Palielinoties spriegumam ķēdē, palielinās arī strāva. Apgūstot fizikas kursu, uzzinām, ka elektriskās ķēdes sastāv no vairākām dažādām sekcijām: parasti slēdža, vadītājiem un ierīces, kas patērē elektrību. Tie visi, savienoti kopā, rada pretestību elektriskajai strāvai, kas (pieņemot nemainīgu temperatūru) šīm sastāvdaļām laika gaitā nemainās, bet katrai no tām ir atšķirīga. Tāpēc, ja spuldzei un gludeklim tiek pielikts vienāds spriegums, tad elektronu plūsma katrā no ierīcēm būs atšķirīga, jo to pretestības ir atšķirīgas. Tāpēc strāvas stiprumu, kas plūst caur noteiktu ķēdes posmu, nosaka ne tikai spriegums, bet arī vadītāju un ierīču pretestība.
Oma likums
Tādā zinātnē kā fizikā elektriskās pretestības vērtību mēra omos (Om). Elektrība (formulas, definīcijas, eksperimenti) ir plaša tēma. Mēs neatvasināsim sarežģītas formulas. Pirmajai tēmas iepazīšanai pietiek ar iepriekš teikto. Tomēr vienu formulu joprojām ir vērts atvasināt. Viņa ir diezgan nesarežģīta. Jebkuram vadītājam vai vadītāju un ierīču sistēmai attiecību starp spriegumu, strāvu un pretestību nosaka pēc formulas: spriegums=strāva x pretestība. Šī ir Ohma likuma matemātiskā izteiksme, kas nosaukta Džordža Oma (1787–1854) vārdā, kurš pirmais noteica saistību starp šiem trim parametriem.
Elektrības fizika ir ļoti interesanta zinātnes nozare. Mēs esam apsvēruši tikai ar to saistītos pamatjēdzienus. Vai tu zinājiKas ir elektrība un kā tā tiek ražota? Mēs ceram, ka šī informācija jums noderēs.
