Физиката на електричеството е нещо, с което всеки от нас трябва да се справи. В статията ще разгледаме основните понятия, свързани с него.
Какво е електричество? За непосветен човек се свързва с проблясък на светкавица или с енергията, която захранва телевизора и пералнята. Той знае, че електрическите влакове използват електрическа енергия. Какво друго може да каже? Електропроводите му напомнят за нашата зависимост от електричеството. Някой може да даде няколко други примера.
Въпреки това, много други, не толкова очевидни, но ежедневни явления са свързани с електричеството. Физиката ни запознава с всички тях. Започваме да изучаваме електричество (задачи, определения и формули) в училище. И научаваме много интересни неща. Оказва се, че биещо сърце, бягащ атлет, спящо бебе и плуваща риба генерират електрическа енергия.
Електрони и протони
Нека дефинираме основните понятия. От гледна точка на учен, физиката на електричеството е свързана с движението на електрони и други заредени частици в различни вещества. Следователно научното разбиране за същността на интересуващия ни феномен зависи от нивото на познание за атомите и съставните им субатомни частици. Малкият електрон е ключът към това разбиране. Атомите на всяко вещество съдържат един или повече електрони, които се движат по различни орбити около ядрото, точно както планетите се въртят около слънцето. Обикновено броят на електроните в атома е равен на броя на протоните в ядрото. Въпреки това, протоните, които са много по-тежки от електроните, могат да се считат за фиксирани в центъра на атома. Този изключително опростен модел на атома е достатъчен, за да обясни основите на такъв феномен като физиката на електричеството.
Какво още трябва да знаете? Електроните и протоните имат еднакъв електрически заряд (но различен знак), така че се привличат един към друг. Зарядът на протона е положителен, а този на електрона е отрицателен. Атом, който има повече или по-малко електрони от обикновено, се нарича йон. Ако в един атом няма достатъчно от тях, тогава той се нарича положителен йон. Ако съдържа излишък от тях, тогава се нарича отрицателен йон.
Когато електрон напусне атом, той придобива някакъв положителен заряд. Един електрон, лишен от своята противоположност - протон, или се придвижва към друг атом, или се връща към предишния.
Защо електроните напускат атоми?
Това се дължи на няколко причини. Най-общото е, че под въздействието на светлинен импулс или някакъв външен електрон, електрон, движещ се в атом, може да бъде избит от орбитата му. Топлината кара атомите да вибрират по-бързо. Това означава, че електроните могат да излитат от своя атом. При химичните реакции те също се движат от атом къматом.
Добър пример за връзката между химическата и електрическата активност са нашите мускули. Техните влакна се свиват, когато са изложени на електрически сигнал от нервната система. Електрическият ток стимулира химичните реакции. Те водят до мускулна контракция. Външните електрически сигнали често се използват за изкуствено стимулиране на мускулната активност.
Проводимост
В някои вещества електроните под действието на външно електрическо поле се движат по-свободно, отколкото в други. За такива вещества се казва, че имат добра проводимост. Те се наричат проводници. Те включват повечето метали, нагрети газове и някои течности. Въздухът, гумата, маслото, полиетиленът и стъклото са лоши проводници на електричество. Те се наричат диелектрици и се използват за изолация на добри проводници. Идеални изолатори (абсолютно непроводими) не съществуват. При определени условия електроните могат да бъдат отстранени от всеки атом. Тези условия обаче обикновено са толкова трудни за изпълнение, че от практическа гледна точка такива вещества могат да се считат за непроводими.
Запознавайки се с такава наука като физиката (раздел "Електричество"), научаваме, че има специална група вещества. Това са полупроводници. Те се държат отчасти като диелектрици и отчасти като проводници. Те включват по-специално: германий, силиций, меден оксид. Благодарение на своите свойства, полупроводникът намира много приложения. Например, той може да служи като електрически клапан: като вентил за велосипедни гуми, тойпозволява на зарядите да се движат само в една посока. Такива устройства се наричат токоизправители. Използват се в миниатюрни радиостанции, както и в големи електроцентрали за преобразуване на AC в DC.
Топлината е хаотична форма на движение на молекули или атоми, а температурата е мярка за интензивността на това движение (при повечето метали, с понижаване на температурата, движението на електроните става по-свободно). Това означава, че съпротивлението на свободното движение на електроните намалява с понижаване на температурата. С други думи, проводимостта на металите се увеличава.
Свръхпроводимост
В някои вещества при много ниски температури съпротивлението на потока от електрони изчезва напълно и електроните, като започнат да се движат, го продължават за неопределено време. Това явление се нарича свръхпроводимост. При температури няколко градуса над абсолютната нула (-273 °C) се наблюдава в метали като калай, олово, алуминий и ниобий.
Генератори на Ван де Грааф
Училищната програма включва различни експерименти с електричество. Има много видове генератори, за един от които бихме искали да поговорим по-подробно. Генераторът на Van de Graaff се използва за производство на свръхвисоки напрежения. Ако в контейнер се постави обект, съдържащ излишък от положителни йони, тогава електроните ще се появят на вътрешната повърхност на последния, а същият брой положителни йони ще се появят на външната повърхност. Ако сега докоснем вътрешната повърхност със зареден обект, тогава всички свободни електрони ще преминат към него. Отвънположителните заряди ще останат.
В генератор на Van de Graaff положителните йони от източник се прилагат към конвейерна лента вътре в метална сфера. Лентата е свързана към вътрешната повърхност на сферата с помощта на проводник под формата на гребен. Електроните текат надолу от вътрешната повърхност на сферата. От външната му страна се появяват положителни йони. Ефектът може да бъде подобрен с помощта на два генератора.
Електрически ток
Училищният курс по физика включва и такова нещо като електрически ток. Какво е? Електрическият ток се дължи на движението на електрически заряди. Когато електрическа лампа, свързана към батерия, е включена, токът протича през проводник от единия полюс на батерията към лампата, след това през косата й, карайки я да свети, и обратно през втория проводник към другия полюс на батерията. Ако превключвателят се завърти, веригата ще се отвори - текущият поток ще спре и лампата ще изгасне.
Движение на електроните
Токът в повечето случаи е подредено движение на електрони в метал, който служи като проводник. Във всички проводници и някои други вещества винаги има някакво произволно движение, дори и да не тече ток. Електроните в материята могат да бъдат относително свободни или силно свързани. Добрите проводници имат свободни електрони, които могат да се движат. Но в лошите проводници или изолатори повечето от тези частици са достатъчно силно свързани с атомите, което пречи на тяхното движение.
Понякога движението на електрони в определена посока се създава естествено или изкуствено в проводник. Този поток се нарича електрически ток. Измерва се в ампери (A). Йоните (в газове или разтвори) и "дупките" (липса на електрони в някои видове полупроводници) също могат да служат като носители на ток. Последните се държат като положително заредени носители на електрически ток. Необходима е известна сила, за да накара електроните да се движат в една посока или В природата източниците му могат да бъдат: излагане на слънчева светлина, магнитни ефекти и химични реакции. Някои от тях се използват за генериране на електричество. Обикновено за тази цел са: генератор, използващ магнитни ефекти, и клетка (батерия), чието действие се дължи на към химични реакции. И двете устройства, създавайки електродвижеща сила (EMF), кара електроните да се движат в една посока през веригата. Стойността на EMF се измерва във волтове (V). Това са основните единици за електричество.
Величината на ЕМП и силата на тока са взаимосвързани, като налягане и поток в течност. Водопроводите винаги се пълнят с вода при определено налягане, но водата започва да тече само когато кранът е пуснат.
По подобен начин електрическа верига може да бъде свързана към източник на ЕМП, но ток няма да тече в нея, докато не се създаде път, по който електроните да се движат. Може да бъде, да речем, електрическа лампа или прахосмукачка, превключвателят тук играе ролята на кран, който „освобождава“ток.
Връзката между текущите инапрежение
С увеличаване на напрежението във веригата се увеличава и токът. Изучавайки курс по физика, научаваме, че електрическите вериги се състоят от няколко различни секции: обикновено превключвател, проводници и устройство, което консумира електричество. Всички те, свързани заедно, създават съпротивление на електрически ток, което (при постоянна температура) за тези компоненти не се променя с времето, а е различно за всеки от тях. Следователно, ако едно и също напрежение се приложи към електрическа крушка и ютия, тогава потокът от електрони във всяко от устройствата ще бъде различен, тъй като техните съпротивления са различни. Следователно силата на тока, протичащ през определен участък от веригата, се определя не само от напрежението, но и от съпротивлението на проводниците и устройствата.
Законът на Ом
Стойността на електрическото съпротивление се измерва в ома (ома) в наука като физиката. Електричеството (формули, дефиниции, експерименти) е обширна тема. Няма да извеждаме сложни формули. За първо запознаване с темата е достатъчно казаното по-горе. Въпреки това, една формула все още си струва да се извлече. Тя е доста неусложнена. За всеки проводник или система от проводници и устройства връзката между напрежение, ток и съпротивление се дава по формулата: напрежение=ток х съпротивление. Това е математическият израз на закона на Ом, кръстен на Джордж Ом (1787-1854), който за първи път установява връзката между тези три параметъра.
Физиката на електричеството е много интересен клон на науката. Ние разгледахме само основните понятия, свързани с него. Знаеше лиКакво е електричество и как се генерира? Надяваме се да намерите тази информация за полезна.
