Ποια είναι η κατευθυνόμενη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων; Για πολλούς, αυτή είναι μια ακατανόητη περιοχή, αλλά στην πραγματικότητα όλα είναι πολύ απλά. Έτσι, όταν μιλούν για την κατευθυνόμενη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων, εννοούν το ρεύμα. Ας εξετάσουμε τα κύρια χαρακτηριστικά και τις συνθέσεις του, καθώς και ας εξετάσουμε ζητήματα ασφάλειας όταν εργαζόμαστε μαζί του.
Γενικές πληροφορίες
Ξεκινήστε με έναν ορισμό. Με τον όρο ηλεκτρικό ρεύμα εννοείται πάντα η διατεταγμένη (κατευθυνόμενη) κίνηση φορτισμένων σωματιδίων, η οποία πραγματοποιείται υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου. Τι είδους αντικείμενα μπορούν να θεωρηθούν σε αυτήν την περίπτωση; Σωματίδια σημαίνουν ηλεκτρόνια, ιόντα, πρωτόνια, τρύπες. Είναι επίσης σημαντικό να γνωρίζουμε ποια είναι η τρέχουσα δύναμη. Αυτός είναι ο αριθμός των φορτισμένων σωματιδίων που ρέουν μέσω της διατομής του αγωγού ανά μονάδα χρόνου.
Φύση του φαινομένου
Όλες οι φυσικές ουσίες αποτελούνται από μόρια που σχηματίζονται από άτομα. Δεν είναι επίσης το τελικό υλικό, επειδή έχουν στοιχεία (πυρήνα και ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από αυτόν). Όλες οι χημικές αντιδράσεις συνοδεύονται από κίνηση σωματιδίων. Για παράδειγμα, με τη συμμετοχή ηλεκτρονίων, ορισμένα άτομα θα βιώσουν την ανεπάρκειά τους, ενώ άλλα θα εμφανίσουν περίσσεια. Σε αυτή την περίπτωση, οι ουσίες έχουν αντίθετα φορτία. Εάν συμβεί η επαφή τους, τότε τα ηλεκτρόνια από το ένα θα τείνουν να πάνε στο άλλο.
Μια τέτοια φυσική φύση στοιχειωδών σωματιδίων εξηγεί την ουσία του ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτή η κατευθυντική κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων θα συνεχιστεί μέχρι να εξισωθούν οι τιμές. Σε αυτή την περίπτωση, η αντίδραση των αλλαγών είναι μια αλυσίδα. Με άλλα λόγια, αντί για το ηλεκτρόνιο που έφυγε, στη θέση του έρχεται ένα άλλο. Σωματίδια του γειτονικού ατόμου χρησιμοποιούνται για αντικατάσταση. Αλλά και η αλυσίδα δεν τελειώνει εκεί. Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί επίσης να έρθει στο ακραίο άτομο, για παράδειγμα, από τον αρνητικό πόλο της πηγής του ρέοντος ρεύματος.
Ένα παράδειγμα τέτοιας κατάστασης είναι μια μπαταρία. Από την αρνητική πλευρά του αγωγού, τα ηλεκτρόνια μετακινούνται στον θετικό πόλο της πηγής. Όταν τελειώσουν όλα τα σωματίδια στο αρνητικά μολυσμένο συστατικό, το ρεύμα σταματά. Σε αυτή την περίπτωση, η μπαταρία λέγεται ότι είναι νεκρή. Ποια είναι η ταχύτητα της κατευθυνόμενης κίνησης των φορτισμένων σωματιδίων που κινούνται με αυτόν τον τρόπο; Η απάντηση σε αυτήν την ερώτηση δεν είναι τόσο εύκολη όσο μπορεί να φαίνεται με την πρώτη ματιά.
Ο ρόλος του άγχους
Σε τι χρησιμοποιείται αυτή η έννοια; Η τάση είναι ένα χαρακτηριστικό ενός ηλεκτρικού πεδίου, το οποίο είναι η διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο σημείων που βρίσκονται μέσα σε αυτό. Σε πολλούς, αυτό μπορεί να φαίνεται μπερδεμένο. Όταν πρόκειται για την κατευθυνόμενη (διατεταγμένη) κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων, τότε πρέπει να κατανοήσετε την τάση.
Ας φανταστούμε ότι έχουμε έναν απλό αγωγό. Αυτό μπορεί να είναι ένα σύρμα κατασκευασμένο από μέταλλο, όπως χαλκό ή αλουμίνιο. Στην περίπτωσή μας, αυτό δεν είναι τόσο σημαντικό. Η μάζα ενός ηλεκτρονίου είναι 9,10938215(45)×10-31kg. Αυτό σημαίνει ότι είναι αρκετά υλικό. Αλλά το μέταλλο του αγωγού είναι συμπαγές. Πώς, λοιπόν, μπορούν τα ηλεκτρόνια να ρέουν μέσα από αυτό;
Γιατί μπορεί να υπάρχει ρεύμα στα μεταλλικά προϊόντα
Ας στραφούμε στα βασικά της χημείας, που ο καθένας μας είχε την ευκαιρία να μάθει στο σχολείο. Εάν ο αριθμός των ηλεκτρονίων στην ουσία είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων, τότε διασφαλίζεται η ουδετερότητα του στοιχείου. Με βάση τον περιοδικό νόμο του Mendeleev, καθορίζεται ποια ουσία πρέπει να αντιμετωπιστεί. Εξαρτάται από τον αριθμό των πρωτονίων και των νετρονίων. Είναι αδύνατο να αγνοήσουμε τη μεγάλη διαφορά μεταξύ των μαζών του πυρήνα και των ηλεκτρονίων. Εάν αφαιρεθούν, τότε το βάρος του ατόμου θα παραμείνει πρακτικά αμετάβλητο.
Για παράδειγμα, η μάζα ενός πρωτονίου είναι περίπου 1836 μεγαλύτερη από την τιμή ενός ηλεκτρονίου. Αλλά αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια είναι πολύ σημαντικά, γιατί μπορούν εύκολα να αφήσουν κάποια άτομα και να ενωθούν με άλλα. Ταυτόχρονα, μείωση ή αύξηση του αριθμού τους οδηγεί σενα αλλάξει το φορτίο του ατόμου. Αν θεωρήσουμε ένα μεμονωμένο άτομο, τότε ο αριθμός των ηλεκτρονίων του θα είναι πάντα μεταβλητός. Συνεχώς φεύγουν και επιστρέφουν. Αυτό οφείλεται σε θερμική κίνηση και απώλεια ενέργειας.
Χημική ειδικότητα ενός φυσικού φαινομένου
Όταν υπάρχει μια κατευθυνόμενη κίνηση ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων, δεν χάνεται η ατομική μάζα; Αλλάζει η σύνθεση του αγωγού; Αυτή είναι μια πολύ σημαντική παρανόηση που μπερδεύει πολλούς. Η απάντηση σε αυτή την περίπτωση είναι μόνο αρνητική. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα χημικά στοιχεία δεν καθορίζονται από την ατομική τους μάζα, αλλά από τον αριθμό των πρωτονίων που βρίσκονται στον πυρήνα. Η παρουσία ή απουσία ηλεκτρονίων/νετρονίων δεν παίζει ρόλο σε αυτή την περίπτωση. Στην πράξη, μοιάζει με αυτό:
- Προσθήκη ή αφαίρεση ηλεκτρονίων. Αποδεικνύεται ένα ιόν.
- Προσθήκη ή αφαίρεση νετρονίων. Αποδεικνύεται ισότοπο.
Το χημικό στοιχείο δεν αλλάζει. Αλλά με τα πρωτόνια, η κατάσταση είναι διαφορετική. Αν είναι μόνο ένα, τότε έχουμε υδρογόνο. Δύο πρωτόνια - και μιλάμε για ήλιο. Τα τρία σωματίδια είναι λίθιο. Και τα λοιπά. Όσοι ενδιαφέρονται για τη συνέχεια μπορούν να κοιτάξουν τον περιοδικό πίνακα. Θυμηθείτε: παρόλο που ένα ρεύμα διέρχεται από έναν αγωγό χίλιες φορές, η χημική του σύσταση δεν θα αλλάξει. Αλλά ίσως διαφορετικά.
Ηλεκτρολύτες και άλλα ενδιαφέροντα σημεία
Η ιδιαιτερότητα των ηλεκτρολυτών είναι ότι η χημική τους σύνθεση αλλάζει. Στη συνέχεια, υπό την επίδραση του ρεύματος,ηλεκτρολυτικά στοιχεία. Όταν εξαντληθεί το δυναμικό τους, η κατευθυνόμενη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων θα σταματήσει. Αυτή η κατάσταση οφείλεται στο γεγονός ότι οι φορείς φορτίου στους ηλεκτρολύτες είναι ιόντα.
Επιπλέον, υπάρχουν χημικά στοιχεία χωρίς καθόλου ηλεκτρόνια. Ένα παράδειγμα θα ήταν:
- Ατομικό κοσμικό υδρογόνο.
- Όλες οι ουσίες που βρίσκονται στην κατάσταση του πλάσματος.
- Αέρια στην ανώτερη ατμόσφαιρα (όχι μόνο η Γη, αλλά και άλλοι πλανήτες όπου υπάρχουν αέριες μάζες).
- Περιεχόμενα επιταχυντών και επιταχυντών.
Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού ρεύματος, ορισμένες χημικές ουσίες μπορεί κυριολεκτικά να θρυμματιστούν. Ένα πολύ γνωστό παράδειγμα είναι μια ασφάλεια. Πώς φαίνεται σε μικρο επίπεδο; Τα κινούμενα ηλεκτρόνια σπρώχνουν τα άτομα στην πορεία τους. Εάν το ρεύμα είναι πολύ ισχυρό, τότε το κρυσταλλικό πλέγμα του αγωγού δεν αντέχει και καταστρέφεται και η ουσία λιώνει.
Επιστροφή στην ταχύτητα
Νωρίτερα, αυτό το σημείο θίχτηκε επιφανειακά. Τώρα ας το δούμε πιο προσεκτικά. Πρέπει να σημειωθεί ότι η έννοια της ταχύτητας κατευθυνόμενης κίνησης των φορτισμένων σωματιδίων με τη μορφή ηλεκτρικού ρεύματος δεν υπάρχει. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι διαφορετικές τιμές είναι αλληλένδετες. Έτσι, ένα ηλεκτρικό πεδίο διαδίδεται μέσω ενός αγωγού με ταχύτητα που είναι κοντά στην κίνηση του φωτός, δηλαδή περίπου 300.000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο.
Υπό την επιρροή του, όλα τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να κινούνται. Αλλά η ταχύτητά τουςπολύ μικρό. Είναι περίπου 0,007 χιλιοστά ανά δευτερόλεπτο. Ταυτόχρονα, σπεύδουν επίσης τυχαία σε θερμική κίνηση. Στην περίπτωση των πρωτονίων και των νετρονίων, η κατάσταση είναι διαφορετική. Είναι πολύ μεγάλα για να τους συμβούν τα ίδια γεγονότα. Κατά κανόνα, δεν είναι απαραίτητο να μιλάμε για την ταχύτητά τους τόσο κοντά στην τιμή του φωτός.
Φυσικές παράμετροι
Τώρα ας δούμε ποια είναι η κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων σε ένα ηλεκτρικό πεδίο από φυσική άποψη. Για να το κάνουμε αυτό, ας φανταστούμε ότι έχουμε ένα χάρτινο κουτί που χωράει 12 μπουκάλια ανθρακούχου ποτού. Παράλληλα, επιχειρείται να τοποθετηθεί κι άλλο κοντέινερ εκεί. Ας υποθέσουμε ότι πέτυχε. Αλλά το κουτί μετά βίας επέζησε. Όταν προσπαθείτε να βάλετε ένα άλλο μπουκάλι, σπάει και πέφτουν όλα τα δοχεία.
Το εν λόγω κουτί μπορεί να συγκριθεί με τη διατομή ενός αγωγού. Όσο υψηλότερη είναι αυτή η παράμετρος (παχύτερο καλώδιο), τόσο περισσότερο ρεύμα μπορεί να παρέχει. Αυτό καθορίζει τον όγκο που μπορεί να έχει η κατευθυνόμενη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων. Στην περίπτωσή μας, ένα κουτί που περιέχει από ένα έως δώδεκα μπουκάλια μπορεί εύκολα να εκπληρώσει τον προορισμό του (δεν θα σκάσει). Κατ' αναλογία, μπορούμε να πούμε ότι ο αγωγός δεν θα καεί.
Εάν υπερβείτε την υποδεικνυόμενη τιμή, το αντικείμενο θα αποτύχει. Στην περίπτωση ενός αγωγού, η αντίσταση θα μπει στο παιχνίδι. Ο νόμος του Ohm περιγράφει πολύ καλά την κατευθυνόμενη κίνηση των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων.
Σχέση μεταξύ διαφορετικών φυσικών παραμέτρων
Ανά κουτίαπό το παράδειγμά μας, μπορείτε να βάλετε ένα ακόμη. Σε αυτήν την περίπτωση, δεν μπορούν να τοποθετηθούν 12, αλλά έως και 24 φιάλες ανά μονάδα επιφάνειας. Προσθέτουμε ένα ακόμη - και υπάρχουν τριάντα έξι από αυτά. Ένα από τα κουτιά μπορεί να θεωρηθεί ως φυσική μονάδα, ανάλογη με την τάση.
Όσο πιο φαρδύ είναι (μειώνοντας έτσι την αντίσταση), τόσο περισσότερα μπουκάλια (που στο παράδειγμά μας αντικαθιστούν το ρεύμα) μπορούν να τοποθετηθούν. Αυξάνοντας τη στοίβα των κουτιών, μπορείτε να τοποθετήσετε επιπλέον δοχεία ανά μονάδα επιφάνειας. Σε αυτή την περίπτωση, η ισχύς αυξάνεται. Αυτό δεν καταστρέφει το κουτί (αγωγό). Ακολουθεί μια περίληψη αυτής της αναλογίας:
- Ο συνολικός αριθμός φιαλών αυξάνει την ισχύ.
- Ο αριθμός των δοχείων στο πλαίσιο υποδεικνύει την τρέχουσα ισχύ.
- Ο αριθμός των κουτιών σε ύψος σάς επιτρέπει να κρίνετε την τάση.
- Το πλάτος του κουτιού δίνει μια ιδέα της αντίστασης.
Πιθανοί κίνδυνοι
Έχουμε ήδη συζητήσει ότι η κατευθυνόμενη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων ονομάζεται ρεύμα. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι αυτό το φαινόμενο μπορεί να είναι επικίνδυνο για την ανθρώπινη υγεία, ακόμη και τη ζωή. Ακολουθεί μια περίληψη των ιδιοτήτων του ηλεκτρικού ρεύματος:
- Παρέχει θέρμανση του αγωγού μέσω του οποίου ρέει. Εάν το οικιακό ηλεκτρικό δίκτυο υπερφορτωθεί, τότε η μόνωση σταδιακά θα απανθρακωθεί και θα καταρρεύσει. Ως αποτέλεσμα, υπάρχει πιθανότητα βραχυκυκλώματος, το οποίο είναι πολύ επικίνδυνο.
- Το ηλεκτρικό ρεύμα, όταν ρέει μέσα από οικιακές συσκευές και καλώδια, συναντάαντοχή των στοιχείων που σχηματίζουν υλικά. Επομένως, επιλέγει τη διαδρομή που έχει την ελάχιστη τιμή για αυτήν την παράμετρο.
- Εάν συμβεί βραχυκύκλωμα, η ισχύς του ρεύματος αυξάνεται απότομα. Αυτό απελευθερώνει σημαντική ποσότητα θερμότητας. Μπορεί να λιώσει μέταλλο.
- Μπορεί να προκύψει βραχυκύκλωμα λόγω εισόδου υγρασίας. Στις περιπτώσεις που συζητήθηκαν προηγουμένως, τα κοντινά αντικείμενα ανάβουν, αλλά σε αυτήν την περίπτωση, οι άνθρωποι πάντα υποφέρουν.
- Η ηλεκτροπληξία εγκυμονεί σημαντικό κίνδυνο. Είναι πολύ πιθανό ακόμη και θανατηφόρο. Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διαρρέει το ανθρώπινο σώμα, η αντίσταση των ιστών μειώνεται σημαντικά. Αρχίζουν να ζεσταίνονται. Σε αυτή την περίπτωση, τα κύτταρα καταστρέφονται και οι νευρικές απολήξεις πεθαίνουν.
Ζητήματα Ασφαλείας
Για να αποφύγετε την έκθεση σε ηλεκτρικό ρεύμα, πρέπει να χρησιμοποιείτε ειδικό προστατευτικό εξοπλισμό. Οι εργασίες θα πρέπει να εκτελούνται με λαστιχένια γάντια χρησιμοποιώντας ένα στρώμα από το ίδιο υλικό, ράβδους εκκένωσης, καθώς και συσκευές γείωσης για χώρους εργασίας και εξοπλισμό.
Οι διακόπτες κυκλώματος με διάφορες προστασίες έχουν αποδειχθεί καλοί ως συσκευή που μπορεί να σώσει τη ζωή ενός ατόμου.
Επίσης, δεν πρέπει να ξεχνάμε τις βασικές προφυλάξεις ασφαλείας κατά την εργασία. Εάν εκδηλωθεί πυρκαγιά με ηλεκτρικό εξοπλισμό, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο πυροσβεστήρες διοξειδίου του άνθρακα και σκόνης. Τα τελευταία δείχνουν το καλύτερο αποτέλεσμα στην καταπολέμηση της φωτιάς, αλλά ο εξοπλισμός που καλύπτεται με σκόνη δεν μπορεί πάντα να αποκατασταθεί.
Συμπέρασμα
Χρησιμοποιώντας παραδείγματα κατανοητά σε κάθε αναγνώστη, ανακαλύψαμε ότι η διατεταγμένη κατευθυνόμενη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό είναι ένα πολύ ενδιαφέρον φαινόμενο, σημαντικό από τις θέσεις τόσο της φυσικής όσο και της χημείας. Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι ένας ακούραστος βοηθός του ανθρώπου. Ωστόσο, πρέπει να αντιμετωπίζεται με προσοχή. Το άρθρο συζητά ζητήματα ασφάλειας στα οποία πρέπει να δοθεί προσοχή εάν δεν υπάρχει επιθυμία να πεθάνετε.
