Η φυσική του ηλεκτρισμού είναι κάτι που πρέπει να αντιμετωπίσει ο καθένας μας. Στο άρθρο θα εξετάσουμε τις βασικές έννοιες που σχετίζονται με αυτό.
Τι είναι η ηλεκτρική ενέργεια; Για έναν αμύητο, συνδέεται με μια αστραπή ή με την ενέργεια που τροφοδοτεί την τηλεόραση και το πλυντήριο. Γνωρίζει ότι τα ηλεκτρικά τρένα χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια. Τι άλλο να πει; Οι γραμμές ηλεκτρικού ρεύματος του θυμίζουν την εξάρτησή μας από την ηλεκτρική ενέργεια. Κάποιος μπορεί να δώσει μερικά άλλα παραδείγματα.
Ωστόσο, πολλά άλλα, όχι τόσο εμφανή, αλλά καθημερινά φαινόμενα συνδέονται με τον ηλεκτρισμό. Η Φυσική μας συστήνει όλους αυτούς. Αρχίζουμε να μελετάμε ηλεκτρισμό (καθήκοντα, ορισμοί και τύποι) στο σχολείο. Και μαθαίνουμε πολλά ενδιαφέροντα πράγματα. Αποδεικνύεται ότι μια καρδιά που χτυπά, ένας αθλητής που τρέχει, ένα μωρό που κοιμάται και ένα ψάρι που κολυμπά όλα παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.
Ηλεκτρόνια και πρωτόνια
Ας ορίσουμε τις βασικές έννοιες. Από την άποψη ενός επιστήμονα, η φυσική του ηλεκτρισμού συνδέεται με την κίνηση των ηλεκτρονίων και άλλων φορτισμένων σωματιδίων σε διάφορες ουσίες. Ως εκ τούτου, η επιστημονική κατανόηση της φύσης του φαινομένου που μας ενδιαφέρει εξαρτάται από το επίπεδο γνώσης για τα άτομα και τα υποατομικά σωματίδια που τα αποτελούν. Το μικροσκοπικό ηλεκτρόνιο είναι το κλειδί για αυτήν την κατανόηση. Τα άτομα οποιασδήποτε ουσίας περιέχουν ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια που κινούνται σε διάφορες τροχιές γύρω από τον πυρήνα, όπως ακριβώς οι πλανήτες περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο. Συνήθως ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων στον πυρήνα. Ωστόσο, τα πρωτόνια, που είναι πολύ βαρύτερα από τα ηλεκτρόνια, μπορούν να θεωρηθούν σαν να είναι σταθερά στο κέντρο του ατόμου. Αυτό το εξαιρετικά απλοποιημένο μοντέλο του ατόμου είναι αρκετό για να εξηγήσει τα βασικά ενός φαινομένου όπως η φυσική του ηλεκτρισμού.
Τι άλλο πρέπει να γνωρίζετε; Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια έχουν το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο (αλλά διαφορετικό πρόσημο), επομένως έλκονται το ένα από το άλλο. Το φορτίο ενός πρωτονίου είναι θετικό και αυτό ενός ηλεκτρονίου είναι αρνητικό. Ένα άτομο που έχει περισσότερα ή λιγότερα ηλεκτρόνια από το συνηθισμένο ονομάζεται ιόν. Εάν δεν υπάρχουν αρκετά από αυτά σε ένα άτομο, τότε ονομάζεται θετικό ιόν. Αν περιέχει περίσσεια από αυτά, τότε ονομάζεται αρνητικό ιόν.
Όταν ένα ηλεκτρόνιο φεύγει από ένα άτομο, αποκτά κάποιο θετικό φορτίο. Ένα ηλεκτρόνιο, που στερείται το αντίθετό του - ένα πρωτόνιο, είτε μετακινείται σε άλλο άτομο, είτε επιστρέφει στο προηγούμενο.
Γιατί τα ηλεκτρόνια αφήνουν τα άτομα;
Αυτό οφείλεται σε διάφορους λόγους. Το πιο γενικό είναι ότι υπό την επίδραση ενός παλμού φωτός ή κάποιου εξωτερικού ηλεκτρονίου, ένα ηλεκτρόνιο που κινείται σε ένα άτομο μπορεί να εκτιναχτεί από την τροχιά του. Η θερμότητα κάνει τα άτομα να δονούνται πιο γρήγορα. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να πετάξουν έξω από το άτομό τους. Στις χημικές αντιδράσεις μετακινούνται επίσης από άτομο σε άτομοάτομο.
Ένα καλό παράδειγμα της σχέσης μεταξύ χημικής και ηλεκτρικής δραστηριότητας παρέχεται από τους μύες μας. Οι ίνες τους συστέλλονται όταν εκτίθενται σε ηλεκτρικό σήμα από το νευρικό σύστημα. Το ηλεκτρικό ρεύμα διεγείρει χημικές αντιδράσεις. Οδηγούν σε συστολή των μυών. Τα εξωτερικά ηλεκτρικά σήματα χρησιμοποιούνται συχνά για την τεχνητή διέγερση της μυϊκής δραστηριότητας.
Αγωγιμότητα
Σε ορισμένες ουσίες, τα ηλεκτρόνια υπό τη δράση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου κινούνται πιο ελεύθερα από ό,τι σε άλλες. Τέτοιες ουσίες λέγεται ότι έχουν καλή αγωγιμότητα. Ονομάζονται αγωγοί. Αυτά περιλαμβάνουν τα περισσότερα μέταλλα, θερμαινόμενα αέρια και ορισμένα υγρά. Ο αέρας, το καουτσούκ, το λάδι, το πολυαιθυλένιο και το γυαλί είναι κακοί αγωγοί του ηλεκτρισμού. Ονομάζονται διηλεκτρικά και χρησιμοποιούνται για τη μόνωση καλών αγωγών. Ιδανικοί μονωτές (απολύτως μη αγώγιμοι) δεν υπάρχουν. Κάτω από ορισμένες συνθήκες, τα ηλεκτρόνια μπορούν να αφαιρεθούν από οποιοδήποτε άτομο. Ωστόσο, αυτές οι συνθήκες είναι συνήθως τόσο δύσκολο να πληρούνται που, από πρακτική άποψη, τέτοιες ουσίες μπορούν να θεωρηθούν μη αγώγιμες.
Γνωριμία με μια τέτοια επιστήμη όπως η φυσική (ενότητα "Ηλεκτρισμός"), μαθαίνουμε ότι υπάρχει μια ειδική ομάδα ουσιών. Αυτοί είναι ημιαγωγοί. Συμπεριφέρονται εν μέρει ως διηλεκτρικά και εν μέρει ως αγωγοί. Αυτά περιλαμβάνουν, ειδικότερα: γερμάνιο, πυρίτιο, οξείδιο του χαλκού. Λόγω των ιδιοτήτων του, ο ημιαγωγός βρίσκει πολλές εφαρμογές. Για παράδειγμα, μπορεί να χρησιμεύσει ως ηλεκτρική βαλβίδα: όπως μια βαλβίδα ελαστικού ποδηλάτου, είναιεπιτρέπει στα φορτία να κινούνται προς μία μόνο κατεύθυνση. Τέτοιες συσκευές ονομάζονται ανορθωτές. Χρησιμοποιούνται σε μικροσκοπικά ραδιόφωνα καθώς και σε μεγάλους σταθμούς παραγωγής ενέργειας για τη μετατροπή AC σε DC.
Η θερμότητα είναι μια χαοτική μορφή κίνησης μορίων ή ατόμων και η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της έντασης αυτής της κίνησης (στα περισσότερα μέταλλα, με τη μείωση της θερμοκρασίας, η κίνηση των ηλεκτρονίων γίνεται πιο ελεύθερη). Αυτό σημαίνει ότι η αντίσταση στην ελεύθερη κίνηση των ηλεκτρονίων μειώνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας. Με άλλα λόγια, η αγωγιμότητα των μετάλλων αυξάνεται.
Υπεραγωγιμότητα
Σε ορισμένες ουσίες σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, η αντίσταση στη ροή των ηλεκτρονίων εξαφανίζεται εντελώς και τα ηλεκτρόνια, έχοντας αρχίσει να κινούνται, τη συνεχίζουν επ' αόριστον. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται υπεραγωγιμότητα. Σε θερμοκρασίες λίγους βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν (-273 °C), παρατηρείται σε μέταλλα όπως ο κασσίτερος, ο μόλυβδος, το αλουμίνιο και το νιόβιο.
Γεννήτριες Van de Graaff
Το σχολικό πρόγραμμα περιλαμβάνει διάφορα πειράματα με τον ηλεκτρισμό. Υπάρχουν πολλοί τύποι γεννητριών, ένας από τους οποίους θα θέλαμε να μιλήσουμε με περισσότερες λεπτομέρειες. Η γεννήτρια Van de Graaff χρησιμοποιείται για την παραγωγή εξαιρετικά υψηλών τάσεων. Εάν ένα αντικείμενο που περιέχει περίσσεια θετικών ιόντων τοποθετηθεί μέσα σε ένα δοχείο, τότε θα εμφανιστούν ηλεκτρόνια στην εσωτερική επιφάνεια του τελευταίου και ο ίδιος αριθμός θετικών ιόντων θα εμφανιστεί στην εξωτερική επιφάνεια. Αν τώρα αγγίξουμε την εσωτερική επιφάνεια με ένα φορτισμένο αντικείμενο, τότε όλα τα ελεύθερα ηλεκτρόνια θα περάσουν σε αυτήν. Στην έξω πλευράτα θετικά φορτία θα παραμείνουν.
Σε μια γεννήτρια Van de Graaff, θετικά ιόντα από μια πηγή εφαρμόζονται σε έναν ιμάντα μεταφοράς μέσα σε μια μεταλλική σφαίρα. Η ταινία συνδέεται με την εσωτερική επιφάνεια της σφαίρας με τη βοήθεια ενός αγωγού σε μορφή χτένας. Τα ηλεκτρόνια ρέουν προς τα κάτω από την εσωτερική επιφάνεια της σφαίρας. Στην εξωτερική του πλευρά εμφανίζονται θετικά ιόντα. Το αποτέλεσμα μπορεί να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας δύο γεννήτριες.
Ηλεκτρικό ρεύμα
Το μάθημα της σχολικής φυσικής περιλαμβάνει επίσης κάτι όπως το ηλεκτρικό ρεύμα. Τι είναι αυτό? Το ηλεκτρικό ρεύμα οφείλεται στην κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων. Όταν ένας ηλεκτρικός λαμπτήρας που είναι συνδεδεμένος με μια μπαταρία είναι ενεργοποιημένος, το ρεύμα ρέει μέσω ενός καλωδίου από τον έναν πόλο της μπαταρίας στη λάμπα, μετά μέσα από τα μαλλιά της, προκαλώντας τη λάμψη της και πίσω μέσω του δεύτερου καλωδίου στον άλλο πόλο της μπαταρίας. Εάν ο διακόπτης γυρίσει, το κύκλωμα θα ανοίξει - η ροή του ρεύματος θα σταματήσει και η λάμπα θα σβήσει.
Κίνηση ηλεκτρονίων
Το ρεύμα στις περισσότερες περιπτώσεις είναι μια διατεταγμένη κίνηση ηλεκτρονίων σε ένα μέταλλο που χρησιμεύει ως αγωγός. Σε όλους τους αγωγούς και σε ορισμένες άλλες ουσίες υπάρχει πάντα κάποια τυχαία κίνηση, ακόμα κι αν δεν ρέει ρεύμα. Τα ηλεκτρόνια στην ύλη μπορεί να είναι σχετικά ελεύθερα ή έντονα δεσμευμένα. Οι καλοί αγωγοί έχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια που μπορούν να κινηθούν. Αλλά σε κακούς αγωγούς ή μονωτές, τα περισσότερα από αυτά τα σωματίδια συνδέονται αρκετά ισχυρά με άτομα, γεγονός που εμποδίζει την κίνησή τους.
Μερικές φορές η κίνηση των ηλεκτρονίων προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση δημιουργείται φυσικά ή τεχνητά σε έναν αγωγό. Αυτή η ροή ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα. Μετριέται σε αμπέρ (Α). Τα ιόντα (σε αέρια ή διαλύματα) και οι «οπές» (έλλειψη ηλεκτρονίων σε ορισμένους τύπους ημιαγωγών) μπορούν επίσης να χρησιμεύσουν ως φορείς ρεύματος. Οι τελευταίοι συμπεριφέρονται σαν θετικά φορτισμένοι φορείς ηλεκτρικού ρεύματος. Απαιτείται κάποια δύναμη για να κινηθούν τα ηλεκτρόνια προς μία κατεύθυνση ή Στη φύση οι πηγές του μπορεί να είναι: έκθεση στο ηλιακό φως, μαγνητικές επιδράσεις και χημικές αντιδράσεις. Μερικά από αυτά χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Συνήθως για το σκοπό αυτό είναι: μια γεννήτρια που χρησιμοποιεί μαγνητικά εφέ και μια κυψέλη (μπαταρία) της οποίας η δράση οφείλεται σε χημικές αντιδράσεις. Και οι δύο συσκευές, δημιουργώντας μια ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF), αναγκάζουν τα ηλεκτρόνια να κινούνται προς μία κατεύθυνση μέσω του κυκλώματος. Η τιμή EMF μετράται σε βολτ (V). Αυτές είναι οι βασικές μονάδες ηλεκτρικής ενέργειας.
Το μέγεθος του EMF και η ισχύς του ρεύματος είναι αλληλένδετα, όπως η πίεση και η ροή σε ένα υγρό. Οι σωλήνες νερού γεμίζουν πάντα με νερό σε μια συγκεκριμένη πίεση, αλλά το νερό αρχίζει να ρέει μόνο όταν ανοίξει η βρύση.
Ομοίως, ένα ηλεκτρικό κύκλωμα μπορεί να συνδεθεί σε μια πηγή EMF, αλλά το ρεύμα δεν θα ρέει σε αυτό μέχρι να δημιουργηθεί μια διαδρομή για την κίνηση των ηλεκτρονίων. Μπορεί να είναι, ας πούμε, μια ηλεκτρική λάμπα ή μια ηλεκτρική σκούπα, ο διακόπτης εδώ παίζει το ρόλο μιας βρύσης που «απελευθερώνει» ρεύμα.
Η σχέση μεταξύ ρεύματος καιτάση
Καθώς αυξάνεται η τάση στο κύκλωμα, αυξάνεται και το ρεύμα. Μελετώντας ένα μάθημα φυσικής, μαθαίνουμε ότι τα ηλεκτρικά κυκλώματα αποτελούνται από πολλά διαφορετικά τμήματα: συνήθως έναν διακόπτη, αγωγούς και μια συσκευή που καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια. Όλα αυτά, συνδεδεμένα μεταξύ τους, δημιουργούν μια αντίσταση στο ηλεκτρικό ρεύμα, η οποία (υποθέτοντας σταθερή θερμοκρασία) για αυτά τα εξαρτήματα δεν αλλάζει με το χρόνο, αλλά είναι διαφορετική για καθένα από αυτά. Επομένως, εάν εφαρμόζεται η ίδια τάση σε έναν λαμπτήρα και σε ένα σίδερο, τότε η ροή των ηλεκτρονίων σε καθεμία από τις συσκευές θα είναι διαφορετική, αφού οι αντιστάσεις τους είναι διαφορετικές. Επομένως, η ισχύς του ρεύματος που διαρρέει ένα συγκεκριμένο τμήμα του κυκλώματος καθορίζεται όχι μόνο από την τάση, αλλά και από την αντίσταση των αγωγών και των συσκευών.
Νόμος του Ohm
Η τιμή της ηλεκτρικής αντίστασης μετριέται σε ohms (Ohm) σε μια επιστήμη όπως η φυσική. Ο ηλεκτρισμός (τύποι, ορισμοί, πειράματα) είναι ένα τεράστιο θέμα. Δεν θα βγάλουμε σύνθετους τύπους. Για την πρώτη γνωριμία με το θέμα αρκούν όσα ειπώθηκαν παραπάνω. Ωστόσο, αξίζει να εξαχθεί ένας τύπος. Είναι αρκετά ακομπλεξάριστη. Για οποιονδήποτε αγωγό ή σύστημα αγωγών και συσκευών, η σχέση μεταξύ τάσης, ρεύματος και αντίστασης δίνεται από τον τύπο: τάση=ρεύμα x αντίσταση. Αυτή είναι η μαθηματική έκφραση του νόμου του Ohm, που πήρε το όνομά του από τον George Ohm (1787-1854), ο οποίος πρώτος καθιέρωσε τη σχέση μεταξύ αυτών των τριών παραμέτρων.
Η φυσική του ηλεκτρισμού είναι ένας πολύ ενδιαφέρον κλάδος της επιστήμης. Εξετάσαμε μόνο τις βασικές έννοιες που σχετίζονται με αυτό. Το ήξερεςΤι είναι η ηλεκτρική ενέργεια και πώς παράγεται; Ελπίζουμε να σας φανούν χρήσιμες αυτές οι πληροφορίες.
