Fizika električne energije: definicija, eksperimenti, mjerna jedinica

Fizika električne energije je ono što se svatko od nas suočava. U članku ćemo razmotriti osnovne pojmove povezane s njom.

Što je struja? Za neznanstvenu osobu povezana je s bljeskom munje ili s energijom koja hrani TV i perilicu rublja. Zna da električni vlakovi koriste električnu energiju. Što još može reći? O našoj ovisnosti o električnoj energiji podsjeća na vodove. Netko će moći dati još nekoliko primjera.

Međutim, mnogi drugi, ne tako očiti, ali svakodnevni fenomeni povezani su sa strujom. S njima smo uveli fiziku. Struja (zadatke, definicije i formule) počinjemo učiti u školi. I naučimo mnogo zanimljivih stvari. Ispada da srce premlaćivanje, trčanje sportaš, spava dijete i plutajuća riba - svi proizvode električnu energiju.

Elektroni i protoni

Definiramo osnovne pojmove. S gledišta znanstvenika, fizika električne energije povezana je s kretanjem elektrona i drugih nabijenih čestica u raznim supstancama. Dakle, znanstveni razumijevanje prirode fenomena od interesa za nas ovisi o razini znanja o atomima i sastavnim subatomskim česticama. Ključ ovog razumijevanja je sitni elektron. Atomi bilo koje tvari sadrže jedan ili više elektrona koji se kreću u različitim orbitama oko jezgre baš kao što se planeti vrte oko Sunca. Obično je broj elektrona u atomu jednak broju protona u jezgri. Međutim, protoni, koji su mnogo teži od elektrona, mogu se smatrati fiksiranima u središtu atoma. Ovaj ekstremno pojednostavljeni model atoma dovoljno je da objasni osnove takvog fenomena kao i fizika električne energije.

Što još moram znati? Elektroni i protoni imaju istu električnu naboj (ali različit znak) pa su privučeni jedni drugima. Proton naboj je pozitivan, a napunjen elektron je negativan. Atom koji ima više ili manje elektrona nego obično zove se ion. Ako ih nema u atomu, naziva se pozitivni ion. Ako sadrži svoj višak, naziva se negativni ion.

Kada elektron napusti atom, dobiva određenu pozitivnu naboj. Elektron, bez suprotnosti - proton, ili se kreće na drugi atom ili se vraća na prvu.

Zašto elektroni napuštaju atome?

Postoji nekoliko razloga za to. Najčešći je taj da se pod djelovanjem svjetlosnog impulsa ili nekog vanjskog elektrona, elektron koji se kreće u atomu može izroniti iz orbite. Toplina uzrokuje da atomi brže osciliraju. To znači da elektroni mogu letjeti iz njihovog atoma. U kemijskim reakcijama oni se također kreću od atoma do atoma.

Dobar primjer odnosa kemijske i električne aktivnosti daje mišić. Njihova vlakna se smanjuju djelovanjem električnog signala koji dolazi iz živčanog sustava. Električna struja stimulira kemijske reakcije. To je ono što dovodi do kontrakcije mišića. Vanjski električni signali se često koriste za umjetno stimuliranje aktivnosti mišića.

provodljivost

U nekim tvarima, elektroni pod djelovanjem vanjskog električnog polja kreću se slobodnije nego u drugima. Kaže se da takve tvari imaju dobru vodljivost. Pozvani su kao dirigenti. To uključuje većinu metala, zagrijanih plinova i nekih tekućina. Zrak, guma, ulje, polietilen i staklo ne provode dobro struju. Pozvani su dielektrikama i koriste se za izolaciju dobrih vodiča. Idealni izolatori (apsolutno nedjelujuća struja) ne postoje. Pod određenim uvjetima elektroni se mogu ukloniti iz bilo kojeg atoma. Međutim, obično su takvi uvjeti tako teško ispuniti s praktičnog stajališta, te se tvari mogu smatrati ne-vodljivima.

Upoznavanje takve znanosti kao fizike (poglavlje "Elektricitet"), saznajemo da postoji posebna skupina tvari. To su poluvodiči. Djeluju djelomično kao dielektrici, a djelomično i kao dirigenti. To uključuje, posebno, germanium, silicij, bakreni oksid. Zbog svojih svojstava poluvodič pronalazi mnoge aplikacije. Na primjer, može poslužiti kao električni ventil: poput gumenog ventila za bicikle, dopušta da se troškovi premjeste samo u jednom smjeru. Takvi uređaji nazivaju se ispravljači. Koriste se u minijaturnim radio prijamnicima, a kod velikih elektrana pretvaraju AC u DC.

Toplina je kaotičan oblik gibanja molekula ili atoma, a temperatura je mjera intenziteta ovog kretanja (za većinu metala sa smanjenom temperaturom, kretanje elektrona postaje slobodnije). To znači da se otpornost na slobodno kretanje elektrona smanjuje s padom temperature. Drugim riječima, povećava se vodljivost metala.

superprovodljivost

U nekim tvarima, pri vrlo niskim temperaturama, otpornost na strujanje elektrona nestaje u potpunosti, a elektroni, nakon pokretanja gibanja, nastavljaju neograničeno. Taj fenomen se zove supravodljivost. Na temperaturi nekoliko stupnjeva iznad apsolutne nule (-273 ° C), opaža se u metalima poput kositra, olova, aluminija i niobija.

Generatori Van de Graaf

Školski kurikulum uključuje različite eksperimente s električnom energijom. Postoji nekoliko vrsta generatora, od kojih jedan želimo detaljnije reći. Van de Graaf generator koristi se za stvaranje ultrazvučnih napona. Ako se objekt koji sadrži višak pozitivnih iona nalazi unutar spremnika, tada će na unutarnjoj površini potonje pojaviti elektrone, a izvana - isti broj pozitivnih iona. Ako sada dotaknemo unutrašnju površinu napunjenog objekta, tada će svi slobodni elektroni proći. Izvana, međutim, ostaju pozitivne optužbe.

U generatoru Van de Graaf, pozitivni ioni iz izvora primjenjuju se na transportnu traku koja prolazi unutar metalne sfere. Traka je povezana s unutarnjom površinom kugle pomoću vodiča u obliku češlja. Elektroni izlučuju iz unutarnje površine kugle. Na vanjskoj strani se pojavljuju pozitivni ioni. Učinak se može poboljšati pomoću dva generatora.

Električna struja

U školskoj fizici također postoji takva stvar kao struja. Što je to? Električna struja je posljedica kretanja električnih napona. Kad se uključi električna svjetiljka spojenog na bateriju, struja teče duž žice s jednog pola baterije do svjetiljke, a zatim kroz kosu, uzrokujući da svijetli i vraća se duž druge žice na drugi pol baterije. Ako je prekidač okrenut, krug će se otvoriti - struja će se zaustaviti i lampica će izaći.

Kretanje elektrona

Struja je u većini slučajeva naredio kretanje elektrona u metalu koji služi kao dirigent. U svim vodičima i nekim drugim tvarima dolazi do slučajnog kretanja, čak i ako struja ne teče. Elektroni u tvari mogu biti relativno slobodni ili jako vezani. Dobri dirigenti imaju slobodne elektrone koji se mogu pomicati. Ali u lošim vodičima ili izolatorima, većina tih čestica dovoljno je čvrsto povezana s atomima, što ometa njihovo kretanje.

Ponekad prirodni ili umjetni način u vodiču stvara kretanje elektrona u određenom smjeru. Taj se protok naziva električna struja. Mjereno je u amperu (A). Tekući nosači mogu također biti ioni (u plinovima ili otopinama) i "rupe" (nedostatak elektrona u nekim vrstama poluvodiča koji se ponašaju kao pozitivno nabijeni nosači struje.) Da bi se napali elektroni u jednom ili drugom smjeru, potrebna je snaga. Njeni izvori mogu biti: izlaganje sunčevoj svjetlosti, magnetski učinci i kemijske reakcije, od kojih se neke koriste za generiranje električne struje, obično u tu svrhu: generator koji koristi magnetske efekte i Element (akumulator), čija je radnja posljedica kemijskih reakcija. Ovi dva uređaja, stvarajući elektromotornu silu (EMF), uzrokuju da se elektroni kretaju u jednom smjeru duž kruga. Magnituda EMF mjeri se u volti (V), to su osnovne jedinice mjerenja električne energije.

Veličina EMF-a i trenutačna čvrstoća su međusobno povezana, kao što su tlak i protok u tekućini. Vodovodne cijevi uvijek su napunjene vodom pod određenim pritiskom, ali voda počinje protjecati tek kad se otvori slavina.

Slično tome, električni krug može biti spojen na izvor EMF-a, ali struja u njemu neće protjecati sve dok se ne stvori put kojim se elektroni mogu pomicati. Oni mogu biti, recimo, električna svjetiljka ili usisavač, prekidač ovdje igra ulogu slavine koja "omogućuje" struju.

Odnos između struje i napona

Kako se napon u krugu povećava, struja se također povećava. Proučavajući tijek fizike, saznajemo da se električni krugovi sastoje od nekoliko različitih odjeljaka: obično je prekidač, vodič i uređaj je potrošač električne energije. Svi oni, međusobno povezani, stvaraju otpornost na električnu struju koja se (pod stalnom temperaturom) za ove komponente ne mijenja s vremenom, ali za svaku od njih je drugačija. Stoga, ako se isti napon primjeni na žarulju i na željezo, protok elektrona u svakom od instrumenata bit će različit, budući da su njihovi otpori različiti. Posljedično, struja koja prolazi kroz određeni dio kruga određuje se ne samo naponom, već i otporom vodiča i uređaja.

Ohmov zakon

Veličina električnog otpora mjeri se u ohmima (ohmima) u znanosti kao što je fizika. Struja (formule, definicije, eksperimenti) je opsežna tema. Nećemo dobiti složene formule. Za prvo poznanstvo s temom, dovoljno je da je gore navedeno. Međutim, jedna formula još uvijek vrijedi povući. To je sasvim jednostavno. Za svaki vodič ili sustav vodiča i uređaja, odnos između napona, struje i otpora daje se sljedećim izrazom: napon = trenutni otpor x. Ovo je matematički izraz Ohmovog zakona, nazvan po Georgeu Ohmu (1787.-1854.) Koji je prvi uspostavio odnos tih triju parametara.

Fizika električne energije je vrlo zanimljiv dio znanosti. Razmatrali smo samo osnovne pojmove povezane s njom. Naučili ste što je struja, kako se formira. Nadamo se da će vam ove informacije biti korisne.