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 koriste električni vlakovi električna energija. 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 (zadaci, 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. Stoga, znanstveni razumijevanje prirode fenomena od interesa za nas ovisi o razini znanja o atomima i subatomskim česticama koje ih čine. Ključ za ovo razumijevanje je mali elektron. Atomi bilo koje tvari sadrže jedan ili više elektrona koji se kreću u različitim orbitama oko jezgre baš kao što planeti kruže 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 fiziku električne energije.

Što još moram znati? Elektroni i protoni imaju istu veličinu električni naboj (ali različitog znaka), tako da su privučeni jedni drugima. Proton naboj je pozitivan, a 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 biti nestao 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 nam mišiće. Njihova vlakna su smanjena djelovanjem električnog signala koji dolazi iz živčanog sustava. Električna struja stimulira kemijske reakcije. Oni su ono što dovodi do kontrakcije mišića. Vanjski električni signali često se koriste za umjetno stimuliranje aktivnosti mišića.

provodljivost

U nekim tvarima, elektroni pod djelovanjem vanjskog električnog polja kreću se slobodnije nego u drugima. Kažu 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 izoliranje dobrih vodiča. Idealni izolatori (apsolutno bez struje) ne postoje. Pod određenim uvjetima elektroni se mogu ukloniti iz bilo kojeg atoma. Međutim, obično su ti uvjeti tako teško ispuniti s praktičnog gledišta, takve se tvari mogu smatrati ne-vodljivima.

Upoznavanje sa znanosti kao fizika (sekcija "Elektricitet"), saznajemo da postoji posebna skupina tvari. To su poluvodiči. Djeluju djelomično kao dielektrici, a djelomično 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 pomaknu samo u jednom smjeru. Takvi uređaji nazivaju se ispravljači. Koriste se i u minijaturnim radio prijemnicima, au velikim elektranama pretvaraju AC u DC.

Toplina je kaotičan oblik gibanja molekula ili atoma, a temperatura je mjera intenziteta ovog kretanja (u većini 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 razne eksperimente s električnom energijom. Postoji nekoliko vrsta generatora, od kojih bi jedan od njih želio detaljnije reći. Generator Van de Graaf Koristi se za dobivanje ultrazvučnih naprezanja. 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. Na vanjskoj strani ipak ostaju pozitivne optužbe.

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

Električna struja

Školski tečaj fizike uključuje takvu stvar kao električnu struju. Što je ovo? Struja je struja kretanje električnih naboja. Kada se električna svjetiljka spojen na akumulator, uključen, struja duž žice od jednog pola akumulatora na lampe, a zatim kroz svoje kose, uzrokujući da sjaj, te se vrati na drugu žicu na drugi pol baterije. Ako je prekidač okrenut, krug će se otvoriti - struja će se zaustaviti i svjetiljka će izaći.

Kretanje elektrona

U većini slučajeva struja je 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 micati. Ali u siromašnim vodičima ili izolatorima, većina tih čestica prilično 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. Mjeri se u amperu (A). Trenutni nosači također mogu poslužiti kao ionima (u plinovima ili rješenja) i „rupa” (nedostatak elektrona u pojedinim vrstama poluvodiča. Zadnjih ponašaju kao pozitivno nabijeni nositelji električne struje. Prisiliti elektrone da se presele u jednom ili drugom smjeru, potrebno sile. U prirodi, njegov izvor može biti: izlaganje suncu, magnetskih učinaka i kemijskih reakcija Neki od njih se koriste za proizvodnju električne struje Obično za ovu namjenu su: .. generatora pomoću magnetskih učinaka i element (baterija), djelovanje koje je posljedica kemijskih reakcija. elektromotorna sila (EMF), prisili elektrone da se kreću u istom smjeru duž lanca. Veličina EMF-a mjeri se u volama (V). To su osnovne jedinice mjerenja električne energije.

Veličina magneta i struje su povezana, poput tlaka i protoka u tekućini. Vodene cijevi uvijek se pune pod vodom pod određenim pritiskom, ali voda počinje protjecati tek kad se otvori slavina.

slično električni krug mogu se spojiti 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 sekcija: obično je prekidač, vodič i uređaj je potrošač električne energije. Svi oni su povezani zajedno, pružaju otpor električne struje, koja (uz pretpostavku konstantne temperature) ne mijenja s vremenom, ali za svaki od njih je različit za ove komponente. Dakle, ako je isti napon na svjetiljku i željeza, protok elektrona u svakoj od uređaja će biti drugačiji zbog različitog otpora. Posljedično, struja koja teče 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 treba i dalje biti povučena. 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 ovih triju parametara.

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