Fizika električne energije: definicija, eksperimenti, merska enota

Fizika elektrike je tisto, s katero se mora vsak od nas soočiti. V članku bomo preučili osnovne koncepte, ki so z njo povezani.

Kaj je električna energija? Za nepredvideno osebo je povezana z bliskom strele ali z energijo, ki napaja TV in pralni stroj. Ve, da električni vlaki uporabljajo električna energija. Kaj lahko še pove? O naši odvisnosti od električne energije opozarja elektrarne. Nekdo bo lahko dal nekaj drugih primerov.

Vendar pa so mnogi drugi, ne tako očitni, vendar vsakodnevni pojavi povezani z električno energijo. Z vsemi smo jih uvedla fizika. Električna energija (naloge, definicije in formule) začnemo študirati v šoli. In se naučimo veliko zanimivih stvari. Izkazalo se je, da srce, tekmovalec, spalni otrok in plavajoča riba proizvajajo električno energijo.

Elektroni in protoni

Opredelimo osnovne pojme. Z vidika znanstvenika je fizika električne energije povezana s premikanjem elektronov in drugih nabitih delcev v različnih snoveh. Zato je znanstveno razumevanje narave zanimanja, ki nas zanima, odvisno od stopnje znanja o atomih in subatomskih delcih, ki jih tvorijo. Ključ do tega razumevanja je majhen elektron. Atomi katere koli snovi vsebujejo enega ali več elektronov, ki se gibljejo v različnih orbitih okrog jedra, prav tako kot planeti orbita sonce. Ponavadi je število elektronov v atomu enako številu protonov v jedru. Vendar pa se protoni, ki so veliko težji od elektronov, lahko štejejo za fiksne v središču atoma. Ta izjemno poenostavljeni model atoma je dovolj, da razloži osnove takšnega pojava kot fizike električne energije.

Kaj še moram vedeti? Elektroni in protoni imajo enako velikost električni naboj (vendar drugačnega znaka), zato jih privlačijo drug drugega. Protonski naboj je pozitiven in elektron je negativen. Atom, ki ima več ali manj elektronov kot običajno, se imenuje ion. Če jih v atomu ni dovolj, se imenuje pozitivni ion. Če vsebuje presežek, se imenuje negativni ion.

Ko elektron zapusti atom, dobi določen pozitiven naboj. Elektron, brez nasprotja - proton, bodisi premakne na drug atom ali se vrne k prvemu.

Zakaj elektroni zapuščajo atome?

Za to je več razlogov. Najpogostejši je, da se pod vplivom svetlobnega pulza ali nekega zunanjega elektrona lahko elektron iz gibanja v atomu izbriše iz svoje orbite. Toplota povzroča atomov, da hitreje nihajo. To pomeni, da lahko elektroni letijo z njihovega atoma. Pri kemijskih reakcijah se premikajo tudi z atoma na atom.

Dober primer razmerja med kemijsko in električno dejavnostjo nam daje mišice. Njihova vlakna se zmanjšajo z delovanjem električnega signala, ki prihaja iz živčnega sistema. Električni tok spodbuja kemične reakcije. To je tisto, kar vodi do krčenja mišic. Zunanji električni signali se pogosto uporabljajo za umetno stimulacijo mišične aktivnosti.

Prevodnost

V nekaterih snoveh se elektroni pod vplivom zunanjega električnega polja gibljejo bolj prosto kot v drugih. Pravijo, da imajo takšne snovi dobro prevodnost. Imenujejo se dirigenti. Ti vključujejo večino kovin, ogrevane pline in nekaj tekočin. Zrak, guma, olje, polietilen in steklo ne vodijo dobro elektrike. Imenujejo se dielektriki in se uporabljajo za izolacijo dobrih prevodnikov. Idealni izolatorji (absolutno neprevodni tok) ne obstajajo. Pod določenimi pogoji se lahko elektroni odstranijo iz katerega koli atoma. Vendar pa je običajno te pogoje tako težko izpolniti s praktičnega vidika, take snovi lahko štejemo za neprevodne.

Seznaniti se s tako znanostjo kot fizika (oddelek "Električna energija"), ugotovimo, da obstaja posebna skupina snovi. To so polprevodniki. Delujejo delno kot dielektriki in delno kot dirigenti. Ti vključujejo zlasti germanij, silicij, bakrov oksid. Zaradi svojih lastnosti polprevodnik najde veliko aplikacij. Na primer, lahko služi kot električni ventil: kot ventil za kolesa pnevmatike, omogoča, da se polnjenja gibljejo samo v eni smeri. Take naprave se imenujejo usmerniki. Uporabljajo se tako v miniaturnih radijskih sprejemnikih kot v velikih elektrarnah za pretvorbo AC v DC.

Toplota je kaotična oblika gibanja molekul ali atomov, temperatura pa je merilo intenzitete tega gibanja (pri večini kovin s padajočo temperaturo gibanje elektronov postane bolj prosto). To pomeni, da se odpornost prostega gibanja elektronov zmanjšuje s padajočo temperaturo. Z drugimi besedami, povečuje prevodnost kovin.

Superprevodnost

V nekaterih snoveh pri zelo nizkih temperaturah odpornost na tok elektrona popolnoma izgine in elektroni, ki so začeli gibanje, nadaljujejo neomejeno. Ta pojav se imenuje superprevodnost. Pri temperaturi nekaj stopinj nad absolutno ničlo (-273 ° C) je opaziti pri kovinah, kot so kositer, svinec, aluminij in niobij.

Generatorji Van de Graaf

Šolski kurikul vključuje različne eksperimente z električno energijo. Obstajajo številne vrste generatorjev, od katerih bi radi podrobneje povedali. Generator Van de Graaf Uporablja se za pridobivanje ultra visokih napetosti. Če je v posodo nameščen predmet, ki vsebuje presežek pozitivnih ionov, se na notranji površini slednjega pojavijo elektroni, na zunanji strani pa enako število pozitivnih ionov. Če se zdaj dotaknemo notranje površine zaračunanega predmeta, bodo vsi prosti elektroni prešli k njej. Na zunanji strani pa ostanejo pozitivni stroški.

V generatorju Van de Graaff se pozitivni ioni iz vira nanašajo na transportni trak, ki poteka znotraj kovinske krogle. Trak je povezan z notranjo površino krogle s pomočjo vodnika v obliki grebena. Elektroni odtečejo iz notranje površine krogle. Na zunanji strani se pojavijo pozitivni ioni. Učinek se lahko poveča z uporabo dveh generatorjev.

Električni tok

Šolski tečaj fizike vključuje tako stvar kot električni tok. Kaj je to? Vzrok je električni tok gibanje električnih nabojev. Ko je električna luč priključen na baterijo, je vklopljena, aktualne tokove vzdolž žice iz enega pola akumulatorja do žarnice, nato pa preko svoje lase, zaradi česar je sijaj, in se vrne nazaj na drugo žico na drugo pol akumulatorja. Če vklopite stikalo se odpre tokokrog - trenutni promet ustavi in ​​ugasne.

Gibanje elektronov

Tok v večini primerov je urejeno gibanje elektronov v kovini, ki služi kot vodnik. V vseh vodnikih in nekaterih drugih snoveh se vedno zgodi nekaj naključnega gibanja, tudi če tok ne teče. Elektroni v materiji so lahko sorazmerno prosti ali močno vezani. Dobri vodniki imajo proste elektrone, ki se lahko premikajo. Toda v slabih vodnikih ali izolatorjih je večina teh delcev precej tesno povezana z atomi, kar ovira njihovo gibanje.

Včasih naravno ali umetno ustvarjena v dirigent gibanja elektronov v določeno smer. Ta tok se imenuje in električnega udara. To se meri v amperih (A). Trenutne prevozniki lahko služijo tudi kot ionov (v plini ali rešitve) in "luknje" (pomanjkanje elektronov v nekaterih vrstah polprevodnikov. Zadnje obnašajo kot pozitivno nabite nosilci električnega toka. Prisiliti elektrone, da se premaknete v eno smer ali drugo, potrebno silo. V naravi, njen vir lahko: izpostavljenost sončni svetlobi, magnetne učinke in kemijskih reakcij nekaterih od njih se uporabljajo za proizvodnjo električnega toka Ponavadi za ta namen, so: .. generator s pomočjo magnetne učinke, in Element (baterije), katerih učinek je posledica kemičnih reakcij. Obe napravi, ki ustvarja elektromotorna sila (EMF), prisiliti elektrone, da se gibljejo v isti smeri vzdolž verige. Velikost elektromagnetnega polja se meri v voltih (V). To so osnovne enote za merjenje električne energije.

Velikost emf-ja in toka sta povezana, npr. S tlakom in pretokom v tekočini. Vodne cevi vedno napolnijo z vodo pod določenim pritiskom, vendar voda začne teči šele, ko odprete pipo.

Podobno električni tokokrog se lahko priključi na vir EMF, toda tok v njem ne bo tekel, dokler se ne vzpostavi pot, po kateri se lahko premikajo elektroni. Lahko so, recimo, električna svetilka ali sesalnik, stikalo tukaj igra vlogo pipe, ki "izklopi" tok.

Odnos med tokovno in napetostjo

Ker se napetost v krogu dvigne, se tok povečuje. Pri študiju fizike se vemo, da so električna vezja sestavljena iz več različnih delov: ponavadi je stikalo, vodniki in naprava je potrošnik električne energije. Vsi ti, povezani skupaj, ustvarjajo upor na električni tok, ki se (pod pogojem stalne temperature) za te komponente s časom ne spreminja, vendar je za vsakega od njih drugačen. Zato, če se enaka napetost nanaša na žarnico in na železo, se bo tok elektronov v vsakem instrumentu drugačen, saj so njihovi upori drugačni. Zato tok, ki teče skozi določen odsek vezja, določa ne le napetost, temveč tudi odpornost vodnikov in naprav.

Ohmov zakon

Velikost električnega upora se meri v ohmih (Ohms) v znanosti, kot je fizika. Električna energija (formule, definicije, eksperimenti) je obsežna tema. Ne bomo dobili kompleksnih formul. Za prvo seznanitev s temo, je dovolj, da je bilo rečeno zgoraj. Vendar pa je treba eno formulo še umakniti. Precej preprosto. Za kakršenkoli prevodnik ali sistem vodnikov in naprav je razmerje med napetostjo, tokom in uporom podano s formulo: napetost = tokna x upornost. To je matematični izraz Ohmovega zakona, imenovanega po Georgeu Ohmu (1787-1854), ki je najprej ugotovil razmerje med temi tremi parametri.

Fizika elektrike je zelo zanimiv del znanosti. Upoštevali smo le osnovne pojme, povezane z njo. Naučili ste se, kakšna je električna energija, kako je nastalo. Upamo, da vam bodo ti podatki koristni.