Fyzika elektřiny: definice, experimenty, měrná jednotka

Fyzika elektřiny je to, čeho musí každý z nás čelit. V tomto článku budeme uvažovat o základních pojmech s ním spojených.

Co je elektřina? Pro nezasvěcené osoby je to spojeno s bleskem nebo energií, která napájí televizor a pračku. Ví, že používají elektrické vlaky elektrické energie. Co jiného může říct? O naší závislosti na elektřině připomíná elektrické vedení. Někdo bude moci dát několik dalších příkladů.

Nicméně mnoho dalších, ne tak zřejmých, ale každodenních jevů je spojeno s elektřinou. Se všemi z nich jsme zavedeni fyziky. Elektřina (úkoly, definice a vzorce) začneme studovat ve škole. A dozvídáme spoustu zajímavých věcí. Ukazuje se, že bít srdce, běžící sportovec, spící dítě a plovoucí ryba - všechny vyrábějí elektrickou energii.

Elektrony a protony

Definujeme základní pojmy. Z pohledu vědce je fyzika elektřiny spojena s pohybem elektronů a jiných nabitých částic v různých látkách. Proto vědecké chápání podstaty fenoménu, který nás zajímá, závisí na úrovni znalostí o atomech a subatomických částicích, které je tvoří. Klíčem k tomuto pochopení je malý elektron. Atomy jakékoliv látky obsahují jeden nebo více elektronů pohybujících se v různých oběžných dráhách kolem jádra, stejně jako planety obíhající slunce. Obvykle je počet atomů v atomu stejný jako počet protonů v jádru. Nicméně protony, které jsou mnohem těžší než elektrony, lze považovat za fixované ve středu atomu. Tento extrémně zjednodušený model atomu je docela dost na to, aby vysvětlil základy takového jevu jako fyzikální elektřina.

Co ještě potřebuji vědět? Elektrony a protony mají stejnou velikost elektrický náboj (ale s různým označením), takže jsou navzájem přitahováni. Protonní náboj je pozitivní a elektron je negativní. Atom, který má více nebo méně elektronů než obvykle, se nazývá iont. Pokud jich v atomu není dost, je to nazýváno pozitivním iontem. Pokud obsahuje jejich přebytek, nazývá se negativními ionty.

Když elektron opustí atom, získá určitý kladný náboj. Elektron, zbavený svého protějšku - protón, se buď přesune k jinému atomu, nebo se vrátí k prvnímu.

Proč elektrony opouštějí atomy?

Existuje několik důvodů. Nejběžnější je to, že pod působením světelného impulsu nebo nějakého vnějšího elektronu může být z jeho oběžné dráhy vyřazen elektron pohybující se v atomu. Teplo způsobuje rychlejší oscilace atomů. To znamená, že elektrony mohou ležet z jejich atomu. Při chemických reakcích se také pohybují z atomu na atom.

Dobrý příklad vztahu mezi chemickou a elektrickou činností nám dává sval. Jejich vlákna jsou snížena působením elektrického signálu přicházejícího z nervového systému. Elektrický proud stimuluje chemické reakce. To vede k svalové kontrakci. Externí elektrické signály se často používají k umělé stimulaci svalové aktivity.

Vodivost

V některých látkách se elektrony působící na vnější elektrické pole pohybují volněji než v jiných. Říká se, že takové látky mají dobrou vodivost. Jsou nazývány dirigenty. Patří k nim většina kovů, vyhřívané plyny a některé kapaliny. Vzduch, pryž, olej, polyetylén a sklo nevedou dobře. Jsou nazývány dielektriky a používají se k izolaci dobrých vodičů. Ideální izolátory (absolutně nevodivý proud) neexistují. Za určitých podmínek mohou být elektrony odstraněny z jakéhokoli atomu. Obvykle jsou však tyto podmínky tak obtížně splněny, že z praktického hlediska mohou být tyto látky považovány za nevodivé.

Seznámit se s takovou vědou jako fyzika (oddíl "Elektřina"), dozvídáme se, že existuje zvláštní skupina látek. Jedná se o polovodiče. Chovají se částečně jako dielektrika a částečně jako dirigenti. Patří mezi ně zejména germanium, křemík, oxid mědi. Díky svým vlastnostem má polovodič mnoho aplikací. Může například sloužit jako elektrický ventil: jako ventil pro jízdní kola pro jízdní kola, umožňuje nabíjení pouze v jednom směru. Taková zařízení se nazývají usměrňovače. Používají se jak v miniaturních rozhlasových přijímačích, tak ve velkých elektrárnách pro konverzi AC na DC.

Teplo je chaotická forma pohybu molekul nebo atomů a teplotě - měřítkem intenzity pohybu (u většiny kovů pohyb směrem dolů elektronové teploty stává volnější). To znamená, že odolnost vůči volnému pohybu elektronů klesá s klesající teplotou. Jinými slovy, vodivost kovů se zvyšuje.

Supravodivost

V některých látkách při velmi nízkých teplotách úplně zmizí odpor vůči toku elektronů a elektrony, které začaly pohybovat, pokračují bez omezení. Tento jev se nazývá supravodivost. Při teplotě několika stupňů nad absolutní nulou (-273 ° C) se pozoruje u kovů, jako je cín, olovo, hliník a niob.

Generátory Van de Graaf

Školní osnovy zahrnují různé experimenty s elektřinou. Existuje řada typů generátorů, z nichž jeden bychom chtěli podrobněji vyprávět. Generátor Van de Graaf Používá se k získání ultralehkých napětí. Pokud objekt, který obsahuje přebytek kladných iontů, aby se do nádobky, pak se na vnitřním povrchu druhé bude elektrony, a na vnější straně - stejné množství kladných iontů. Pokud se nyní dotýkáme vnitřního povrchu nabitého předmětu, pak do něj přejdou všechny volné elektrony. Zvenku však zůstávají pozitivní poplatky.

V generátoru Van de Graaff se kladné ionty ze zdroje nanášejí na dopravní pás, který prochází uvnitř kovové koule. Páska je spojena s vnitřním povrchem koule pomocí vodiče ve formě hřebenu. Elektrony se vypouštějí z vnitřního povrchu koule. Na vnější straně se objevují pozitivní ionty. Efekt lze zvýšit použitím dvou generátorů.

Elektrický proud

V kurzu fyziky se jedná o elektrický proud. Co to je? Je způsoben elektrický proud pohyb elektrických nábojů. Když je žárovka připojena k baterii, je zapnutá, proud teče podél drátu od jednoho pólu baterie k lampě a pak přes jeho vlasy, který se rozsvítí, a vrací se zpět do druhého drátu do druhého pólu baterie. Pokud zapnete přepínač otevře obvod - aktuální dopravní zastaví a zhasne.

Pohyb elektronů

Proud ve většině případů je uspořádaný pohyb elektronů v kovu sloužící jako vodič. Ve všech vodičích a některých dalších látkách dochází vždy k náhodnému pohybu, i když proud neteče. Elektrony v hmotě mohou být relativně volné nebo silně vázané. Dobré vodiče mají volné elektrony, které se mohou pohybovat. Ale u špatných vodičů nebo izolátorů je většina těchto částic poměrně těsně spojena s atomy, což brání jejich pohybu.

Někdy přirozený nebo umělý způsob ve vodiči vytváří pohyb elektronů v určitém směru. Tento tok se nazývá elektrický proud. Měří se v ampérech (A). Běžné nosiče mohou také sloužit jako ionty (v plynech nebo roztoky) a „díra“ (nedostatek elektronů v některých typů polovodičů. Naposledy se chovají jako kladně nabité nosiče elektrického proudu. Vynutit elektrony pohybovat v jednom směru nebo jiný, vyžaduje sílu. V přírodě jeho zdroj může být: vystavení slunečnímu záření, magnetické účinky a chemických reakcí, některé z nich se používají k výrobě elektrického proudu Obvykle se pro tento účel jsou: .. generátor pomocí magnetické účinky, a (baterie), jehož působení je způsobeno chemickými reakcemi. elektromotorická síla (EMF), přimět elektrony k pohybu ve stejném směru po řetězci. Velikost EMF se měří ve voltech (V). Jedná se o základní jednotky měření elektrické energie.

Rozsah emf a proud souvisí, jako tlak a průtok v kapalině. Vodní potrubí je vždy plněno vodou pod určitým tlakem, ale voda začíná proudit pouze při otevření kohoutku.

Podobně elektrický obvod může být připojen ke zdroji EMF, ale proud v něm nebude proudit, dokud nebude vytvořena cesta, podél které se elektrony mohou pohybovat. Mohou to být například elektrická lampa nebo vysavač, přepínač zde hraje roli kohoutku, který "vypustí" proud.

Vztah mezi proudem a napětím

S napětím v obvodu stoupá proud. Studiem fyziky samozřejmě víme, že elektrické obvody jsou tvořeny z několika různých sekcí: obvykle přepnout dráty a zařízení - spotřebiteli elektřiny. Všechny jsou spojeny dohromady, poskytuje odolnost vůči elektrickému proudu, který (za předpokladu konstantní teploty) se nemění s časem, ale každý z nich je pro tyto součásti. Proto, je-li stejná napětí na lampě a železa, tok elektronů v každém ze zařízení se bude lišit z důvodu své odlišné odporu. V důsledku toho proud, protékající určitou částí obvodu, je určen nejen napětím, ale také odporem vodičů a zařízení.

Ohmův zákon

Velikost elektrického odporu se měří v ohmech (Ohmů) ve vědě, jako je fyzika. Elektřina (vzorce, definice, experimenty) je rozsáhlé téma. Nebudeme odvozovat složité vzorce. Pro první seznámení s tématem stačí, že bylo řečeno výše. Jeden vzorec by však měl být stále zrušen. Je to docela jednoduché. Pro každý vodič nebo systém vodičů a zařízení je vztah mezi napětím, proudem a odporem daný vzorcem: napětí = proud x odpor. Toto je matematické vyjádření Ohmova zákona, jménem George Ohm (1787-1854), který nejprve stanovil vztah těchto tří parametrů.

Fyzika elektřiny je velmi zajímavá část vědy. Zvažovali jsme pouze základní pojmy spojené s tím. Naučili jste se, jaká je elektrická energie, jak se tvoří. Doufáme, že vám tyto informace budou užitečné.