Elektricitetens fysik er noget, vi alle skal forholde os til. I artiklen vil vi overveje de grundlæggende begreber forbundet med det.
Hvad er elektricitet? For en uindviet er det forbundet med et lynglimt eller med den energi, der fodrer tv'et og vaskemaskinen. Han ved, at elektriske tog bruger elektrisk energi. Hvad kan han ellers sige? Elledninger minder ham om vores afhængighed af elektricitet. Nogen kan give et par andre eksempler.
Menge andre, ikke så indlysende, men dagligdags fænomener er dog forbundet med elektricitet. Fysik introducerer os til dem alle. Vi begynder at studere elektricitet (opgaver, definitioner og formler) i skolen. Og vi lærer en masse spændende ting. Det viser sig, at et bankende hjerte, en løbeatlet, en sovende baby og en svømmende fisk alle genererer elektrisk energi.
Elektroner og protoner
Lad os definere de grundlæggende begreber. Fra en videnskabsmands synspunkt er elektricitets fysik forbundet med bevægelsen af elektroner og andre ladede partikler i forskellige stoffer. Derfor afhænger den videnskabelige forståelse af arten af fænomenet af interesse for os af vidensniveauet om atomer og deres konstituerende subatomære partikler. Den lille elektron er nøglen til denne forståelse. Ethvert stofs atomer indeholder en eller flere elektroner, der bevæger sig i forskellige kredsløb omkring kernen, ligesom planeterne kredser om solen. Norm alt er antallet af elektroner i et atom lig med antallet af protoner i kernen. Imidlertid kan protoner, der er meget tungere end elektroner, betragtes som om de er fikseret i atomets centrum. Denne ekstremt forenklede model af atomet er nok til at forklare det grundlæggende i et sådant fænomen som elektricitetens fysik.
Hvad skal du ellers vide? Elektroner og protoner har den samme elektriske ladning (men forskelligt fortegn), så de tiltrækkes af hinanden. Ladningen af en proton er positiv, og en elektrons ladning er negativ. Et atom, der har flere eller færre elektroner end norm alt, kaldes en ion. Hvis der ikke er nok af dem i et atom, så kaldes det en positiv ion. Hvis det indeholder et overskud af dem, kaldes det en negativ ion.
Når en elektron forlader et atom, får den en positiv ladning. En elektron, der er frataget sin modsætning - en proton, flytter enten til et andet atom eller vender tilbage til det forrige.
Hvorfor forlader elektroner atomer?
Dette skyldes flere årsager. Det mest generelle er, at under påvirkning af en lysimpuls eller en ekstern elektron kan en elektron, der bevæger sig i et atom, blive slået ud af sin bane. Varme får atomerne til at vibrere hurtigere. Det betyder, at elektroner kan flyve ud af deres atom. I kemiske reaktioner bevæger de sig også fra atom tilatom.
Et godt eksempel på forholdet mellem kemisk og elektrisk aktivitet er vores muskler. Deres fibre trækker sig sammen, når de udsættes for et elektrisk signal fra nervesystemet. Elektrisk strøm stimulerer kemiske reaktioner. De fører til muskelsammentrækning. Eksterne elektriske signaler bruges ofte til kunstig at stimulere muskelaktivitet.
Konduktivitet
I nogle stoffer bevæger elektroner sig under påvirkning af et eksternt elektrisk felt mere frit end i andre. Sådanne stoffer siges at have god ledningsevne. De kaldes konduktører. Disse omfatter de fleste metaller, opvarmede gasser og nogle væsker. Luft, gummi, olie, polyethylen og glas er dårlige ledere af elektricitet. De kaldes dielektriske stoffer og bruges til at isolere gode ledere. Ideelle isolatorer (absolut ikke-ledende) findes ikke. Under visse forhold kan elektroner fjernes fra ethvert atom. Disse betingelser er dog sædvanligvis så vanskelige at opfylde, at sådanne stoffer fra et praktisk synspunkt kan betragtes som ikke-ledende.
Når vi stifter bekendtskab med sådan en videnskab som fysik (afsnit "Elektricitet"), lærer vi, at der er en særlig gruppe af stoffer. Disse er halvledere. De opfører sig dels som dielektrikum og dels som ledere. Disse omfatter især: germanium, silicium, kobberoxid. På grund af dens egenskaber finder halvlederen mange anvendelser. For eksempel kan den tjene som en elektrisk ventil: ligesom en cykeldækventil, dentillader ladninger kun at bevæge sig i én retning. Sådanne enheder kaldes ensrettere. De bruges i miniatureradioer samt store kraftværker til at konvertere AC til DC.
Varme er en kaotisk form for bevægelse af molekyler eller atomer, og temperatur er et mål for intensiteten af denne bevægelse (i de fleste metaller bliver elektronernes bevægelse friere med faldende temperatur). Det betyder, at modstanden mod elektronernes frie bevægelse falder med faldende temperatur. Med andre ord øges metallers ledningsevne.
Superledningsevne
I nogle stoffer ved meget lave temperaturer forsvinder modstanden mod strømmen af elektroner fuldstændigt, og elektronerne, der er begyndt at bevæge sig, fortsætter med det i det uendelige. Dette fænomen kaldes superledning. Ved temperaturer nogle få grader over det absolutte nulpunkt (-273 °C) ses det i metaller som tin, bly, aluminium og niobium.
Van de Graaff-generatorer
Skolens læseplan omfatter forskellige eksperimenter med elektricitet. Der findes mange typer generatorer, hvoraf en af dem vil vi gerne tale mere om. Van de Graaff-generatoren bruges til at producere ultrahøje spændinger. Hvis en genstand, der indeholder et overskud af positive ioner, placeres inde i en beholder, vil elektroner vises på den indvendige overflade af sidstnævnte, og det samme antal positive ioner vil vises på den ydre overflade. Hvis vi nu rører den indre overflade med en ladet genstand, så vil alle frie elektroner passere til den. På ydersidenpositive debiteringer forbliver.
I en Van de Graaff-generator påføres positive ioner fra en kilde på et transportbånd inde i en metalkugle. Båndet er forbundet til kuglens indre overflade ved hjælp af en leder i form af en kam. Elektronerne strømmer ned fra kuglens indre overflade. Positive ioner vises på dens ydre side. Effekten kan forstærkes ved at bruge to generatorer.
Elektrisk strøm
Skolens fysikkursus indeholder også sådan noget som elektrisk strøm. Hvad er det? Elektrisk strøm skyldes bevægelse af elektriske ladninger. Når en elektrisk lampe tilsluttet et batteri tændes, strømmer strømmen gennem en ledning fra den ene pol på batteriet til lampen, derefter gennem dens hår, hvilket får den til at lyse, og tilbage gennem den anden ledning til den anden pol på batteriet. Hvis kontakten drejes, åbnes kredsløbet - strømmen stopper, og lampen slukker.
Bevægelse af elektroner
Strøm er i de fleste tilfælde en ordnet bevægelse af elektroner i et metal, der tjener som en leder. I alle ledere og nogle andre stoffer er der altid en tilfældig bevægelse i gang, selvom der ikke løber nogen strøm. Elektroner i stof kan være relativt frie eller stærkt bundne. Gode ledere har frie elektroner, der kan bevæge sig rundt. Men i dårlige ledere eller isolatorer er de fleste af disse partikler stærkt nok forbundet med atomer, hvilket forhindrer deres bevægelse.
Nogle gange skabes elektronernes bevægelse i en bestemt retning naturligt eller kunstigt i en leder. Denne strømning kaldes elektrisk strøm. Det måles i ampere (A). Ioner (i gasser eller opløsninger) og "huller" (mangel på elektroner i nogle typer halvledere) kan også tjene som strømbærere. Sidstnævnte opfører sig som positivt ladede elektriske strømbærere. Der skal en vis kraft til for at få elektroner til at bevæge sig i én retning eller en anden. I naturen kan dens kilder være: eksponering for sollys, magnetiske effekter og kemiske reaktioner. Nogle af dem bruges til at generere elektricitet. Norm alt til dette formål er: en generator, der anvender magnetiske effekter, og en celle (batteri), hvis virkning skyldes til kemiske reaktioner. Begge enheder, der skaber en elektromotorisk kraft (EMF), får elektronerne til at bevæge sig i én retning gennem kredsløbet. EMF-værdien måles i volt (V). Disse er de grundlæggende enheder for elektricitet.
Størrelsen af EMF og styrken af strømmen hænger sammen, ligesom tryk og flow i en væske. Vandrør er altid fyldt med vand ved et bestemt tryk, men vandet begynder først at strømme, når der er tændt for vandhanen.
Tilsvarende kan et elektrisk kredsløb forbindes til en kilde til EMF, men der vil ikke strømme strøm i det, før der er skabt en sti, som elektronerne kan bevæge sig langs. Det kan for eksempel være en elektrisk lampe eller en støvsuger, kontakten her spiller rollen som en hane, der "udløser" strøm.
Forholdet mellem nuværende ogspænding
Når spændingen i kredsløbet stiger, stiger strømmen også. Ved at studere et fysikkursus lærer vi, at elektriske kredsløb består af flere forskellige sektioner: norm alt en kontakt, ledere og en enhed, der forbruger elektricitet. Alle af dem, forbundet sammen, skaber en modstand mod elektrisk strøm, som (forudsat en konstant temperatur) for disse komponenter ikke ændrer sig med tiden, men er forskellig for hver af dem. Derfor, hvis den samme spænding påføres en pære og et jern, vil strømmen af elektroner i hver af enhederne være anderledes, da deres modstande er forskellige. Derfor bestemmes styrken af strømmen, der strømmer gennem en bestemt sektion af kredsløbet, ikke kun af spænding, men også af modstanden af ledere og enheder.
Ohms lov
Værdien af elektrisk modstand måles i ohm (Ohm) i en videnskab som fysik. Elektricitet (formler, definitioner, eksperimenter) er et stort emne. Vi vil ikke udlede komplekse formler. For det første bekendtskab med emnet er det, der er blevet sagt ovenfor, nok. En formel er dog stadig værd at udlede. Hun er ret ukompliceret. For enhver leder eller system af ledere og enheder er forholdet mellem spænding, strøm og modstand givet ved formlen: spænding=strøm x modstand. Dette er det matematiske udtryk for Ohms lov, opkaldt efter George Ohm (1787-1854), som først etablerede sammenhængen mellem disse tre parametre.
Elektricitetsfysik er en meget interessant gren af videnskaben. Vi har kun overvejet de grundlæggende begreber forbundet med det. Vidste duHvad er elektricitet, og hvordan produceres det? Vi håber, du finder disse oplysninger nyttige.
