Электр энергиясының физикасы - бұл әрқайсымыз айналысатын нәрсе. Мақалада біз онымен байланысты негізгі ұғымдарды қарастырамыз.
Электр дегеніміз не? Білмейтін адам үшін бұл найзағай жарқылымен немесе теледидар мен кір жуғыш машинаны тамақтандыратын энергиямен байланысты. Ол электр пойыздарының электр энергиясын пайдаланатынын біледі. Ол тағы не айта алады? Электр желілері оған біздің электр қуатына тәуелді екенімізді еске салады. Біреу басқа бірнеше мысал келтіре алады.
Алайда, басқа да көптеген, соншалықты айқын емес, бірақ күнделікті құбылыстар электрмен байланысты. Физика бізді олардың барлығымен таныстырады. Біз мектепте электр энергиясын (тапсырмалар, анықтамалар және формулалар) оқи бастаймыз. Және біз көптеген қызықты нәрселерді үйренеміз. Соққан жүрек, жүгірген спортшы, ұйықтап жатқан сәби және жүзіп жүрген балық барлығы электр энергиясын шығарады екен.
Электрондар мен протондар
Негізгі ұғымдарды анықтайық. Ғалымның көзқарасы бойынша электр энергиясының физикасы әртүрлі заттардағы электрондар мен басқа зарядталған бөлшектердің қозғалысымен байланысты. Сондықтан бізді қызықтыратын құбылыстың табиғатын ғылыми тұрғыдан түсіну атомдар мен олардың құрамдас субатомдық бөлшектер туралы білім деңгейіне байланысты. Кішкентай электрон - бұл түсінудің кілті. Кез келген заттың атомдарында планеталар күнді айналатындай, ядроның айналасында әртүрлі орбиталарда қозғалатын бір немесе бірнеше электрондар болады. Әдетте атомдағы электрондар саны ядродағы протондар санына тең. Дегенмен, электрондардан әлдеқайда ауыр протондарды атомның ортасында бекітілген деп санауға болады. Атомның бұл өте жеңілдетілген моделі электр тогы физикасы сияқты құбылыстың негіздерін түсіндіруге жеткілікті.
Тағы не білу керек? Электрондар мен протондардың электр зарядтары бірдей (бірақ таңбалары басқа), сондықтан олар бір-біріне тартылады. Протонның заряды оң, ал электронның заряды теріс. Әдеттегіден көп немесе аз электроны бар атомды ион деп атайды. Егер атомда олардың саны жеткіліксіз болса, онда ол оң ион деп аталады. Егер оның құрамында олардың артық мөлшері болса, онда ол теріс ион деп аталады.
Электрон атомнан шыққанда біраз оң заряд алады. Өзіне қарама-қарсы протоннан айырылған электрон не басқа атомға ауысады, не алдыңғысына қайтады.
Электрондар атомдардан неге шығады?
Бұл бірнеше себептерге байланысты. Ең жалпысы жарық импульсінің немесе қандай да бір сыртқы электронның әсерінен атомда қозғалатын электрон оның орбитасынан шығып кетуі мүмкін. Жылу атомдардың дірілдеуін тездетеді. Бұл электрондар атомынан ұшып шыға алады дегенді білдіреді. Химиялық реакцияларда олар атомнан атомға ауысадыатом.
Химиялық және электрлік белсенділік арасындағы байланыстың жақсы мысалы біздің бұлшықеттер арқылы берілген. Олардың талшықтары жүйке жүйесінің электрлік сигналы әсер еткенде жиырылады. Электр тогы химиялық реакцияларды ынталандырады. Олар бұлшықеттің жиырылуына әкеледі. Сыртқы электрлік сигналдар көбінесе бұлшықет белсенділігін жасанды ынталандыру үшін қолданылады.
Өткізгіштік
Кейбір заттарда сыртқы электр өрісінің әсерінен электрондар басқаларына қарағанда еркін қозғалады. Мұндай заттардың өткізгіштігі жақсы деп айтылады. Оларды өткізгіштер деп атайды. Оларға көптеген металдар, қыздырылған газдар және кейбір сұйықтықтар жатады. Ауа, резеңке, май, полиэтилен және шыны электр тогын нашар өткізеді. Олар диэлектриктер деп аталады және жақсы өткізгіштерді оқшаулау үшін қолданылады. Идеал оқшаулағыштар (мүлдем электр өткізбейтін) жоқ. Белгілі бір жағдайларда электрондарды кез келген атомнан шығаруға болады. Дегенмен, бұл шарттарды орындау әдетте соншалықты қиын, практикалық тұрғыдан мұндай заттарды ток өткізбейтін деп санауға болады.
Физика сияқты ғылыммен («Электр» бөлімі) танысу арқылы біз заттардың ерекше тобы бар екенін білеміз. Бұл жартылай өткізгіштер. Олар ішінара диэлектрик, ішінара өткізгіш ретінде әрекет етеді. Оларға, атап айтқанда: германий, кремний, мыс оксиді жатады. Өзінің қасиеттеріне байланысты жартылай өткізгіш көптеген қолданбаларды табады. Мысалы, ол электр клапаны ретінде қызмет ете алады: велосипед шинасы клапаны сияқты, олзарядтардың тек бір бағытта қозғалуына мүмкіндік береді. Мұндай құрылғылар түзеткіштер деп аталады. Олар шағын радиостанцияларда, сондай-ақ айнымалы токты тұрақты токқа түрлендіру үшін ірі электр станцияларында қолданылады.
Жылу молекулалар немесе атомдар қозғалысының хаотикалық түрі, ал температура бұл қозғалыстың қарқындылығының өлшемі болып табылады (көптеген металдарда температура төмендеген сайын электрондардың қозғалысы еркін болады). Бұл электрондардың еркін қозғалысына қарсылық температураның төмендеуімен төмендейтінін білдіреді. Басқаша айтқанда, металдардың өткізгіштігі артады.
Асқын өткізгіштік
Кейбір заттарда өте төмен температурада электрондар ағынына қарсылық толығымен жойылады, ал электрондар қозғала бастағанда оны шексіз жалғастырады. Бұл құбылыс асқын өткізгіштік деп аталады. Абсолюттік нөлден бірнеше градус жоғары (-273 °C) температурада қалайы, қорғасын, алюминий және ниобий сияқты металдарда байқалады.
Ван де Граф генераторлары
Мектеп бағдарламасы электр тогы бойынша әртүрлі тәжірибелерді қамтиды. Генераторлардың көптеген түрлері бар, олардың бірі туралы толығырақ сөйлескіміз келеді. Ван де Графф генераторы өте жоғары кернеулерді шығару үшін қолданылады. Оң иондары артық затты ыдыстың ішіне орналастырса, соңғысының ішкі бетінде электрондар, ал сыртқы бетінде де сонша оң иондар пайда болады. Егер біз қазір зарядталған затпен ішкі бетті ұстасақ, онда оған барлық бос электрондар өтеді. Сырттаоң зарядтар қалады.
Ван де Граф генераторында көзден алынған оң иондар металл шардың ішіндегі конвейер лентасына қолданылады. Таспа тарақ түріндегі өткізгіштің көмегімен шардың ішкі бетіне қосылады. Электрондар сфераның ішкі бетінен төмен қарай ағады. Оның сыртқы жағында оң иондар пайда болады. Әсерді екі генератор арқылы күшейтуге болады.
Электр тогы
Мектептегі физика курсында электр тогы сияқты нәрсе де бар. Бұл не? Электр тогы электр зарядтарының қозғалысына байланысты. Батареяға жалғанған электр шамы қосылған кезде ток сым арқылы аккумулятордың бір полюсынан шамға, содан кейін оның шашы арқылы жылтылдап, екінші сым арқылы батареяның екінші полюсіне қайтады.. Коммутатор бұрылса, тізбек ашылады - ток ағыны тоқтап, шам сөнеді.
Электрондар қозғалысы
Ток көп жағдайда өткізгіш қызметін атқаратын металдағы электрондардың реттелген қозғалысы болып табылады. Барлық өткізгіштерде және кейбір басқа заттарда ток өтпесе де, әрқашан кездейсоқ қозғалыс болады. Заттағы электрондар салыстырмалы түрде еркін немесе қатты байланысқан болуы мүмкін. Жақсы өткізгіштерде қозғала алатын бос электрондар бар. Бірақ нашар өткізгіштерде немесе оқшаулағыштарда бұл бөлшектердің көпшілігі атомдармен жеткілікті түрде байланысқан, бұл олардың қозғалысына кедергі жасайды.
Кейде электрондардың белгілі бір бағытта қозғалысы өткізгіште табиғи немесе жасанды түрде жасалады. Бұл ағын электр тогы деп аталады. Ол ампермен (А) өлшенеді. Иондар (газдардағы немесе ерітінділердегі) және «саңылаулар» (жартылай өткізгіштердің кейбір түрлерінде электрондардың болмауы) да ток тасымалдаушы қызметін атқара алады. Соңғылары оң зарядталған электр тогы тасымалдаушылар сияқты әрекет етеді. Электрондардың бір бағытта қозғалуы немесе қозғалуы үшін белгілі бір күш қажет. Табиғатта оның көздері мыналар болуы мүмкін: күн сәулесінің әсері, магниттік әсерлер және химиялық реакциялар. Олардың кейбіреулері электр энергиясын өндіру үшін қолданылады. химиялық реакцияларға. Электр қозғаушы күш (ЭМӨ) тудыратын екі құрылғы да электрондардың тізбек арқылы бір бағытта қозғалуына себепші болады. ЭҚК мәні вольтпен (V) өлшенеді. Бұл электр энергиясының негізгі өлшем бірліктері.
ЭҚК шамасы мен ток күші сұйықтықтағы қысым мен ағын сияқты өзара байланысты. Су құбырлары әрқашан белгілі бір қысыммен сумен толтырылады, бірақ су кран ашылғанда ғана ағып бастайды.
Сол сияқты, электр тізбегін ЭҚК көзіне қосуға болады, бірақ электрондар бойымен қозғалатын жол жасалмайынша онда ток өтпейді. Бұл, айталық, электр шамы немесе шаңсорғыш болуы мүмкін, мұндағы қосқыш токты «шығатын» шүмек рөлін атқарады.
Ағымдағы және арасындағы байланыскернеу
Тізбектегі кернеу жоғарылаған сайын ток күші де артады. Физика курсын оқи отырып, біз электр тізбектерінің бірнеше түрлі бөлімдерден тұратынын білеміз: әдетте ажыратқыш, өткізгіштер және электр энергиясын тұтынатын құрылғы. Олардың барлығы бір-біріне қосылып, электр тогына кедергі жасайды, бұл компоненттер үшін (тұрақты температураны есептегенде) уақыт өте өзгермейді, бірақ олардың әрқайсысы үшін әртүрлі. Демек, егер электр шамы мен үтікке бірдей кернеу берілсе, онда олардың кедергілері әртүрлі болғандықтан, құрылғылардың әрқайсысында электрондардың ағыны әртүрлі болады. Сондықтан тізбектің белгілі бір бөлігінен өтетін ток күші кернеумен ғана емес, өткізгіштер мен құрылғылардың кедергілерімен де анықталады.
Ом заңы
Электрлік кедергінің мәні физика сияқты ғылымда Оммен (Ом) өлшенеді. Электр энергиясы (формулалар, анықтамалар, эксперименттер) кең ауқымды тақырып. Біз күрделі формулаларды шығармаймыз. Тақырыппен бірінші танысу үшін жоғарыда айтылғандар жеткілікті. Дегенмен, әлі де бір формуланы алуға тұрарлық. Ол өте қарапайым. Кез келген өткізгіш немесе өткізгіштер мен құрылғылар жүйесі үшін кернеу, ток және қарсылық арасындағы байланыс мына формуламен беріледі: кернеу=ток x кедергі. Бұл осы үш параметр арасындағы байланысты алғаш рет орнатқан Джордж Омның (1787-1854) атымен аталған Ом заңының математикалық өрнегі.
Электр физикасы – ғылымның өте қызықты саласы. Біз онымен байланысты негізгі ұғымдарды ғана қарастырдық. Сіз білесіз беЭлектр энергиясы дегеніміз не және ол қалай өндіріледі? Бұл ақпарат сізге пайдалы деп үміттенеміз.
