Die fisika van elektrisiteit is iets waarmee elkeen van ons te doen het. In die artikel sal ons die basiese konsepte wat daarmee geassosieer word, oorweeg.
Wat is elektrisiteit? Vir 'n oningewyde persoon word dit geassosieer met 'n weerligstraal of met die energie wat die TV en wasmasjien voed. Hy weet dat elektriese treine elektriese energie gebruik. Wat anders kan hy sê? Kragdrade herinner hom aan ons afhanklikheid van elektrisiteit. Iemand kan 'n paar ander voorbeelde gee.
Baie ander, nie so ooglopende, maar alledaagse verskynsels word egter met elektrisiteit verbind. Fisika stel ons almal bekend. Ons begin om elektrisiteit (take, definisies en formules) op skool te bestudeer. En ons leer baie interessante dinge. Dit blyk dat 'n kloppende hart, 'n hardloopatleet, 'n slapende baba en 'n swemmende vis almal elektriese energie opwek.
Elektrone en protone
Kom ons definieer die basiese konsepte. Uit die oogpunt van 'n wetenskaplike word die fisika van elektrisiteit geassosieer met die beweging van elektrone en ander gelaaide deeltjies in verskeie stowwe. Daarom hang die wetenskaplike begrip van die aard van die verskynsel van belang vir ons af van die vlak van kennis oor atome en hul samestellende subatomiese deeltjies. Die klein elektron is die sleutel tot hierdie begrip. Die atome van enige stof bevat een of meer elektrone wat in verskillende bane om die kern beweeg, net soos die planete om die son wentel. Gewoonlik is die aantal elektrone in 'n atoom gelyk aan die aantal protone in die kern. Protone, wat baie swaarder as elektrone is, kan egter beskou word asof dit in die middel van die atoom vasgemaak is. Hierdie uiters vereenvoudigde model van die atoom is genoeg om die basiese beginsels van so 'n verskynsel soos die fisika van elektrisiteit te verduidelik.
Wat moet jy nog weet? Elektrone en protone het dieselfde elektriese lading (maar verskillende tekens), dus word hulle na mekaar aangetrek. Die lading van 'n proton is positief en dié van 'n elektron is negatief. 'n Atoom wat meer of minder elektrone as gewoonlik het, word 'n ioon genoem. As daar nie genoeg van hulle in 'n atoom is nie, word dit 'n positiewe ioon genoem. As dit 'n oormaat daarvan bevat, word dit 'n negatiewe ioon genoem.
Wanneer 'n elektron 'n atoom verlaat, verkry dit 'n positiewe lading. 'n Elektron, ontneem van sy teenoorgestelde - 'n proton, beweeg óf na 'n ander atoom, óf keer terug na die vorige een.
Waarom verlaat elektrone atome?
Dit is weens verskeie redes. Die mees algemene is dat onder die invloed van 'n ligpuls of een of ander eksterne elektron, 'n elektron wat in 'n atoom beweeg, uit sy wentelbaan geslaan kan word. Hitte laat die atome vinniger vibreer. Dit beteken dat elektrone uit hul atoom kan vlieg. In chemiese reaksies beweeg hulle ook van atoom naatoom.
'n Goeie voorbeeld van die verband tussen chemiese en elektriese aktiwiteit word deur ons spiere verskaf. Hulle vesels trek saam wanneer hulle aan 'n elektriese sein van die senuweestelsel blootgestel word. Elektriese stroom stimuleer chemiese reaksies. Hulle lei tot spiersametrekking. Eksterne elektriese seine word dikwels gebruik om spieraktiwiteit kunsmatig te stimuleer.
Geleiding
In sommige stowwe beweeg elektrone onder die werking van 'n eksterne elektriese veld vryer as in ander. Daar word gesê dat sulke stowwe goeie geleidingsvermoë het. Hulle word geleiers genoem. Dit sluit die meeste metale, verhitte gasse en sommige vloeistowwe in. Lug, rubber, olie, poliëtileen en glas is swak geleiers van elektrisiteit. Hulle word diëlektrika genoem en word gebruik om goeie geleiers te isoleer. Ideale isolators (absoluut nie-geleidend) bestaan nie. Onder sekere omstandighede kan elektrone van enige atoom verwyder word. Dit is egter gewoonlik so moeilik om aan hierdie voorwaardes te voldoen dat sulke stowwe uit 'n praktiese oogpunt as nie-geleidend beskou kan word.
Om kennis te maak met so 'n wetenskap soos fisika (afdeling "Elektrisiteit"), leer ons dat daar 'n spesiale groep stowwe is. Dit is halfgeleiers. Hulle tree deels as diëlektrika op en deels as geleiers. Dit sluit veral in: germanium, silikon, koperoksied. As gevolg van sy eienskappe vind die halfgeleier baie toepassings. Dit kan byvoorbeeld as 'n elektriese klep dien: soos 'n fietsbandklep, ditlaat ladings toe om net in een rigting te beweeg. Sulke toestelle word gelykrigters genoem. Hulle word in miniatuurradio's sowel as groot kragsentrales gebruik om AC na DC om te skakel.
Hitte is 'n chaotiese vorm van beweging van molekules of atome, en temperatuur is 'n maatstaf van die intensiteit van hierdie beweging (in die meeste metale, met dalende temperatuur, word die beweging van elektrone vryer). Dit beteken dat die weerstand teen die vrye beweging van elektrone afneem met dalende temperatuur. Met ander woorde, die geleidingsvermoë van metale neem toe.
Suprageleiding
In sommige stowwe by baie lae temperature verdwyn die weerstand teen die vloei van elektrone heeltemal, en die elektrone, nadat hulle begin beweeg het, hou dit onbepaald voort. Hierdie verskynsel word supergeleiding genoem. By temperature 'n paar grade bo absolute nul (-273 °C), word dit waargeneem in metale soos tin, lood, aluminium en niobium.
Van de Graaff kragopwekkers
Die skoolkurrikulum sluit verskeie eksperimente met elektrisiteit in. Daar is baie soorte kragopwekkers, waarvan ons graag in meer besonderhede oor een wil praat. Die Van de Graaff-opwekker word gebruik om ultrahoë spannings te produseer. As 'n voorwerp wat 'n oormaat positiewe ione bevat binne 'n houer geplaas word, sal elektrone op die binneoppervlak van laasgenoemde verskyn, en dieselfde aantal positiewe ione sal op die buitenste oppervlak verskyn. As ons nou die binneoppervlak met 'n gelaaide voorwerp raak, dan sal alle vrye elektrone daarheen beweeg. Aan die buitekantpositiewe heffings sal bly.
In 'n Van de Graaff-opwekker word positiewe ione van 'n bron op 'n vervoerband binne 'n metaalsfeer toegedien. Die band word met behulp van 'n geleier in die vorm van 'n kam aan die binneoppervlak van die sfeer gekoppel. Die elektrone vloei af vanaf die binneoppervlak van die sfeer. Positiewe ione verskyn aan sy buitekant. Die effek kan versterk word deur twee kragopwekkers te gebruik.
Elektriese stroom
Die skoolfisikakursus sluit ook iets soos elektriese stroom in. Wat is dit? Elektriese stroom is as gevolg van die beweging van elektriese ladings. Wanneer 'n elektriese lamp wat aan 'n battery gekoppel is aangeskakel word, vloei stroom deur 'n draad van een pool van die battery na die lamp, dan deur sy hare, wat dit laat gloei, en terug deur die tweede draad na die ander pool van die battery. As die skakelaar gedraai word, sal die stroombaan oopmaak - die stroomvloei sal stop en die lamp sal uitgaan.
Beweging van elektrone
Stroom is in die meeste gevalle 'n geordende beweging van elektrone in 'n metaal wat as 'n geleier dien. In alle geleiers en sommige ander stowwe is daar altyd een of ander willekeurige beweging aan die gang, selfs al is daar geen stroom wat vloei nie. Elektrone in materie kan relatief vry of sterk gebonde wees. Goeie geleiers het vrye elektrone wat kan rondbeweeg. Maar in swak geleiers, of isolators, is die meeste van hierdie deeltjies sterk genoeg verbind met atome, wat hul beweging verhoed.
Soms word die beweging van elektrone in 'n sekere rigting natuurlik of kunsmatig in 'n geleier geskep. Hierdie vloei word elektriese stroom genoem. Dit word gemeet in ampère (A). Ione (in gasse of oplossings) en "gate" (gebrek aan elektrone in sommige soorte halfgeleiers) kan ook as stroomdraers dien. Laasgenoemde tree op soos positief gelaaide elektriese stroomdraers. Daar is 'n mate van krag nodig om elektrone in een rigting te laat beweeg of 'n ander. In die natuur kan sy bronne wees: blootstelling aan sonlig, magnetiese effekte en chemiese reaksies. Sommige daarvan word gebruik om elektrisiteit op te wek. Gewoonlik vir hierdie doel is: 'n kragopwekker wat magnetiese effekte gebruik, en 'n sel (battery) wie se werking te wyte is tot chemiese reaksies. Albei toestelle, wat 'n elektromotoriese krag (EMK) skep, veroorsaak dat die elektrone in een rigting deur die stroombaan beweeg. Die EMF-waarde word in volt (V) gemeet. Dit is die basiese eenhede van elektrisiteit.
Die grootte van die EMK en die sterkte van die stroom is onderling verbind, soos druk en vloei in 'n vloeistof. Waterpype word altyd gevul met water teen 'n sekere druk, maar water begin eers vloei wanneer die kraan oopgedraai word.
Net so kan 'n elektriese stroombaan aan 'n bron van EMK gekoppel word, maar stroom sal nie daarin vloei totdat 'n pad geskep word vir die elektrone om saam te beweeg nie. Dit kan byvoorbeeld 'n elektriese lamp of 'n stofsuier wees, die skakelaar speel hier die rol van 'n kraan wat stroom "losmaak".
Die verhouding tussen huidige enspanning
Soos die spanning in die stroombaan toeneem, neem die stroom ook toe. Deur 'n fisikakursus te bestudeer, leer ons dat elektriese stroombane uit verskeie verskillende afdelings bestaan: gewoonlik 'n skakelaar, geleiers en 'n toestel wat elektrisiteit verbruik. Almal van hulle, aanmekaar verbind, skep 'n weerstand teen elektriese stroom, wat (met 'n konstante temperatuur aangeneem) vir hierdie komponente nie met tyd verander nie, maar verskil vir elkeen van hulle. Daarom, as dieselfde spanning op 'n gloeilamp en 'n yster toegepas word, sal die vloei van elektrone in elk van die toestelle anders wees, aangesien hul weerstande verskil. Daarom word die sterkte van die stroom wat deur 'n sekere gedeelte van die stroombaan vloei nie net deur spanning bepaal nie, maar ook deur die weerstand van geleiers en toestelle.
Ohm se wet
Die waarde van elektriese weerstand word gemeet in ohm (Ohm) in 'n wetenskap soos fisika. Elektrisiteit (formules, definisies, eksperimente) is 'n groot onderwerp. Ons sal nie komplekse formules aflei nie. Vir die eerste kennismaking met die onderwerp is wat hierbo gesê is genoeg. Een formule is egter steeds die moeite werd om af te lei. Sy is redelik ongekompliseerd. Vir enige geleier of stelsel van geleiers en toestelle word die verband tussen spanning, stroom en weerstand gegee deur die formule: spanning=stroom x weerstand. Dit is die wiskundige uitdrukking van Ohm se wet, vernoem na George Ohm (1787-1854), wat eerste die verband tussen hierdie drie parameters vasgestel het.
Fisika van elektrisiteit is 'n baie interessante tak van die wetenskap. Ons het slegs die basiese konsepte wat daarmee geassosieer word, oorweeg. Het jy geweetWat is elektrisiteit en hoe word dit opgewek? Ons hoop jy vind hierdie inligting nuttig.
