Fizik elektrik ialah sesuatu yang perlu kita hadapi. Dalam artikel kami akan mempertimbangkan konsep asas yang berkaitan dengannya.
Apakah itu elektrik? Bagi orang yang belum tahu, ia dikaitkan dengan kilat atau dengan tenaga yang menyalurkan TV dan mesin basuh. Dia tahu kereta api elektrik menggunakan tenaga elektrik. Apa lagi yang boleh dia katakan? Talian elektrik mengingatkan dia tentang pergantungan kita kepada elektrik. Seseorang boleh memberikan beberapa contoh lain.
Walau bagaimanapun, banyak lagi, tidak begitu jelas, tetapi fenomena harian disambungkan dengan elektrik. Fizik memperkenalkan kita kepada mereka semua. Kami mula belajar elektrik (tugas, definisi dan formula) di sekolah. Dan kami belajar banyak perkara menarik. Ternyata jantung yang berdegup, atlet berlari, bayi tidur dan ikan berenang semuanya menjana tenaga elektrik.
Elektron dan proton
Mari kita takrifkan konsep asas. Dari sudut pandangan seorang saintis, fizik elektrik dikaitkan dengan pergerakan elektron dan zarah bercas lain dalam pelbagai bahan. Oleh itu, pemahaman saintifik tentang sifat fenomena yang menarik kepada kita bergantung pada tahap pengetahuan tentang atom dan zarah subatom konstituennya. Elektron kecil adalah kunci kepada pemahaman ini. Atom mana-mana bahan mengandungi satu atau lebih elektron yang bergerak dalam pelbagai orbit mengelilingi nukleus, sama seperti planet-planet beredar mengelilingi matahari. Biasanya bilangan elektron dalam atom adalah sama dengan bilangan proton dalam nukleus. Walau bagaimanapun, proton, yang jauh lebih berat daripada elektron, boleh dianggap seolah-olah tetap di pusat atom. Model atom yang sangat dipermudahkan ini sudah cukup untuk menerangkan asas fenomena seperti fizik elektrik.
Apa lagi yang anda perlu tahu? Elektron dan proton mempunyai cas elektrik yang sama (tetapi tanda berbeza), jadi mereka tertarik antara satu sama lain. Caj bagi proton adalah positif dan cas elektron adalah negatif. Atom yang mempunyai lebih atau kurang elektron daripada biasa dipanggil ion. Jika jumlahnya tidak mencukupi dalam atom, maka ia dipanggil ion positif. Jika ia mengandungi lebihan daripadanya, maka ia dipanggil ion negatif.
Apabila elektron meninggalkan atom, ia memperoleh beberapa cas positif. Elektron, kehilangan lawannya - proton, sama ada bergerak ke atom lain atau kembali ke atom sebelumnya.
Mengapa elektron meninggalkan atom?
Ini disebabkan oleh beberapa sebab. Yang paling umum ialah di bawah pengaruh nadi cahaya atau beberapa elektron luar, elektron yang bergerak dalam atom boleh tersingkir dari orbitnya. Haba menjadikan atom bergetar lebih cepat. Ini bermakna elektron boleh terbang keluar dari atomnya. Dalam tindak balas kimia, mereka juga bergerak dari atom keatom.
Contoh yang baik tentang hubungan antara aktiviti kimia dan elektrik disediakan oleh otot kita. Gentian mereka mengecut apabila terdedah kepada isyarat elektrik dari sistem saraf. Arus elektrik merangsang tindak balas kimia. Mereka membawa kepada penguncupan otot. Isyarat elektrik luaran sering digunakan untuk merangsang aktiviti otot secara buatan.
Kekonduksian
Dalam sesetengah bahan, elektron di bawah tindakan medan elektrik luar bergerak lebih bebas daripada yang lain. Bahan tersebut dikatakan mempunyai kekonduksian yang baik. Mereka dipanggil konduktor. Ini termasuk kebanyakan logam, gas yang dipanaskan, dan beberapa cecair. Udara, getah, minyak, polietilena dan kaca adalah pengalir elektrik yang lemah. Ia dipanggil dielektrik dan digunakan untuk melindungi pengalir yang baik. Penebat yang ideal (benar-benar tidak konduktif) tidak wujud. Dalam keadaan tertentu, elektron boleh dikeluarkan dari mana-mana atom. Walau bagaimanapun, syarat-syarat ini biasanya sangat sukar untuk dipenuhi sehingga, dari sudut praktikal, bahan tersebut boleh dianggap tidak konduktif.
Berkenalan dengan sains seperti fizik (bahagian "Elektrik"), kita mengetahui bahawa terdapat kumpulan bahan khas. Ini adalah semikonduktor. Mereka berkelakuan sebahagiannya sebagai dielektrik dan sebahagiannya sebagai konduktor. Ini termasuk, khususnya: germanium, silikon, kuprum oksida. Oleh kerana sifatnya, semikonduktor menemui banyak aplikasi. Sebagai contoh, ia boleh berfungsi sebagai injap elektrik: seperti injap tayar basikal, iamembenarkan caj bergerak dalam satu arah sahaja. Peranti sedemikian dipanggil penerus. Ia digunakan dalam radio kecil serta loji kuasa besar untuk menukar AC kepada DC.
Haba ialah bentuk pergerakan molekul atau atom yang huru-hara, dan suhu ialah ukuran keamatan pergerakan ini (dalam kebanyakan logam, dengan penurunan suhu, pergerakan elektron menjadi lebih bebas). Ini bermakna rintangan kepada pergerakan bebas elektron berkurangan dengan penurunan suhu. Dengan kata lain, kekonduksian logam meningkat.
Superkonduktiviti
Dalam sesetengah bahan pada suhu yang sangat rendah, rintangan kepada aliran elektron hilang sepenuhnya, dan elektron, setelah mula bergerak, meneruskannya selama-lamanya. Fenomena ini dipanggil superkonduktiviti. Pada suhu beberapa darjah di atas sifar mutlak (-273 °C), ia diperhatikan dalam logam seperti timah, plumbum, aluminium dan niobium.
Penjana Van de Graaff
Kurikulum sekolah merangkumi pelbagai eksperimen dengan elektrik. Terdapat banyak jenis penjana, salah satunya kami ingin bercakap dengan lebih terperinci. Penjana Van de Graaff digunakan untuk menghasilkan voltan ultra tinggi. Jika objek yang mengandungi lebihan ion positif diletakkan di dalam bekas, maka elektron akan muncul di permukaan dalam yang terakhir, dan bilangan ion positif yang sama akan muncul di permukaan luar. Jika sekarang kita menyentuh permukaan dalam dengan objek bercas, maka semua elektron bebas akan melaluinya. Di luarcaj positif akan kekal.
Dalam penjana Van de Graaff, ion positif daripada sumber digunakan pada tali pinggang penghantar di dalam sfera logam. Pita disambungkan ke permukaan dalaman sfera dengan bantuan konduktor dalam bentuk sikat. Elektron mengalir turun dari permukaan dalam sfera. Ion positif muncul di bahagian luarnya. Kesannya boleh dipertingkatkan dengan menggunakan dua penjana.
Arus elektrik
Kursus fizik sekolah juga merangkumi perkara seperti arus elektrik. Apa itu? Arus elektrik adalah disebabkan oleh pergerakan cas elektrik. Apabila lampu elektrik yang disambungkan kepada bateri dihidupkan, arus mengalir melalui wayar dari satu kutub bateri ke lampu, kemudian melalui rambutnya, menyebabkan ia bersinar, dan kembali melalui wayar kedua ke kutub bateri yang lain.. Jika suis dihidupkan, litar akan terbuka - aliran arus akan berhenti dan lampu akan padam.
Pergerakan elektron
Arus dalam kebanyakan kes ialah pergerakan tertib elektron dalam logam yang berfungsi sebagai konduktor. Dalam semua konduktor dan beberapa bahan lain sentiasa terdapat beberapa pergerakan rawak berlaku, walaupun tiada arus yang mengalir. Elektron dalam jirim boleh agak bebas atau terikat kuat. Konduktor yang baik mempunyai elektron bebas yang boleh bergerak. Tetapi dalam konduktor atau penebat yang lemah, kebanyakan zarah ini cukup kuat disambungkan dengan atom, yang menghalang pergerakannya.
Kadangkala pergerakan elektron ke arah tertentu dicipta secara semula jadi atau buatan dalam konduktor. Aliran ini dipanggil arus elektrik. Ia diukur dalam ampere (A). Ion (dalam gas atau larutan) dan "lubang" (kekurangan elektron dalam beberapa jenis semikonduktor) juga boleh berfungsi sebagai pembawa semasa. Yang kedua berkelakuan seperti pembawa arus elektrik bercas positif. Beberapa daya diperlukan untuk membuat elektron bergerak ke satu arah atau lain. Secara semula jadi sumbernya boleh: pendedahan kepada cahaya matahari, kesan magnet dan tindak balas kimia. Sebahagian daripada mereka digunakan untuk menjana elektrik. Biasanya untuk tujuan ini ialah: penjana menggunakan kesan magnet, dan sel (bateri) yang tindakannya disebabkan kepada tindak balas kimia. Kedua-dua peranti, mewujudkan daya gerak elektrik (EMF), menyebabkan elektron bergerak ke satu arah melalui litar. Nilai EMF diukur dalam volt (V). Ini adalah unit asas elektrik.
Magnitud EMF dan kekuatan arus adalah saling berkaitan, seperti tekanan dan aliran dalam cecair. Paip air sentiasa diisi dengan air pada tekanan tertentu, tetapi air hanya mula mengalir apabila pili dihidupkan.
Begitu juga, litar elektrik boleh disambungkan kepada sumber EMF, tetapi arus tidak akan mengalir di dalamnya sehingga laluan dicipta untuk elektron bergerak bersama. Ia boleh menjadi, katakan, lampu elektrik atau pembersih vakum, suis di sini memainkan peranan sebagai paip yang "melepaskan" arus.
Hubungan antara semasa danvoltan
Apabila voltan dalam litar bertambah, begitu juga arus. Mempelajari kursus fizik, kita mengetahui bahawa litar elektrik terdiri daripada beberapa bahagian yang berbeza: biasanya suis, konduktor dan peranti yang menggunakan elektrik. Kesemuanya, disambungkan bersama, mencipta rintangan kepada arus elektrik, yang (dengan mengandaikan suhu malar) untuk komponen ini tidak berubah mengikut masa, tetapi berbeza untuk setiap daripada mereka. Oleh itu, jika voltan yang sama digunakan pada mentol lampu dan pada seterika, maka aliran elektron dalam setiap peranti akan berbeza, kerana rintangannya berbeza. Oleh itu, kekuatan arus yang mengalir melalui bahagian tertentu litar ditentukan bukan sahaja oleh voltan, tetapi juga oleh rintangan konduktor dan peranti.
Hukum Ohm
Nilai rintangan elektrik diukur dalam ohm (Ohm) dalam sains seperti fizik. Elektrik (formula, definisi, eksperimen) ialah topik yang luas. Kami tidak akan memperoleh formula yang kompleks. Untuk kenalan pertama dengan topik, apa yang telah dikatakan di atas sudah memadai. Walau bagaimanapun, satu formula masih bernilai diperolehi. Dia agak tidak rumit. Untuk mana-mana konduktor atau sistem konduktor dan peranti, hubungan antara voltan, arus dan rintangan diberikan oleh formula: voltan=arus x rintangan. Ini ialah ungkapan matematik undang-undang Ohm, dinamakan sempena George Ohm (1787-1854), yang mula-mula mewujudkan hubungan antara ketiga-tiga parameter ini.
Fizik elektrik ialah cabang sains yang sangat menarik. Kami telah mempertimbangkan hanya konsep asas yang berkaitan dengannya. Adakah kamu tahuApakah elektrik dan bagaimana ia dijana? Kami harap anda mendapati maklumat ini berguna.
