Koliko je usmjereno kretanje nabijenih čestica? Za mnoge je ovo neshvatljivo područje, ali zapravo je sve vrlo jednostavno. Dakle, kada govore o usmjerenom kretanju nabijenih čestica, misle na struju. Pogledajmo njegove glavne karakteristike i formulacije, kao i razmotrimo sigurnosna pitanja pri radu s njim.
Opće informacije
Počnite s definicijom. Pod električnom strujom uvijek se podrazumijeva uređeno (usmjereno) kretanje nabijenih čestica koje se odvija pod utjecajem električnog polja. O kakvim se objektima može govoriti u ovom slučaju? Čestice znače elektrone, ione, protone, rupe. Također je važno znati kolika je trenutna snaga. Ovo je broj nabijenih čestica koje prolaze kroz poprečni presjek vodiča u jedinici vremena.
Priroda fenomena
Sve fizičke tvari sastoje se od molekula koje su formirane od atoma. Oni također nisu konačni materijal, jer imaju elemente (jezgru i elektrone koji se okreću oko nje). Sve kemijske reakcije popraćene su kretanjem čestica. Na primjer, uz sudjelovanje elektrona, neki će atomi doživjeti svoj nedostatak, dok će drugi doživjeti višak. U ovom slučaju, tvari imaju suprotne naboje. Ako dođe do njihovog kontakta, elektroni iz jednog će težiti drugome.
Takva fizička priroda elementarnih čestica objašnjava bit električne struje. Ovo usmjereno kretanje nabijenih čestica nastavit će se sve dok se vrijednosti ne izjednače. U ovom slučaju, reakcija promjena je lanac. Drugim riječima, umjesto otpuštenog elektrona, na njegovo mjesto dolazi drugi. Za zamjenu se koriste čestice susjednog atoma. Ali ni tu lanac ne prestaje. Elektron također može doći do ekstremnog atoma, na primjer, s negativnog pola izvora struje koja teče.
Primjer takve situacije je baterija. S negativne strane vodiča elektroni se kreću prema pozitivnom polu izvora. Kada sve čestice u negativno zaraženoj komponenti ponestane, struja prestaje. U ovom slučaju se kaže da je baterija prazna. Kolika je brzina usmjerenog kretanja nabijenih čestica koje se kreću na ovaj način? Odgovor na ovo pitanje nije tako jednostavan kao što se čini na prvi pogled.
Uloga stresa
Za što se koristi ovaj koncept? Napon je karakteristika električnog polja, što je razlika potencijala između dvije točke koje se nalaze unutar njega. Mnogima ovo može izgledati zbunjujuće. Kada je u pitanju usmjereno (uređeno) kretanje nabijenih čestica, onda morate razumjeti napon.
Zamislimo da imamo jednostavnog dirigenta. To može biti žica izrađena od metala, kao što je bakar ili aluminij. U našem slučaju to nije toliko važno. Masa elektrona je 9,10938215(45)×10-31kg. To znači da je prilično materijalna. Ali metal vodiča je čvrst. Kako onda elektroni mogu teći kroz njega?
Zašto može biti struje u metalnim proizvodima
Okrenimo se osnovama kemije, koje je svatko od nas imao priliku naučiti u školi. Ako je broj elektrona u tvari jednak broju protona, tada je osigurana neutralnost elementa. Na temelju periodičnog zakona Mendeljejeva, određuje se s kojom se supstancom treba pozabaviti. Ovisi o broju protona i neutrona. Nemoguće je zanemariti veliku razliku između masa jezgre i elektrona. Ako se uklone, tada će težina atoma ostati praktički nepromijenjena.
Na primjer, masa protona je približno 1836 veća od vrijednosti elektrona. Ali te su mikroskopske čestice vrlo važne, jer mogu lako napustiti neke atome i pridružiti se drugima. Istodobno, smanjenje ili povećanje njihovog broja dovodi dopromijeniti naboj atoma. Ako uzmemo u obzir jedan atom, tada će njegov broj elektrona uvijek biti promjenjiv. Stalno odlaze i vraćaju se. To je zbog toplinskog kretanja i gubitka energije.
Kemijska specifičnost fizičkog fenomena
Kada postoji usmjereno kretanje električno nabijenih čestica, ne gubi li se atomska masa? Mijenja li se sastav dirigenta? Ovo je vrlo važna zabluda koja mnoge zbunjuje. Odgovor je u ovom slučaju samo negativan. To je zbog činjenice da kemijski elementi nisu određeni njihovom atomskom masom, već brojem protona koji se nalaze u jezgri. Prisutnost ili odsutnost elektrona/neutrona u ovom slučaju ne igra ulogu. U praksi to izgleda ovako:
- Dodaj ili oduzmi elektrone. Ispada ion.
- Dodaj ili oduzmi neutrone. Ispada izotop.
Kemijski element se ne mijenja. Ali s protonima je situacija drugačija. Ako je samo jedan, onda imamo vodik. Dva protona - i govorimo o heliju. Tri čestice su litij. itd. Oni koji su zainteresirani za nastavak mogu pogledati periodni sustav. Zapamtite: iako struja prođe kroz vodič tisuću puta, njegov se kemijski sastav neće promijeniti. Ali možda drugačije.
Elektroliti i druge zanimljive točke
Posebnost elektrolita je da se mijenja njihov kemijski sastav. Zatim, pod utjecajem struje,elektrolitnih elemenata. Kada se njihov potencijal iscrpi, usmjereno kretanje nabijenih čestica će prestati. Ova situacija je posljedica činjenice da su nosioci naboja u elektrolitima ioni.
Osim toga, postoje kemijski elementi bez elektrona. Primjer bi bio:
- Atomski kozmički vodik.
- Sve tvari koje su u stanju plazme.
- Plinovi u gornjim slojevima atmosfere (ne samo na Zemlji, već i na drugim planetima na kojima se nalaze zračne mase).
- Sadržaj akceleratora i sudarača.
Također treba napomenuti da se pod utjecajem električne struje neke kemikalije mogu doslovno raspasti. Dobro poznati primjer je osigurač. Kako to izgleda na mikro razini? Elektroni koji se kreću guraju atome na njihovom putu. Ako je struja vrlo jaka, tada kristalna rešetka vodiča ne može izdržati i uništava se, a tvar se topi.
Natrag na brzinu
Ranije je ova točka bila površno dotaknuta. Pogledajmo ga sada pobliže. Treba napomenuti da koncept brzine usmjerenog gibanja nabijenih čestica u obliku električne struje ne postoji. To je zbog činjenice da su različite vrijednosti isprepletene. Dakle, električno polje se širi kroz vodič brzinom koja je blizu kretanju svjetlosti, odnosno oko 300 000 kilometara u sekundi.
Pod njegovim utjecajem svi se elektroni počinju kretati. Ali njihova brzinajako malo. To je otprilike 0,007 milimetara u sekundi. Istodobno, oni također nasumično jure u toplinskom gibanju. U slučaju protona i neutrona situacija je drugačija. Preveliki su da bi im se dogodili isti događaji. U pravilu nije potrebno govoriti o njihovoj brzini što je bliže vrijednosti svjetlosti.
Fizički parametri
Sada pogledajmo što je kretanje nabijenih čestica u električnom polju s fizičke točke gledišta. Da bismo to učinili, zamislimo da imamo kartonsku kutiju u koju se nalazi 12 boca gaziranog pića. Istodobno se tu pokušava smjestiti još jedan kontejner. Pretpostavimo da je uspjelo. Ali kutija je jedva preživjela. Kada pokušate staviti drugu bocu, ona se razbije i svi spremnici ispadaju.
Dotična kutija može se usporediti s poprečnim presjekom vodiča. Što je ovaj parametar veći (deblja žica), to može pružiti veću struju. Time se određuje koliki volumen može imati usmjereno gibanje nabijenih čestica. U našem slučaju, kutija koja sadrži od jedne do dvanaest boca može lako ispuniti svoju namjenu (neće puknuti). Analogno možemo reći da dirigent neće gorjeti.
Ako prekoračite naznačenu vrijednost, objekt neće uspjeti. U slučaju vodiča, otpor će doći u igru. Ohmov zakon vrlo dobro opisuje usmjereno gibanje električno nabijenih čestica.
Odnos između različitih fizičkih parametara
Po kutijiiz našeg primjera možete staviti još jedan. U tom slučaju se po jedinici površine može staviti ne 12, već čak 24 boce. Dodamo još jednu - i ima ih trideset i šest. Jedna od kutija se može smatrati fizičkom jedinicom, analogno naponu.
Što je širi (čime se smanjuje otpor), to se više boca (koje u našem primjeru zamjenjuju struju) može postaviti. Povećanjem hrpe kutija možete postaviti dodatne spremnike po jedinici površine. U ovom slučaju, snaga se povećava. To ne uništava kutiju (dirigent). Evo sažetka ove analogije:
- Ukupni broj boca povećava snagu.
- Broj spremnika u kutiji pokazuje trenutnu snagu.
- Broj kutija u visini omogućuje vam procjenu napona.
- Širina kutije daje ideju o otporu.
Moguće opasnosti
Već smo raspravljali da se usmjereno kretanje nabijenih čestica naziva struja. Treba napomenuti da ovaj fenomen može biti opasan za ljudsko zdravlje, pa čak i život. Ovdje je sažetak svojstava električne struje:
- Omogućuje zagrijavanje vodiča kroz koji teče. Ako je električna mreža kućanstva preopterećena, izolacija će se postupno ugljenisati i raspasti. Kao rezultat, postoji mogućnost kratkog spoja, što je vrlo opasno.
- Električna struja, kada teče kroz kućanske aparate i žice, susreće seotpornost materijala koji tvore elemente. Stoga odabire put koji ima minimalnu vrijednost za ovaj parametar.
- Ako dođe do kratkog spoja, jačina struje naglo raste. Time se oslobađa značajna količina topline. Može otopiti metal.
- Može doći do kratkog spoja zbog prodora vlage. U slučajevima o kojima smo ranije govorili, obližnji objekti svijetle, ali u ovom slučaju ljudi uvijek pate.
- Strujni udar nosi značajnu opasnost. Vrlo je vjerojatno čak i smrtonosno. Kada električna struja teče kroz ljudsko tijelo, otpor tkiva se uvelike smanjuje. Počinju se zagrijavati. U tom slučaju, stanice su uništene i živčani završeci umiru.
Sigurnosna pitanja
Kako biste izbjegli izlaganje električnoj struji, morate koristiti posebnu zaštitnu opremu. Radove treba izvoditi u gumenim rukavicama koristeći podlogu od istog materijala, šipke za pražnjenje, kao i uređaje za uzemljenje radnih mjesta i opreme.
Sklopke s različitim zaštitama pokazale su se dobrima kao uređaj koji može spasiti život osobe.
Također, ne treba zaboraviti na osnovne sigurnosne mjere pri radu. Ako dođe do požara koji uključuje električnu opremu, mogu se koristiti samo aparati za gašenje požara ugljičnim dioksidom i prahom. Potonji pokazuju najbolji rezultat u borbi protiv požara, ali oprema prekrivena prašinom ne može se uvijek obnoviti.
Zaključak
Na primjerima razumljivim svakom čitatelju, doznali smo da se uređeno usmjereno kretanje nabijenih čestica naziva električna struja. Ovo je vrlo zanimljiv fenomen, važan i s pozicija fizike i kemije. Električna struja je neumorni pomoćnik čovjeku. Međutim, s njim se mora postupati pažljivo. Članak govori o sigurnosnim pitanjima na koja treba obratiti pozornost ako nema želje za smrću.
