Fizika elektriciteta je nešto s čime se svatko od nas mora suočiti. U članku ćemo razmotriti osnovne koncepte povezane s njim.
Što je struja? Za neupućenu osobu, to je povezano s bljeskom munje ili s energijom koja hrani TV i perilicu rublja. On zna da električni vlakovi koriste električnu energiju. Što još može reći? Električni vodovi ga podsjećaju na našu ovisnost o struji. Netko može dati još nekoliko primjera.
Međutim, mnoge druge, ne tako očite, ali svakodnevne pojave povezane su sa strujom. Fizika nas upoznaje sa svima njima. U školi počinjemo učiti elektricitet (zadatke, definicije i formule). I naučimo puno zanimljivih stvari. Ispostavilo se da srce koje kuca, sportaš koji trči, beba koja spava i plivajuća riba stvaraju električnu energiju.
Elektroni i protoni
Definirajmo osnovne pojmove. Sa stajališta znanstvenika, fizika elektriciteta povezana je s kretanjem elektrona i drugih nabijenih čestica u različitim tvarima. Stoga znanstveno razumijevanje prirode fenomena koji nas zanima ovisi o razini znanja o atomima i njihovim sastavnim subatomskim česticama. Mali elektron je ključ ovog razumijevanja. Atomi bilo koje tvari sadrže jedan ili više elektrona koji se kreću raznim orbitama oko jezgre, baš kao što se planeti okreću oko Sunca. Obično je broj elektrona u atomu jednak broju protona u jezgri. Međutim, protoni, koji su mnogo teži od elektrona, mogu se smatrati kao da su fiksirani u središtu atoma. Ovaj krajnje pojednostavljeni model atoma dovoljan je da objasni osnove takvog fenomena kao što je fizika elektriciteta.
Što još trebate znati? Elektroni i protoni imaju isti električni naboj (ali različit predznak), pa se međusobno privlače. Naboj protona je pozitivan, a naboj elektrona negativan. Atom koji ima više ili manje elektrona nego inače naziva se ion. Ako ih u atomu nema dovoljno, onda se naziva pozitivnim ionom. Ako ih sadrži višak, onda se naziva negativnim ionom.
Kada elektron napusti atom, on dobiva pozitivan naboj. Elektron, lišen svoje suprotnosti - protona, ili se kreće u drugi atom, ili se vraća na prethodni.
Zašto elektroni napuštaju atome?
To je zbog nekoliko razloga. Najopćenitije je da pod utjecajem svjetlosnog pulsa ili nekog vanjskog elektrona, elektron koji se kreće u atomu može biti izbačen iz svoje orbite. Toplina čini da atomi vibriraju brže. To znači da elektroni mogu izletjeti iz svog atoma. U kemijskim reakcijama također se kreću od atoma doatom.
Dobar primjer odnosa između kemijske i električne aktivnosti pružaju naši mišići. Njihova se vlakna skupljaju kada su izložena električnom signalu iz živčanog sustava. Električna struja potiče kemijske reakcije. Dovode do kontrakcije mišića. Vanjski električni signali često se koriste za umjetnu stimulaciju mišićne aktivnosti.
vodljivost
U nekim tvarima elektroni se pod djelovanjem vanjskog električnog polja kreću slobodnije nego u drugim. Za takve tvari se kaže da imaju dobru vodljivost. Zovu se provodnici. To uključuje većinu metala, zagrijane plinove i neke tekućine. Zrak, guma, ulje, polietilen i staklo slabi su provodnici struje. Zovu se dielektrici i koriste se za izolaciju dobrih vodiča. Idealni izolatori (apsolutno nevodljivi) ne postoje. Pod određenim uvjetima, elektroni se mogu ukloniti iz bilo kojeg atoma. Međutim, te je uvjete obično toliko teško ispuniti da se, s praktične točke gledišta, takve tvari mogu smatrati nevodljivim.
Upoznavši se s takvom znanošću kao što je fizika (odjeljak "Električnost"), saznajemo da postoji posebna skupina tvari. To su poluvodiči. Djelomično se ponašaju kao dielektrici, a dijelom kao vodiči. To uključuje, posebice: germanij, silicij, bakreni oksid. Zbog svojih svojstava, poluvodič nalazi mnoge primjene. Na primjer, može poslužiti kao električni ventil: poput ventila gume za bicikl, onomogućuje kretanje naboja samo u jednom smjeru. Takvi uređaji nazivaju se ispravljači. Koriste se u minijaturnim radijima kao i u velikim elektranama za pretvaranje izmjenične struje u istosmjernu.
Toplina je kaotičan oblik kretanja molekula ili atoma, a temperatura je mjera intenziteta tog kretanja (u većini metala, sa smanjenjem temperature, kretanje elektrona postaje slobodnije). To znači da otpor slobodnom kretanju elektrona opada s padom temperature. Drugim riječima, vodljivost metala se povećava.
Supervodljivost
U nekim tvarima pri vrlo niskim temperaturama otpor protoku elektrona potpuno nestaje, a elektroni, počevši se kretati, nastavljaju ga neograničeno. Taj se fenomen naziva supravodljivost. Na temperaturama nekoliko stupnjeva iznad apsolutne nule (-273 °C), opaža se u metalima kao što su kositar, olovo, aluminij i niobij.
Van de Graaff generatori
Školski kurikulum uključuje razne eksperimente s električnom energijom. Postoji mnogo vrsta generatora, od kojih bismo o jednom željeli detaljnije govoriti. Generator Van de Graaffa koristi se za proizvodnju ultravisokih napona. Ako se unutar posude stavi predmet koji sadrži višak pozitivnih iona, tada će se na unutarnjoj površini potonjeg pojaviti elektroni, a na vanjskoj će se pojaviti isti broj pozitivnih iona. Ako sada dodirnemo unutarnju površinu nabijenim predmetom, tada će svi slobodni elektroni prijeći na nju. Vanipozitivni naboji će ostati.
U Van de Graaffovom generatoru, pozitivni ioni iz izvora se primjenjuju na pokretnu traku unutar metalne kugle. Traka je spojena na unutarnju površinu kugle uz pomoć vodiča u obliku češlja. Elektroni teku prema dolje s unutarnje površine sfere. Na njegovoj vanjskoj strani pojavljuju se pozitivni ioni. Učinak se može poboljšati korištenjem dva generatora.
Električna struja
Školski tečaj fizike također uključuje takvu stvar kao što je električna struja. Što je? Električna struja nastaje zbog kretanja električnih naboja. Kada je električna lampa spojena na bateriju uključena, struja teče kroz žicu od jednog pola baterije do svjetiljke, zatim kroz njezinu kosu, uzrokujući da svijetli, i natrag kroz drugu žicu do drugog pola baterije. Ako se prekidač okrene, krug će se otvoriti - struja će se zaustaviti i lampica će se ugasiti.
Kretanje elektrona
Struja je u većini slučajeva uređeno kretanje elektrona u metalu koji služi kao vodič. U svim vodičima i nekim drugim tvarima uvijek se događa neko nasumično kretanje, čak i ako nema struje. Elektroni u materiji mogu biti relativno slobodni ili jako vezani. Dobri vodiči imaju slobodne elektrone koji se mogu kretati. Ali u lošim vodičima, odnosno izolatorima, većina ovih čestica dovoljno je čvrsto povezana s atomima, što sprječava njihovo kretanje.
Ponekad se kretanje elektrona u određenom smjeru stvara prirodno ili umjetno u vodiču. Taj se tok naziva električna struja. Mjeri se u amperima (A). Ioni (u plinovima ili otopinama) i "rupe" (nedostatak elektrona u nekim vrstama poluvodiča) također mogu poslužiti kao nosioci struje. Potonji se ponašaju kao pozitivno nabijeni nosioci električne struje. Potrebna je određena sila da bi se elektroni kretali u jednom smjeru ili U prirodi njegovi izvori mogu biti: izloženost sunčevoj svjetlosti, magnetski učinci i kemijske reakcije. Neki od njih se koriste za proizvodnju električne energije. Obično su u tu svrhu: generator koji koristi magnetske efekte i ćelija (baterija) čije djelovanje je posljedica na kemijske reakcije. Oba uređaja, stvarajući elektromotornu silu (EMF), uzrokuju pomicanje elektrona u jednom smjeru kroz krug. Vrijednost EMF-a se mjeri u voltima (V). Ovo su osnovne jedinice električne energije.
Veličina EMF-a i jačina struje međusobno su povezani, poput tlaka i protoka u tekućini. Vodovodne cijevi su uvijek napunjene vodom pod određenim tlakom, ali voda počinje teći tek kada se otvori slavina.
Slično, električni krug se može spojiti na izvor EMF-a, ali struja neće teći u njemu sve dok se ne stvori put kojim se elektroni kreću. To može biti, recimo, električna lampa ili usisavač, prekidač ovdje igra ulogu slavine koja “pušta” struju.
Odnos između trenutnog inapon
Kako napon u krugu raste, raste i struja. Proučavajući kolegij fizike saznajemo da se električni krugovi sastoje od nekoliko različitih dijelova: obično sklopke, vodiča i uređaja koji troši električnu energiju. Svi oni, povezani zajedno, stvaraju otpor električnoj struji, koji se (pod pretpostavkom konstantne temperature) za ove komponente ne mijenja s vremenom, ali je za svaku od njih različit. Stoga, ako se isti napon primijeni na žarulju i na željezo, tada će protok elektrona u svakom od uređaja biti različit, budući da su njihovi otpori različiti. Stoga je jačina struje koja teče kroz određeni dio strujnog kruga određena ne samo naponom, već i otporom vodiča i uređaja.
Ohmov zakon
Vrijednost električnog otpora mjeri se u ohmima (Ohm) u znanosti kao što je fizika. Elektrika (formule, definicije, eksperimenti) je ogromna tema. Nećemo izvoditi složene formule. Za prvo upoznavanje s temom dovoljno je ono što je gore rečeno. Međutim, jednu formulu ipak vrijedi izvesti. Ona je prilično nekomplicirana. Za bilo koji vodič ili sustav vodiča i uređaja odnos između napona, struje i otpora dan je formulom: napon=struja x otpor. Ovo je matematički izraz Ohmovog zakona, nazvanog po Georgeu Ohmu (1787-1854), koji je prvi uspostavio odnos između ova tri parametra.
Fizika elektriciteta je vrlo zanimljiva grana znanosti. Razmotrili smo samo osnovne koncepte povezane s njim. Dali si znaoŠto je električna energija i kako nastaje? Nadamo se da će vam ove informacije biti korisne.
