Kiekvienas iš mūsų turi susidurti su elektros fizika. Straipsnyje apžvelgsime pagrindines su juo susijusias sąvokas.
Kas yra elektra? Nežinančiam žmogui tai asocijuojasi su žaibo blyksniu arba su energija, kuri maitina televizorių ir skalbimo mašiną. Jis žino, kad elektriniai traukiniai naudoja elektros energiją. Ką dar jis gali pasakyti? Elektros linijos jam primena mūsų priklausomybę nuo elektros. Kas nors gali pateikti keletą kitų pavyzdžių.
Tačiau su elektra susiję ir daugelis kitų, ne taip akivaizdžių, bet kasdienių reiškinių. Su visais jais mus supažindina fizika. Mes pradedame mokytis elektros energijos (užduočių, apibrėžimų ir formulių) mokykloje. Ir sužinome daug įdomių dalykų. Pasirodo, plakanti širdis, bėgiojantis sportininkas, miegantis kūdikis ir plaukianti žuvis gamina elektros energiją.
Elektronai ir protonai
Apibrėžkime pagrindines sąvokas. Mokslininko požiūriu, elektros fizika siejama su elektronų ir kitų įkrautų dalelių judėjimu įvairiose medžiagose. Todėl mokslinis mus dominančio reiškinio prigimties supratimas priklauso nuo žinių apie atomus ir juos sudarančias subatomines daleles lygio. Mažytis elektronas yra šio supratimo raktas. Bet kurios medžiagos atomuose yra vienas ar daugiau elektronų, kurie juda įvairiomis orbitomis aplink branduolį, lygiai taip pat, kaip planetos sukasi aplink saulę. Paprastai elektronų skaičius atome yra lygus protonų skaičiui branduolyje. Tačiau protonai, būdami daug sunkesni už elektronus, gali būti laikomi tarsi pritvirtintais atomo centre. Šio itin supaprastinto atomo modelio pakanka paaiškinti tokio reiškinio, kaip elektros fizika, pagrindus.
Ką dar reikia žinoti? Elektronai ir protonai turi tą patį elektros krūvį (bet skirtingą ženklą), todėl juos traukia vienas kitą. Protono krūvis yra teigiamas, o elektrono – neigiamas. Atomas, turintis daugiau ar mažiau elektronų nei įprastai, vadinamas jonu. Jei atome jų nėra pakankamai, tai vadinama teigiamu jonu. Jei jame yra jų perteklius, jis vadinamas neigiamu jonu.
Kai elektronas palieka atomą, jis įgauna teigiamą krūvį. Elektronas, netekęs savo priešingybės – protono, arba pereina prie kito atomo, arba grįžta į ankstesnįjį.
Kodėl elektronai palieka atomus?
Taip yra dėl kelių priežasčių. Bendriausia yra tai, kad veikiamas šviesos impulso ar kokio nors išorinio elektrono, atome judantis elektronas gali būti išmuštas iš savo orbitos. Šiluma priverčia atomus vibruoti greičiau. Tai reiškia, kad elektronai gali išskristi iš savo atomo. Cheminėse reakcijose jie taip pat pereina iš atomo įatomas.
Puikus cheminio ir elektrinio aktyvumo ryšio pavyzdys yra mūsų raumenys. Jų skaidulos susitraukia veikiant elektros signalui iš nervų sistemos. Elektros srovė skatina chemines reakcijas. Jie veda prie raumenų susitraukimo. Išoriniai elektriniai signalai dažnai naudojami dirbtinai stimuliuojant raumenų veiklą.
Laidumas
Kai kuriose medžiagose elektronai, veikiami išorinio elektrinio lauko, juda laisviau nei kitose. Teigiama, kad tokios medžiagos turi gerą laidumą. Jie vadinami laidininkais. Tai apima daugumą metalų, šildomas dujas ir kai kuriuos skysčius. Oras, guma, alyva, polietilenas ir stiklas yra prasti elektros laidininkai. Jie vadinami dielektrika ir naudojami geriems laidininkams izoliuoti. Idealių izoliatorių (visiškai nelaidžių) nėra. Tam tikromis sąlygomis elektronai gali būti pašalinti iš bet kurio atomo. Tačiau šias sąlygas paprastai taip sunku įvykdyti, kad praktiniu požiūriu tokios medžiagos gali būti laikomos nelaidžiomis.
Susipažindami su tokiu mokslu kaip fizika (skyrius „Elektra“), sužinome, kad yra speciali medžiagų grupė. Tai puslaidininkiai. Jie iš dalies elgiasi kaip dielektrikai ir iš dalies kaip laidininkai. Tai visų pirma: germanis, silicis, vario oksidas. Dėl savo savybių puslaidininkis randa daugybę pritaikymų. Pavyzdžiui, jis gali tarnauti kaip elektrinis vožtuvas: kaip dviračio padangos vožtuvas, taileidžia krūviams judėti tik viena kryptimi. Tokie įrenginiai vadinami lygintuvais. Jie naudojami miniatiūriniuose radijo imtuvuose ir didelėse elektrinėse kintamajai srovei paversti DC.
Šiluma yra chaotiška molekulių ar atomų judėjimo forma, o temperatūra yra šio judėjimo intensyvumo matas (daugumoje metalų, mažėjant temperatūrai, elektronų judėjimas tampa laisvesnis). Tai reiškia, kad mažėjant temperatūrai atsparumas laisvam elektronų judėjimui mažėja. Kitaip tariant, padidėja metalų laidumas.
Superlaidumas
Kai kuriose medžiagose esant labai žemai temperatūrai pasipriešinimas elektronų srautui visiškai išnyksta, o pradėję judėti elektronai tai tęsia neribotą laiką. Šis reiškinys vadinamas superlaidumu. Kai temperatūra keliais laipsniais aukštesnė už absoliutų nulį (-273 °C), jis pastebimas tokiuose metaluose kaip alavas, švinas, aliuminis ir niobis.
Van de Graaff generatoriai
Mokyklos programoje yra įvairių eksperimentų su elektra. Yra daugybė generatorių tipų, apie vieną iš jų norėtume pakalbėti plačiau. Van de Graaff generatorius naudojamas itin aukštai įtampai gaminti. Jei į talpyklos vidų įdedamas objektas, kuriame yra teigiamų jonų perteklius, pastarojo vidiniame paviršiuje atsiras elektronai, o išoriniame – tiek pat teigiamų jonų. Jei dabar paliesime vidinį paviršių įkrautu objektu, tada visi laisvieji elektronai pereis į jį. Išorėjeliks teigiami krūviai.
Van de Graaff generatoriuje teigiami jonai iš š altinio yra nukreipiami į konvejerio juostą metalinėje sferoje. Juosta su vidiniu rutulio paviršiumi sujungiama šukos pavidalo laidininko pagalba. Elektronai teka žemyn nuo vidinio sferos paviršiaus. Jo išorinėje pusėje atsiranda teigiami jonai. Efektą galima sustiprinti naudojant du generatorius.
Elektros srovė
Į mokyklinės fizikos kursą taip pat įtrauktas toks dalykas kaip elektros srovė. Kas tai? Elektros srovė atsiranda dėl elektros krūvių judėjimo. Kai įjungiama prie akumuliatoriaus prijungta elektros lempa, srovė teka laidu nuo vieno akumuliatoriaus poliaus iki lempos, tada per jos plaukus, todėl ji šviečia, ir per antrąjį laidą grįžta atgal į kitą akumuliatoriaus polių.. Jei jungiklis pasuktas, grandinė atsidarys – srovė nutrūks ir lemputė užges.
Elektronų judėjimas
Srovė daugeliu atvejų yra tvarkingas elektronų judėjimas metale, kuris tarnauja kaip laidininkas. Visuose laidininkuose ir kai kuriose kitose medžiagose visada vyksta atsitiktinis judėjimas, net jei srovė neteka. Elektronai materijoje gali būti santykinai laisvi arba stipriai surišti. Geri laidininkai turi laisvus elektronus, kurie gali judėti. Tačiau prastuose laidininkuose arba izoliatoriuose dauguma šių dalelių yra pakankamai stipriai sujungtos su atomais, o tai neleidžia jiems judėti.
Kartais elektronų judėjimas tam tikra kryptimi laidininke sukuriamas natūraliai arba dirbtinai. Šis srautas vadinamas elektros srove. Jis matuojamas amperais (A). Srovės nešikliai gali būti ir jonai (dujose ar tirpaluose) ir „skylės“(elektronų trūkumas kai kuriuose puslaidininkių tipuose). Pastarieji elgiasi kaip teigiamai įkrauti elektros srovės nešikliai. Tam, kad elektronai judėtų viena kryptimi arba kitas. Gamtoje jo š altiniai gali būti: saulės spindulių poveikis, magnetiniai poveikiai ir cheminės reakcijos. Kai kurie iš jų naudojami elektrai gaminti. Paprastai šiam tikslui yra: generatorius naudojant magnetinius efektus ir elementas (baterija), kurio veikimas priklauso nuo cheminėms reakcijoms. Abu prietaisai, sukurdami elektrovaros jėgą (EMF), verčia elektronus grandinėje judėti viena kryptimi. EML vertė matuojama voltais (V). Tai yra pagrindiniai elektros energijos vienetai.
EML dydis ir srovės stiprumas yra tarpusavyje susiję, pavyzdžiui, slėgis ir srautas skystyje. Vandens vamzdžiai visada užpildomi tam tikro slėgio vandeniu, tačiau vanduo pradeda tekėti tik tada, kai atsukamas maišytuvas.
Panašiai elektros grandinę galima prijungti prie EML š altinio, tačiau srovė joje netekės, kol nebus sukurtas kelias elektronams judėti. Tai gali būti, tarkime, elektros lempa arba dulkių siurblys, jungiklis čia atlieka čiaupo vaidmenį, kuris „išleidžia“srovę.
Santykis tarp dabartinės irįtampa
Didėjant įtampai grandinėje, didėja ir srovė. Studijuodami fizikos kursą sužinome, kad elektros grandinės susideda iš kelių skirtingų sekcijų: dažniausiai jungiklio, laidininkų ir elektrą vartojančio įrenginio. Visi jie, sujungti kartu, sukuria varžą elektros srovei, kuri (darant pastovią temperatūrą) šiems komponentams bėgant laikui nekinta, bet yra skirtinga kiekvienam iš jų. Todėl, jei elektros lemputei ir lygintuvui bus tiekiama ta pati įtampa, elektronų srautas kiekviename iš prietaisų skirsis, nes skiriasi jų varžos. Todėl tam tikroje grandinės atkarpoje tekančios srovės stiprumą lemia ne tik įtampa, bet ir laidininkų bei prietaisų varža.
Omo dėsnis
Elektrinės varžos vertė matuojama omais (omais) tokiame moksle kaip fizika. Elektra (formulės, apibrėžimai, eksperimentai) yra didžiulė tema. Sudėtingų formulių neišvesime. Pirmajai pažinčiai su tema pakanka to, kas buvo pasakyta aukščiau. Tačiau vieną formulę vis tiek verta išvesti. Ji gana nesudėtinga. Bet kuriam laidininkui ar laidininkų ir prietaisų sistemai ryšys tarp įtampos, srovės ir varžos apibrėžiamas pagal formulę: įtampa=srovė x varža. Tai matematinė Ohmo dėsnio išraiška, pavadinta George'o Ohmo (1787–1854) vardu, kuris pirmasis nustatė ryšį tarp šių trijų parametrų.
Elektros fizika yra labai įdomi mokslo šaka. Mes apsvarstėme tik pagrindines su juo susijusias sąvokas. Ar tu žinaiKas yra elektra ir kaip ji gaminama? Tikimės, kad ši informacija jums bus naudinga.
