Էլեկտրական էներգիայի ֆիզիկան մի բան է, որի հետ մեզանից յուրաքանչյուրը պետք է առնչվի: Հոդվածում մենք կքննարկենք դրա հետ կապված հիմնական հասկացությունները:
Ի՞նչ է էլեկտրականությունը: Չգիտակցված մարդու համար դա կապված է կայծակի բռնկման կամ էներգիայի հետ, որը սնուցում է հեռուստացույցը և լվացքի մեքենան: Նա գիտի, որ էլեկտրագնացքներն օգտագործում են էլեկտրական էներգիա։ Էլ ի՞նչ կարող է ասել։ Էլեկտրահաղորդման գծերը նրան հիշեցնում են էլեկտրաէներգիայից մեր կախվածության մասին։ Ինչ-որ մեկը կարող է մի քանի այլ օրինակ բերել։
Սակայն շատ այլ, ոչ այնքան ակնհայտ, բայց կենցաղային երեւույթներ կապված են էլեկտրաէներգիայի հետ։ Ֆիզիկան մեզ ծանոթացնում է դրանց բոլորի հետ: Դպրոցում սկսում ենք ուսումնասիրել էլեկտրականությունը (առաջադրանքներ, սահմանումներ և բանաձևեր): Եվ մենք շատ հետաքրքիր բաներ ենք սովորում: Պարզվում է, որ բաբախող սիրտը, վազող մարզիկը, քնած երեխան և լողացող ձուկը բոլորն էլ արտադրում են էլեկտրական էներգիա։
Էլեկտրոններ և պրոտոններ
Եկեք սահմանենք հիմնական հասկացությունները: Գիտնականի տեսանկյունից էլեկտրաէներգիայի ֆիզիկան կապված է տարբեր նյութերում էլեկտրոնների և այլ լիցքավորված մասնիկների շարժման հետ։ Հետևաբար, մեզ հետաքրքրող երևույթի էության գիտական ըմբռնումը կախված է ատոմների և դրանց բաղկացուցիչ ենթաատոմային մասնիկների մասին գիտելիքների մակարդակից։Փոքրիկ էլեկտրոնը այս հասկացողության բանալին է: Ցանկացած նյութի ատոմները պարունակում են մեկ կամ մի քանի էլեկտրոններ, որոնք շարժվում են միջուկի շուրջ տարբեր ուղեծրերով, ճիշտ այնպես, ինչպես մոլորակները պտտվում են Արեգակի շուրջը։ Սովորաբար ատոմում էլեկտրոնների թիվը հավասար է միջուկի պրոտոնների թվին։ Այնուամենայնիվ, պրոտոնները, լինելով էլեկտրոններից շատ ավելի ծանր, կարելի է համարել որպես ատոմի կենտրոնում ամրացված։ Ատոմի այս չափազանց պարզեցված մոդելը բավական է բացատրելու այնպիսի երևույթի հիմունքները, ինչպիսին է էլեկտրականության ֆիզիկան:
Էլ ի՞նչ պետք է իմանաք: Էլեկտրոններն ու պրոտոնները ունեն նույն էլեկտրական լիցքը (բայց տարբեր նշան), ուստի նրանք ձգվում են միմյանց նկատմամբ։ Պրոտոնի լիցքը դրական է, իսկ էլեկտրոնիը՝ բացասական։ Այն ատոմը, որն ունի սովորականից ավելի կամ պակաս էլեկտրոններ, կոչվում է իոն: Եթե ատոմում դրանք բավարար չեն, ապա այն կոչվում է դրական իոն։ Եթե այն պարունակում է դրանց ավելցուկ, ապա այն կոչվում է բացասական իոն։
Երբ էլեկտրոնը հեռանում է ատոմից, այն ձեռք է բերում որոշակի դրական լիցք: Էլեկտրոնը, որը զրկված է իր հակառակից՝ պրոտոնից, կամ շարժվում է դեպի մեկ այլ ատոմ, կամ վերադառնում է նախորդին։
Ինչու՞ են էլեկտրոնները հեռանում ատոմներից:
Սա պայմանավորված է մի քանի պատճառներով: Ամենաընդհանուրն այն է, որ լույսի իմպուլսի կամ ինչ-որ արտաքին էլեկտրոնի ազդեցության տակ ատոմում շարժվող էլեկտրոնը կարող է դուրս հանվել իր ուղեծրից: Ջերմությունը ստիպում է ատոմներին ավելի արագ թրթռալ: Սա նշանակում է, որ էլեկտրոնները կարող են դուրս թռչել իրենց ատոմից: Քիմիական ռեակցիաներում նրանք նույնպես շարժվում են ատոմից դեպիատոմ.
Քիմիական և էլեկտրական ակտիվության փոխհարաբերությունների լավ օրինակ է տրամադրված մեր մկանների կողմից: Նրանց մանրաթելերը կծկվում են, երբ ենթարկվում են նյարդային համակարգի էլեկտրական ազդանշանին: Էլեկտրական հոսանքը խթանում է քիմիական ռեակցիաները: Դրանք հանգեցնում են մկանների կծկման: Արտաքին էլեկտրական ազդանշանները հաճախ օգտագործվում են մկանների ակտիվությունը արհեստականորեն խթանելու համար:
հաղորդականություն
Որոշ նյութերում էլեկտրոնները արտաքին էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ ավելի ազատ են շարժվում, քան մյուսներում: Ասում են, որ նման նյութերը լավ հաղորդունակություն ունեն։ Նրանք կոչվում են դիրիժորներ: Դրանք ներառում են մետաղների մեծ մասը, ջեռուցվող գազերը և որոշ հեղուկներ: Օդը, ռետինը, յուղը, պոլիէթիլենը և ապակին էլեկտրաէներգիայի վատ հաղորդիչներ են։ Դրանք կոչվում են դիէլեկտրիկներ և օգտագործվում են լավ հաղորդիչների մեկուսացման համար: Իդեալական մեկուսիչներ (բացարձակապես ոչ հաղորդիչ) գոյություն չունեն։ Որոշակի պայմաններում էլեկտրոնները կարող են հեռացվել ցանկացած ատոմից: Այնուամենայնիվ, այդ պայմանները սովորաբար այնքան դժվար է բավարարվում, որ գործնական տեսանկյունից նման նյութերը կարող են համարվել ոչ հաղորդիչ:
Ծանոթանալով այնպիսի գիտության հետ, ինչպիսին է ֆիզիկան (բաժին «Էլեկտրականություն»), մենք իմանում ենք, որ գոյություն ունի նյութերի հատուկ խումբ։ Սրանք կիսահաղորդիչներ են: Նրանք իրենց մասամբ որպես դիէլեկտրիկներ են պահում, մասամբ՝ որպես հաղորդիչներ։ Դրանք ներառում են, մասնավորապես, գերմանիում, սիլիցիում, պղնձի օքսիդ: Իր հատկությունների շնորհիվ կիսահաղորդիչը գտնում է բազմաթիվ կիրառություններ: Օրինակ, այն կարող է ծառայել որպես էլեկտրական փական. ինչպես հեծանիվների անվադողի փականը, այնթույլ է տալիս լիցքերը շարժվել միայն մեկ ուղղությամբ: Նման սարքերը կոչվում են ուղղիչներ: Դրանք օգտագործվում են մանրանկարչության ռադիոկայաններում, ինչպես նաև խոշոր էլեկտրակայաններում՝ AC-ը DC-ի փոխարկելու համար:
Ջերմությունը մոլեկուլների կամ ատոմների շարժման քաոսային ձև է, և ջերմաստիճանը այս շարժման ինտենսիվության չափումն է (մետաղների մեծ մասում ջերմաստիճանի նվազման դեպքում էլեկտրոնների շարժումն ավելի ազատ է դառնում): Սա նշանակում է, որ էլեկտրոնների ազատ շարժման դիմադրությունը նվազում է ջերմաստիճանի նվազման հետ: Այսինքն՝ մետաղների հաղորդունակությունը մեծանում է։
Գերհաղորդականություն
Շատ ցածր ջերմաստիճանի որոշ նյութերում էլեկտրոնների հոսքի նկատմամբ դիմադրությունը լիովին անհետանում է, իսկ էլեկտրոնները, սկսելով շարժվել, շարունակում են այն անորոշ ժամանակով։ Այս երեւույթը կոչվում է գերհաղորդականություն։ Բացարձակ զրոյից մի քանի աստիճանով բարձր ջերմաստիճանում (-273 °C) այն նկատվում է մետաղներում, ինչպիսիք են անագը, կապարը, ալյումինը և նիոբիումը:
Van de Graaff գեներատորներ
Դպրոցական ծրագիրը ներառում է էլեկտրաէներգիայի հետ կապված տարբեր փորձեր: Գեներատորների բազմաթիվ տեսակներ կան, որոնցից մեկի մասին կցանկանայինք ավելի մանրամասն խոսել։ Van de Graaff գեներատորը օգտագործվում է գերբարձր լարումներ արտադրելու համար: Եթե տարայի ներսում դրվի դրական իոնների ավելցուկ պարունակող առարկա, ապա վերջինիս ներքին մակերեսին կհայտնվեն էլեկտրոններ, իսկ արտաքին մակերեսին՝ նույնքան դրական իոններ։ Եթե մենք այժմ դիպչենք ներքին մակերեսին լիցքավորված առարկայով, ապա բոլոր ազատ էլեկտրոնները կանցնեն դրան։ Արտաքինումդրական լիցքերը կմնան։
Վան դե Գրաֆ գեներատորում աղբյուրից ստացված դրական իոնները կիրառվում են մետաղական գնդիկի ներսում գտնվող փոխակրիչի վրա: Ժապավենը սանրի տեսքով հաղորդիչի օգնությամբ միացվում է ոլորտի ներքին մակերեսին։ Էլեկտրոնները ներքև են հոսում ոլորտի ներքին մակերեսից։ Դրա արտաքին կողմում հայտնվում են դրական իոններ։ Էֆեկտը կարելի է ուժեղացնել՝ օգտագործելով երկու գեներատորներ։
Էլեկտրական հոսանք
Դպրոցական ֆիզիկայի դասընթացը ներառում է նաև էլեկտրական հոսանք: Ի՞նչ է դա։ Էլեկտրական հոսանքը պայմանավորված է էլեկտրական լիցքերի շարժմամբ։ Երբ մարտկոցին միացված էլեկտրական լամպը միացված է, հոսանքը մետաղալարով հոսում է մարտկոցի մի բևեռից դեպի լամպ, այնուհետև մազերի միջով, ինչը հանգեցնում է նրան, որ այն փայլում է, և երկրորդ լարով ետ է անցնում մարտկոցի մյուս բևեռը։. Եթե անջատիչը միացվի, շղթան կբացվի. հոսանքի հոսքը կդադարի, և լամպը կհանգչի:
Էլեկտրոնների շարժում
Հոսանքը շատ դեպքերում էլեկտրոնների կարգավորված շարժում է մետաղում, որը ծառայում է որպես հաղորդիչ: Բոլոր հաղորդիչների և որոշ այլ նյութերի մեջ միշտ պատահական շարժում է տեղի ունենում, նույնիսկ եթե հոսանք չկա: Էլեկտրոնները նյութի մեջ կարող են լինել համեմատաբար ազատ կամ խիստ կապված: Լավ հաղորդիչներն ունեն ազատ էլեկտրոններ, որոնք կարող են շարժվել շուրջը: Բայց վատ հաղորդիչներում կամ մեկուսիչներում այս մասնիկների մեծ մասը բավականաչափ ամուր կապված է ատոմների հետ, ինչը խանգարում է նրանց շարժմանը:
Երբեմն էլեկտրոնների շարժումը որոշակի ուղղությամբ առաջանում է բնական կամ արհեստական հաղորդիչում: Այս հոսքը կոչվում է էլեկտրական հոսանք: Այն չափվում է ամպերով (A): Իոնները (գազերում կամ լուծույթներում) և «անցքերը» (էլեկտրոնների պակասը կիսահաղորդիչների որոշ տեսակներում) կարող են ծառայել նաև որպես հոսանքի կրիչներ։ Վերջիններս իրենց պահում են որպես դրական լիցքավորված էլեկտրական հոսանքի կրիչներ։ Որոշ ուժ է անհրաժեշտ, որպեսզի էլեկտրոնները շարժվեն մեկ ուղղությամբ կամ Մեկ այլ: Բնության մեջ դրա աղբյուրները կարող են լինել արևի լույսի ազդեցությունը, մագնիսական ազդեցությունները և քիմիական ռեակցիաները: Դրանցից մի քանիսն օգտագործվում են էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար: Սովորաբար այդ նպատակով են՝ մագնիսական էֆեկտներ օգտագործող գեներատորը և բջիջը (մարտկոցը), որի գործողությունը պայմանավորված է: քիմիական ռեակցիաներին: Երկու սարքերն էլ, ստեղծելով էլեկտրաշարժիչ ուժ (EMF), ստիպում են էլեկտրոններին շարժվել մեկ ուղղությամբ շղթայի միջով: EMF արժեքը չափվում է վոլտերով (V): Սրանք էլեկտրականության հիմնական միավորներն են:
EMF-ի մեծությունը և հոսանքի ուժգնությունը փոխկապակցված են, ինչպես ճնշումը և հոսքը հեղուկում: Ջրի խողովակները միշտ լցվում են ջրով որոշակի ճնշման տակ, բայց ջուրը սկսում է հոսել միայն ծորակը միացնելուց հետո:
Նմանապես, էլեկտրական սխեման կարող է միացված լինել EMF-ի աղբյուրին, բայց հոսանքը չի հոսի այնտեղ, մինչև էլեկտրոնների շարժման ճանապարհը չստեղծվի: Դա կարող է լինել, ասենք, էլեկտրական լամպը կամ փոշեկուլը, անջատիչն այստեղ հոսանք «արձակող» ծորակի դեր է կատարում։
Հարաբերակցությունը ընթացիկ ևլարման
Շղթայում լարման աճին զուգահեռ մեծանում է հոսանքը: Ֆիզիկայի դասընթացն ուսումնասիրելով՝ մենք իմանում ենք, որ էլեկտրական սխեմաները բաղկացած են մի քանի տարբեր բաժիններից՝ սովորաբար անջատիչ, հաղորդիչներ և էլեկտրաէներգիա սպառող սարք: Դրանք բոլորը, միացված իրար, ստեղծում են դիմադրություն էլեկտրական հոսանքի նկատմամբ, որը (ենթադրելով հաստատուն ջերմաստիճան) այս բաղադրիչների համար ժամանակի ընթացքում չի փոխվում, բայց նրանցից յուրաքանչյուրի համար տարբեր է։ Հետևաբար, եթե լամպի և երկաթի վրա կիրառվի նույն լարումը, ապա սարքերից յուրաքանչյուրում էլեկտրոնների հոսքը տարբեր կլինի, քանի որ դրանց դիմադրությունները տարբեր են: Հետևաբար, շղթայի որոշակի հատվածով հոսող հոսանքի ուժը որոշվում է ոչ միայն լարման, այլև հաղորդիչների և սարքերի դիմադրությամբ։
Օհմի օրենք
Էլեկտրական դիմադրության արժեքը չափվում է ohms-ով (Օմ) այնպիսի գիտության մեջ, ինչպիսին է ֆիզիկան: Էլեկտրականությունը (բանաձևեր, սահմանումներ, փորձեր) հսկայական թեմա է: Մենք չենք բխի բարդ բանաձևերից: Թեմային առաջին ծանոթության համար բավական է վերը ասվածը։ Այնուամենայնիվ, մեկ բանաձև դեռ արժե բերել. Նա բավականին անբարդույթ է: Հաղորդիչների և սարքերի ցանկացած հաղորդիչի կամ համակարգի համար լարման, հոսանքի և դիմադրության հարաբերությունը տրված է բանաձևով՝ լարում=հոսանք x դիմադրություն: Սա Օհմի օրենքի մաթեմատիկական արտահայտությունն է, որն անվանվել է Ջորջ Օմի (1787-1854) պատվին, ով առաջինը հաստատել է այս երեք պարամետրերի միջև կապը:
Էլեկտրական էներգիայի ֆիզիկան գիտության շատ հետաքրքիր ճյուղ է։ Մենք դիտարկել ենք միայն դրա հետ կապված հիմնական հասկացությունները: Դուք գիտեի՞քԻ՞նչ է էլեկտրաէներգիան և ինչպես է այն արտադրվում: Հուսով ենք, որ այս տեղեկատվությունը ձեզ համար օգտակար կլինի:
