Физика на електроенергията: определение, експерименти, единица за измерване

Физиката на електроенергията е, с която трябва да се сблъска всеки от нас. В статията ще разгледаме свързаните с нея основни концепции.

Какво е електричество? За непознат човек е свързан със светкавица или с подаване на енергия към телевизора и пералнята. Той знае, че електрическите влакове използват електрическа енергия. Какво друго може да каже? За зависимостта ни от електричество, тя напомня на електрическите линии. Някой ще може да даде няколко други примера.

Въпреки това много други, не толкова очевидни, но ежедневни явления са свързани с електричество. С всички ние сме въведени от физиката. Електричество (задачи, дефиниции и формули) започваме да учим в училище. И научаваме много интересни неща. Оказва се, че биещо сърце, бягащ спортист, спящо дете и плаваща риба - всички произвеждат електрическа енергия.

Електрони и протони

Да дефинираме основните понятия. От гледна точка на учените физиката на електроенергията е свързана с движението на електрони и други заредени частици в различни вещества. Ето защо научното разбиране за природата на явлението, което ни интересува, зависи от нивото на познанието за атомите и субатомните частици, които ги съставят. Ключът към това разбиране е малък електронен. Атомите на всяко вещество съдържат един или повече електрони, движещи се в различни орбити около ядрото, точно както планетите обикалят около слънцето. Обикновено броят на електроните в атома е равен на броя на протоните в ядрото. Но протоните, които са много по-тежки от електроните, могат да се разглеждат като фиксирани в центъра на атома. Този изключително опростен модел на атома е достатъчно, за да обясни основите на такъв феномен като физиката на електроенергията.

Какво още трябва да знам? Електроните и протоните имат същия размер електрически заряд (но с различен знак), така че те се привличат един към друг. Протонният заряд е положителен, а електронът е отрицателен. Атом с повече или по-малко електрони от обикновено се нарича йон. Ако в атома няма достатъчно от тях, той се нарича положителен йон. Ако съдържа излишъка си, той се нарича отрицателен йон.

Когато един електронен напусне атом, той придобива определена положителна заряд. Електрон, лишен от обратното - протон, или се придвижва към друг атом, или се връща към първия.

Защо електроните напускат атомите?

Има няколко причини за това. Най-често срещано е, че под действието на светлинен импулс или на някакъв външен електронен елемент може да бъде изхвърлен от неговата орбита електронен, който се движи в атом. Топлината води до по-бързо генериране на атоми. Това означава, че електроните могат да излитат от атома си. При химичните реакции те също се придвижват от атома в атома.

Добър пример за връзката между химическата и електрическата активност ни дава мускули. Техните влакна се намаляват от действието на електрически сигнал, идващ от нервната система. Електрическият ток стимулира химическите реакции. Те водят до мускулна контракция. Външните електрически сигнали често се използват за изкуствено стимулиране на мускулната активност.

проводимост

В някои вещества, електроните под действието на външно електрическо поле се движат по-свободно, отколкото в други. Казват, че такива вещества имат добра проводимост. Те се наричат ​​диригенти. Те включват повечето метали, загряти газове и някои течности. Въздухът, каучукът, нефтът, полиетиленът и стъклото не водят добре електричеството. Те се наричат ​​диелектрици и се използват за изолиране на добри проводници. Идеални изолатори (абсолютно непровеждащи ток) не съществуват. При определени условия, електроните могат да бъдат отстранени от всеки атом. Обикновено тези условия са толкова трудни за изпълнение, че от практическа гледна точка тези вещества могат да се считат за непроводими.

Запознаване с такива науки като физика (раздел "Електричество"), научаваме, че има специална група от вещества. Това са полупроводници. Те се държат отчасти като диелектрици и отчасти като проводници. Те включват, по-специално, германий, силиций, меден оксид. Благодарение на свойствата си, полупроводникът намира много приложения. Например, той може да служи като електрически вентил: като клапан за гуми за велосипеди, той позволява на зареждането да се движи само в една посока. Такива устройства се наричат ​​токоизправители. Те се използват както в миниатюрни радиоприемници, така и в големи електроцентрали за преобразуване на AC в DC.

Топлината е хаотична форма на движение на молекули или атоми и температурата е мярка за интензивността на това движение (в повечето метали с намаляваща температура, движението на електроните става по-свободно). Това означава, че съпротивлението на свободното движение на електроните намалява с намаляващата температура. С други думи, проводимостта на металите се увеличава.

свръхпроводимост

При някои вещества при много ниски температури съпротивлението на потока от електрони изчезва напълно и електроните, след като са започнали движението, продължават без ограничения. Това явление се нарича свръхпроводимост. При температура няколко градуса над абсолютна нула (-273 ° С) се наблюдава при метали като калай, олово, алуминий и ниобий.

Генератори Ван де Грааф

Учебният план включва различни експерименти с електричество. Има няколко вида генератори, един от които бихме искали да разкажем по-подробно. Генератор Ван де Грааф Използва се за получаване на свръхвисоки напрежения. Ако в контейнера се постави обект, съдържащ излишък от положителни йони, тогава върху вътрешната повърхност на втория ще се появят електрони, а отвън - същия брой положителни йони. Ако докоснем вътрешната повърхност на зареден обект, всички свободни електрони ще преминат към него. Отвън обаче остават положителни такси.

В генератора на Van de Graaff положителни йони от източника се поставят върху лентата на транспортьора, минаваща през металната сфера. Лентата е свързана с вътрешната повърхност на сферата посредством проводник под формата на билото. Електроните излизат от вътрешната повърхност на сферата. Отвън се появяват положителни йони. Ефектът може да бъде подобрен, като се използват два генератора.

Електрически ток

Учебният курс по физика включва нещо като електрически ток. Какво е това? Получава се електрически ток движението на електрическите заряди. Когато електрическата лампа, свързан с батерията, е включен, ток минава по протежение на проводника от единия полюс на батерията на лампата, а след това през косата му, карайки го да свети, и се връща обратно към втория проводник към другия полюс на батерията. Ако ключът бъде завъртян, веригата ще се отвори - токът ще спре и лампата ще изгасне.

Предложение на електрони

Токът в повечето случаи е наредено движение на електрони в метал, служещ като проводник. Във всички проводници и някои други вещества, винаги се случва случайно движение, дори ако токът не тече. Електроните в материята могат да бъдат сравнително свободни или силно свързани. Добрите проводници имат свободни електрони, които могат да се движат. Но при лоши проводници или изолатори повечето от тези частици са доста здраво свързани с атоми, което пречи на тяхното движение.

Понякога естественият или изкуствен начин в проводника създава движението на електроните в определена посока. Този поток се нарича електрически ток. Измерва се в ампери (А). Текущи носители могат също така да служат като йони (в газове или разтвори) и "дупка" (липса на електроните в някои видове полупроводници. Последните държат като положително заредени носители на електрически ток. За да принудят електроните да се движат в една или друга посока, изисква сила. В природата, нейните източници могат да бъдат: излагане на слънчева светлина, магнитни ефекти и химични реакции, някои от които се използват за генериране на електрически ток, обикновено за тази цел: генератор, използващ магнитни ефекти, и елемент (батерия), чието действие се дължи на химични реакции. електромоторна сила (ЕМП), принуди електроните да се движат в същата посока по веригата. Магнитудът на ЕМП се измерва във волта (V). Това са основните единици за измерване на електроенергията.

Размерът на емф и ток са свързани, като налягане и поток в течност. Водните тръби винаги се пълнят с вода под определено налягане, но водата започва да тече само когато кранчето е отворено.

по същия начин електрическа верига може да бъде свързан към източника на ЕМП, но токът в него няма да тече, докато не се създаде път, по който могат да се движат електроните. Те могат да бъдат, да речем, електрическа лампа или прахосмукачка, превключвателят тук играе ролята на кран, който "изпуска" тока.

Връзката между тока и напрежението

С увеличаването на напрежението в електрическата верига токът също се увеличава. Изучавайки курса на физиката, научаваме, че електрическите вериги се състоят от няколко различни секции: обикновено това е превключвател, проводници и устройството е потребител на електричество. Всички те, свързани помежду си, създават съпротивление на електрическия ток, който (при условие на постоянна температура) за тези компоненти не се променя с течение на времето, но за всеки от тях е различен. Следователно, ако същото напрежение се прилага върху електрическата крушка и желязото, тогава потокът от електрони във всеки от инструментите ще бъде различен, тъй като техните съпротивления са различни. Следователно, токът, преминаващ през определена част от веригата, се определя не само от напрежението, но и от съпротивлението на проводниците и устройствата.

Законът на Ом

Магнитудът на електрическото съпротивление се измерва в оми (ома) в наука като физиката. Електричеството (формули, дефиниции, експерименти) е обширна тема. Ние няма да извлечем сложни формули. За първото запознаване с темата е достатъчно, че е казано по-горе. Все пак една формула трябва да бъде оттеглена. Това е съвсем просто. За всеки проводник или система от проводници и устройства отношението между напрежение, ток и съпротивление е дадено от формулата: напрежение = ток x съпротивление. Това е математически израз на закона на Ом, кръстен на Джордж Ом (1787-1854), който първо установи връзката между тези три параметъра.

Физиката на електроенергията е много интересна част от науката. Ние разгледахме само основните понятия, свързани с него. Научихте какво е електричеството, как се образува. Надяваме се, че тази информация ще ви бъде полезна.