De fysica van elektriciteit is iets waar ieder van ons mee te maken heeft. In het artikel zullen we de basisconcepten bekijken die ermee verbonden zijn.
Wat is elektriciteit? Voor een niet-ingewijde persoon wordt het geassocieerd met een bliksemflits of met de energie die de tv en de wasmachine voedt. Hij weet dat elektrische treinen elektrische energie verbruiken. Wat kan hij nog meer zeggen? Hoogspanningsleidingen herinneren hem aan onze afhankelijkheid van elektriciteit. Iemand kan nog een paar andere voorbeelden geven.
Veel andere, niet zo voor de hand liggende, maar alledaagse fenomenen zijn echter verbonden met elektriciteit. Natuurkunde laat ons ze allemaal kennen. We beginnen elektriciteit (taken, definities en formules) op school te bestuderen. En we leren veel interessante dingen. Het blijkt dat een kloppend hart, een rennende atleet, een slapende baby en een zwemmende vis allemaal elektrische energie opwekken.
Elektronen en protonen
Laten we de basisconcepten definiëren. Vanuit het oogpunt van een wetenschapper wordt de fysica van elektriciteit geassocieerd met de beweging van elektronen en andere geladen deeltjes in verschillende stoffen. Daarom hangt het wetenschappelijke begrip van de aard van het fenomeen dat voor ons van belang is af van het kennisniveau over atomen en hun samenstellende subatomaire deeltjes. Het kleine elektron is de sleutel tot dit begrip. De atomen van elke stof bevatten een of meer elektronen die in verschillende banen rond de kern bewegen, net zoals de planeten rond de zon draaien. Gewoonlijk is het aantal elektronen in een atoom gelijk aan het aantal protonen in de kern. Protonen, die veel zwaarder zijn dan elektronen, kunnen echter worden beschouwd als gefixeerd in het centrum van het atoom. Dit extreem vereenvoudigde model van het atoom is voldoende om de basis te verklaren van een fenomeen als de fysica van elektriciteit.
Wat moet je nog meer weten? Elektronen en protonen hebben dezelfde elektrische lading (maar verschillend teken), dus worden ze tot elkaar aangetrokken. De lading van een proton is positief en die van een elektron is negatief. Een atoom dat meer of minder elektronen heeft dan normaal, wordt een ion genoemd. Als er niet genoeg van in een atoom zijn, wordt het een positief ion genoemd. Als het een overmaat ervan bevat, wordt het een negatief ion genoemd.
Als een elektron een atoom verlaat, krijgt het een positieve lading. Een elektron, beroofd van zijn tegendeel - een proton, beweegt ofwel naar een ander atoom, of keert terug naar het vorige.
Waarom verlaten elektronen atomen?
Dit heeft verschillende redenen. De meest algemene is dat onder invloed van een lichtpuls of een extern elektron, een elektron dat in een atoom beweegt, uit zijn baan kan worden geslagen. Door warmte gaan de atomen sneller trillen. Dit betekent dat elektronen uit hun atoom kunnen vliegen. Bij chemische reacties gaan ze ook van atoom naaratoom.
Een goed voorbeeld van de relatie tussen chemische en elektrische activiteit wordt geleverd door onze spieren. Hun vezels trekken samen wanneer ze worden blootgesteld aan een elektrisch signaal van het zenuwstelsel. Elektrische stroom stimuleert chemische reacties. Ze leiden tot spiercontractie. Externe elektrische signalen worden vaak gebruikt om spieractiviteit kunstmatig te stimuleren.
Geleidbaarheid
In sommige stoffen bewegen elektronen onder invloed van een extern elektrisch veld vrijer dan in andere. Van dergelijke stoffen wordt gezegd dat ze een goede geleidbaarheid hebben. Ze worden geleiders genoemd. Deze omvatten de meeste metalen, verwarmde gassen en sommige vloeistoffen. Lucht, rubber, olie, polyethyleen en glas zijn slechte geleiders van elektriciteit. Ze worden diëlektrica genoemd en worden gebruikt om goede geleiders te isoleren. Ideale isolatoren (absoluut niet-geleidend) bestaan niet. Onder bepaalde omstandigheden kunnen elektronen van elk atoom worden verwijderd. Aan deze voorwaarden is gewoonlijk echter zo moeilijk te voldoen dat dergelijke stoffen vanuit praktisch oogpunt als niet-geleidend kunnen worden beschouwd.
Door kennis te maken met een wetenschap als natuurkunde (sectie "Elektriciteit"), leren we dat er een speciale groep stoffen is. Dit zijn halfgeleiders. Ze gedragen zich deels als diëlektrica en deels als geleiders. Deze omvatten met name: germanium, silicium, koperoxide. Door zijn eigenschappen vindt de halfgeleider vele toepassingen. Het kan bijvoorbeeld dienen als elektrisch ventiel: net als een fietsbandventiel kan hetlaat ladingen maar in één richting bewegen. Dergelijke apparaten worden gelijkrichters genoemd. Ze worden zowel in miniatuurradio's als in grote energiecentrales gebruikt om wisselstroom naar gelijkstroom om te zetten.
Warmte is een chaotische vorm van beweging van moleculen of atomen, en temperatuur is een maat voor de intensiteit van deze beweging (in de meeste metalen, met afnemende temperatuur, wordt de beweging van elektronen vrijer). Dit betekent dat de weerstand tegen het vrije verkeer van elektronen afneemt met afnemende temperatuur. Met andere woorden, de geleidbaarheid van metalen neemt toe.
Supergeleiding
In sommige stoffen verdwijnt bij zeer lage temperaturen de weerstand tegen de stroom van elektronen volledig, en de elektronen gaan, nadat ze zijn begonnen te bewegen, voor onbepaalde tijd door. Dit fenomeen wordt supergeleiding genoemd. Bij temperaturen enkele graden boven het absolute nulpunt (-273 °C) wordt het waargenomen in metalen zoals tin, lood, aluminium en niobium.
Van de Graaff generatoren
Het schoolcurriculum omvat verschillende experimenten met elektriciteit. Er zijn veel soorten generatoren, waarvan we er één in meer detail willen bespreken. De Van de Graaff-generator wordt gebruikt om ultrahoge spanningen te produceren. Als een object met een overmaat aan positieve ionen in een container wordt geplaatst, verschijnen er elektronen op het binnenoppervlak van de laatste en hetzelfde aantal positieve ionen op het buitenoppervlak. Als we nu het binnenoppervlak aanraken met een geladen voorwerp, dan gaan alle vrije elektronen ernaartoe. Aan de buitenkantpositieve ladingen zullen blijven.
In een Van de Graaff-generator worden positieve ionen van een bron aangebracht op een transportband in een metalen bol. De tape is verbonden met het binnenoppervlak van de bol met behulp van een geleider in de vorm van een kam. De elektronen stromen naar beneden vanaf het binnenoppervlak van de bol. Positieve ionen verschijnen aan de buitenkant. Het effect kan worden versterkt door twee generatoren te gebruiken.
Elektrische stroom
De cursus natuurkunde op school omvat ook zoiets als elektrische stroom. Wat is het? Elektrische stroom is te wijten aan de beweging van elektrische ladingen. Wanneer een elektrische lamp die op een batterij is aangesloten, wordt ingeschakeld, stroomt er stroom door een draad van de ene pool van de batterij naar de lamp, vervolgens door zijn haar, waardoor deze gaat gloeien, en terug door de tweede draad naar de andere pool van de batterij. Als de schakelaar wordt gedraaid, wordt het circuit geopend - de stroom stopt en de lamp gaat uit.
Beweging van elektronen
Stroom is in de meeste gevallen een geordende beweging van elektronen in een metaal dat als geleider dient. In alle geleiders en sommige andere stoffen is er altijd een willekeurige beweging gaande, zelfs als er geen stroom vloeit. Elektronen in materie kunnen relatief vrij of sterk gebonden zijn. Goede geleiders hebben vrije elektronen die kunnen bewegen. Maar in slechte geleiders of isolatoren zijn de meeste van deze deeltjes sterk genoeg verbonden met atomen, wat hun beweging verhindert.
Soms wordt de beweging van elektronen in een bepaalde richting op natuurlijke of kunstmatige wijze in een geleider gecreëerd. Deze stroom wordt elektrische stroom genoemd. Het wordt gemeten in ampère (A). Ionen (in gassen of oplossingen) en "gaten" (gebrek aan elektronen in sommige soorten halfgeleiders) kunnen ook dienen als stroomdragers. Deze laatste gedragen zich als positief geladen elektrische stroomdragers. Er is enige kracht nodig om elektronen in één richting of Andere bronnen kunnen in de natuur zijn: blootstelling aan zonlicht, magnetische effecten en chemische reacties. Sommige ervan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. Hiervoor zijn meestal: een generator die magnetische effecten gebruikt, en een cel (batterij) waarvan de werking het gevolg is op chemische reacties. Beide apparaten, die een elektromotorische kracht (EMF) creëren, zorgen ervoor dat de elektronen in één richting door het circuit bewegen. De EMF-waarde wordt gemeten in volt (V). Dit zijn de basiseenheden van elektriciteit.
De grootte van de EMF en de sterkte van de stroom zijn met elkaar verbonden, zoals druk en stroming in een vloeistof. Waterleidingen zijn altijd gevuld met water onder een bepaalde druk, maar het water begint pas te stromen als de kraan open staat.
Op dezelfde manier kan een elektrisch circuit worden aangesloten op een EMF-bron, maar er zal geen stroom in vloeien totdat er een pad is gecreëerd waardoor de elektronen zich kunnen voortbewegen. Het kan bijvoorbeeld een elektrische lamp of een stofzuiger zijn, de schakelaar speelt hier de rol van een kraan die stroom "loslaat".
De relatie tussen huidige enspanning
Naarmate de spanning in het circuit toeneemt, neemt ook de stroom toe. Als we een natuurkundecursus volgen, leren we dat elektrische circuits uit verschillende secties bestaan: meestal een schakelaar, geleiders en een apparaat dat elektriciteit verbruikt. Allemaal, met elkaar verbonden, creëren ze een weerstand tegen elektrische stroom, die (uitgaande van een constante temperatuur) voor deze componenten niet verandert met de tijd, maar voor elk van hen anders is. Daarom, als dezelfde spanning wordt toegepast op een gloeilamp en op een strijkijzer, zal de stroom van elektronen in elk van de apparaten anders zijn, omdat hun weerstanden verschillend zijn. Daarom wordt de sterkte van de stroom die door een bepaald deel van het circuit vloeit niet alleen bepaald door de spanning, maar ook door de weerstand van geleiders en apparaten.
Wet van Ohm
De waarde van elektrische weerstand wordt gemeten in ohm (Ohm) in een wetenschap zoals natuurkunde. Elektriciteit (formules, definities, experimenten) is een veelomvattend onderwerp. We zullen geen complexe formules afleiden. Voor de eerste kennismaking met het onderwerp is wat hierboven is gezegd voldoende. Eén formule is echter nog steeds de moeite waard. Ze is vrij ongecompliceerd. Voor elke geleider of systeem van geleiders en apparaten wordt de relatie tussen spanning, stroom en weerstand gegeven door de formule: spanning=stroom x weerstand. Dit is de wiskundige uitdrukking van de wet van Ohm, genoemd naar George Ohm (1787-1854), die voor het eerst de relatie tussen deze drie parameters vaststelde.
Fysica van elektriciteit is een zeer interessante tak van wetenschap. We hebben alleen de basisconcepten beschouwd die ermee verbonden zijn. Wist je datWat is elektriciteit en hoe wordt het opgewekt? We hopen dat u deze informatie nuttig vindt.
