Fizika elektrike je nekaj, s čimer se mora vsak od nas spopasti. V članku bomo obravnavali osnovne koncepte, povezane z njim.
Kaj je elektrika? Za nepoučeno osebo je povezan z bliskom strele ali z energijo, ki napaja TV in pralni stroj. Ve, da električni vlaki uporabljajo električno energijo. Kaj še lahko reče? Daljnovodi ga spominjajo na našo odvisnost od elektrike. Nekdo lahko navede še nekaj drugih primerov.
Vendar pa so z elektriko povezani številni drugi, ne tako očitni, a vsakdanji pojavi. Z vsemi nam jih predstavi fizika. V šoli začnemo študirati elektriko (naloge, definicije in formule). In izvemo marsikaj zanimivega. Izkazalo se je, da utripajoče srce, tekač, speči dojenček in plavajoča riba proizvajajo električno energijo.
Elektroni in protoni
Definirajmo osnovne pojme. Z vidika znanstvenika je fizika elektrike povezana s gibanjem elektronov in drugih nabitih delcev v različnih snoveh. Zato je znanstveno razumevanje narave pojava, ki nas zanima, odvisno od ravni znanja o atomih in njihovih sestavnih subatomskih delcih. Majhen elektron je ključ do tega razumevanja. Atomi katere koli snovi vsebujejo enega ali več elektronov, ki se gibljejo po različnih orbitah okoli jedra, tako kot se planeti vrtijo okoli sonca. Običajno je število elektronov v atomu enako številu protonov v jedru. Vendar pa lahko protone, ki so veliko težji od elektronov, štejemo za pritrjene v središču atoma. Ta izjemno poenostavljen model atoma je dovolj, da razloži osnove takega pojava, kot je fizika elektrike.
Kaj še morate vedeti? Elektroni in protoni imajo enak električni naboj (vendar različen predznak), zato se med seboj privlačijo. Naboj protona je pozitiven, naboj elektrona pa negativen. Atom, ki ima več ali manj elektronov kot običajno, se imenuje ion. Če jih v atomu ni dovolj, se imenuje pozitivni ion. Če jih vsebuje presežek, se imenuje negativni ion.
Ko elektron zapusti atom, pridobi nekaj pozitivnega naboja. Elektron, ki mu je odvzeto nasprotje - proton, se bodisi premakne k drugemu atomu, bodisi se vrne k prejšnjemu.
Zakaj elektroni zapuščajo atome?
To je posledica več razlogov. Najbolj splošno je, da lahko pod vplivom svetlobnega impulza ali kakšnega zunanjega elektrona elektron, ki se giblje v atomu, izbije iz svoje orbite. Zaradi toplote atomi vibrirajo hitreje. To pomeni, da lahko elektroni letijo iz svojega atoma. Pri kemičnih reakcijah se premikajo tudi od atoma doatom.
Dober primer razmerja med kemično in električno aktivnostjo so naše mišice. Njihova vlakna se skrčijo, ko so izpostavljena električnemu signalu iz živčnega sistema. Električni tok spodbuja kemične reakcije. Povzročajo krčenje mišic. Zunanji električni signali se pogosto uporabljajo za umetno spodbujanje mišične aktivnosti.
prevodnost
V nekaterih snoveh se elektroni pod delovanjem zunanjega električnega polja gibljejo bolj svobodno kot v drugih. Takšne snovi naj bi imele dobro prevodnost. Imenujejo se vodniki. Ti vključujejo večino kovin, segrete pline in nekatere tekočine. Zrak, guma, olje, polietilen in steklo so slabi prevodniki električne energije. Imenujejo se dielektriki in se uporabljajo za izolacijo dobrih prevodnikov. Idealni izolatorji (popolnoma neprevodni) ne obstajajo. Pod določenimi pogoji je mogoče elektrone odstraniti iz katerega koli atoma. Vendar je te pogoje običajno tako težko izpolniti, da se lahko s praktičnega vidika takšne snovi štejejo za neprevodne.
Ko se seznanimo s tako znanostjo, kot je fizika (oddelek "Elektrika"), izvemo, da obstaja posebna skupina snovi. To so polprevodniki. Obnašajo se deloma kot dielektriki in deloma kot prevodniki. Ti vključujejo zlasti: germanij, silicij, bakrov oksid. Zaradi svojih lastnosti polprevodnik najde veliko aplikacij. Na primer, lahko služi kot električni ventil: tako kot ventil za kolesarske pnevmatikeomogoča premikanje nabojev samo v eno smer. Takšne naprave se imenujejo usmerniki. Uporabljajo se v miniaturnih radijskih sprejemnikih in velikih elektrarnah za pretvorbo izmeničnega toka v enosmerni.
Toplota je kaotična oblika gibanja molekul ali atomov, temperatura pa je merilo za intenzivnost tega gibanja (pri večini kovin z zniževanjem temperature gibanje elektronov postane svobodnejše). To pomeni, da se upor proti prostemu gibanju elektronov zmanjšuje z nižanjem temperature. Z drugimi besedami, prevodnost kovin se poveča.
superprevodnost
V nekaterih snoveh pri zelo nizkih temperaturah upor proti toku elektronov popolnoma izgine in elektroni, ko se začnejo premikati, ga nadaljujejo v nedogled. Ta pojav se imenuje superprevodnost. Pri temperaturah nekaj stopinj nad absolutno ničlo (-273 °C) ga opazimo v kovinah, kot so kositer, svinec, aluminij in niobij.
Van de Graaff generatorji
Šolski učni načrt vključuje različne poskuse z elektriko. Obstaja veliko vrst generatorjev, o enem bi radi govorili podrobneje. Generator Van de Graaff se uporablja za proizvodnjo ultravisokih napetosti. Če v posodo postavite predmet, ki vsebuje presežek pozitivnih ionov, se bodo na notranji površini slednje pojavili elektroni, na zunanji površini pa enako število pozitivnih ionov. Če se zdaj z nabitim predmetom dotaknemo notranje površine, bodo vsi prosti elektroni prešli nanjo. Na zunajpozitivni naboji bodo ostali.
V Van de Graaffovem generatorju se pozitivni ioni iz vira nanesejo na transportni trak znotraj kovinske krogle. Trak je povezan z notranjo površino krogle s pomočjo prevodnika v obliki glavnika. Elektroni tečejo navzdol z notranje površine krogle. Na zunanji strani se pojavijo pozitivni ioni. Učinek je mogoče izboljšati z uporabo dveh generatorjev.
električni tok
Šolski tečaj fizike vključuje tudi električni tok. Kaj je to? Električni tok je posledica gibanja električnih nabojev. Ko je električna svetilka, povezana z baterijo, vklopljena, tok teče skozi žico od enega pola baterije do žarnice, nato skozi njene lase, zaradi česar sveti, in nazaj skozi drugo žico do drugega pola baterije.. Če obrnete stikalo, se vezje odpre - tok se bo ustavil in lučka bo ugasnila.
Gibanje elektronov
Tok je v večini primerov urejeno gibanje elektronov v kovini, ki služi kot prevodnik. V vseh prevodnikih in nekaterih drugih snoveh se vedno dogaja naključno gibanje, tudi če ne teče tok. Elektroni v snovi so lahko relativno prosti ali močno vezani. Dobri prevodniki imajo proste elektrone, ki se lahko premikajo. Toda v slabih prevodnikih ali izolatorjih je večina teh delcev dovolj močno povezana z atomi, kar preprečuje njihovo gibanje.
Včasih je gibanje elektronov v določeni smeri ustvarjeno naravno ali umetno v prevodniku. Ta tok se imenuje električni tok. Meri se v amperih (A). Kot nosilci toka lahko služijo tudi ioni (v plinih ali raztopinah) in »luknje« (pomanjkanje elektronov v nekaterih vrstah polprevodnikov). Slednji se obnašajo kot pozitivno nabiti nosilci električnega toka. Potrebna je nekaj sile, da se elektroni premikajo v eno smer oz. V naravi so lahko njeni viri: izpostavljenost sončni svetlobi, magnetni učinki in kemične reakcije. Nekateri od njih se uporabljajo za proizvodnjo električne energije. Običajno so v ta namen: generator, ki uporablja magnetne učinke, in celica (baterija), katere delovanje je posledica na kemične reakcije. Obe napravi, ki ustvarjata elektromotorno silo (EMF), povzročita, da se elektroni premikajo v eni smeri skozi vezje. Vrednost EMF se meri v voltih (V). To so osnovne enote električne energije.
Velikost EMF in jakost toka sta medsebojno povezani, tako kot tlak in tok v tekočini. Vodovodne cevi so vedno napolnjene z vodo pod določenim tlakom, vendar voda začne teči šele, ko se odpre pipa.
Podobno lahko električni tokokrog povežemo z virom EMF, vendar tok ne bo tekel v njem, dokler se ne ustvari pot, po kateri se lahko premikajo elektroni. Lahko je recimo električna svetilka ali sesalnik, stikalo tukaj igra vlogo pipe, ki "spusti" tok.
Razmerje med trenutnim innapetost
Ko se napetost v tokokrogu povečuje, raste tudi tok. Pri študiju fizike izvemo, da so električna vezja sestavljena iz več različnih delov: običajno stikalo, vodniki in naprava, ki porablja električno energijo. Vsi skupaj, povezani, ustvarjajo upor proti električnemu toku, ki se (ob predpostavki konstantne temperature) za te komponente s časom ne spreminja, ampak je za vsako od njih drugačen. Če torej na žarnico in na likalnik uporabimo enako napetost, bo tok elektronov v vsaki napravi drugačen, saj so njihovi upori različni. Zato je moč toka, ki teče skozi določen del vezja, določena ne le z napetostjo, temveč tudi z upornostjo prevodnikov in naprav.
Ohmov zakon
Vrednost električnega upora se meri v ohmih (Ohmih) v znanosti, kot je fizika. Elektrika (formule, definicije, poskusi) je obsežna tema. Ne bomo izpeljali zapletenih formul. Za prvo seznanitev s temo je dovolj že zgoraj povedano. Vendar pa je še vedno vredno izpeljati eno formulo. Je precej nezapletena. Za kateri koli prevodnik ali sistem prevodnikov in naprav je razmerje med napetostjo, tokom in uporom podano s formulo: napetost=tok x upor. To je matematični izraz Ohmovega zakona, poimenovanega po Georgeu Ohmu (1787-1854), ki je prvi vzpostavil razmerje med temi tremi parametri.
Fizika elektrike je zelo zanimiva veja znanosti. Upoštevali smo le osnovne koncepte, povezane z njim. Ali si vedelKaj je električna energija in kako nastaja? Upamo, da so vam te informacije koristne.
