Koje je usmjereno kretanje nabijenih čestica? Za mnoge je ovo neshvatljivo područje, ali zapravo je sve vrlo jednostavno. Dakle, kada govore o usmjerenom kretanju nabijenih čestica, misle na struju. Pogledajmo njegove glavne karakteristike i formulacije, kao i razmotrimo sigurnosna pitanja pri radu s njim.
Opće informacije
Počnite s definicijom. Pod električnom strujom se uvijek podrazumijeva uređeno (usmjereno) kretanje nabijenih čestica koje se odvija pod utjecajem električnog polja. Koje vrste objekata se mogu razmatrati u ovom slučaju? Čestice znače elektrone, jone, protone, rupe. Takođe je važno znati koja je trenutna snaga. Ovo je broj nabijenih čestica koje prolaze kroz poprečni presjek provodnika u jedinici vremena.
Priroda fenomena
Sve fizičke supstance se sastoje od molekula koji su formirani od atoma. Oni takođe nisu konačni materijal, jer imaju elemente (jezgro i elektrone koji se okreću oko njega). Sve hemijske reakcije su praćene kretanjem čestica. Na primjer, uz sudjelovanje elektrona, neki atomi će doživjeti svoj nedostatak, dok će drugi doživjeti višak. U ovom slučaju, supstance imaju suprotna naelektrisanja. Ako dođe do njihovog kontakta, tada će elektroni iz jednog težiti da odu do drugog.
Takva fizička priroda elementarnih čestica objašnjava suštinu električne struje. Ovo usmjereno kretanje nabijenih čestica će se nastaviti sve dok se vrijednosti ne izjednače. U ovom slučaju, reakcija promjena je lančana. Drugim riječima, umjesto otpuštenog elektrona, na njegovo mjesto dolazi drugi. Za zamjenu se koriste čestice susjednog atoma. Ali ni tu se lanac ne završava. Elektron također može doći do ekstremnog atoma, na primjer, sa negativnog pola izvora struje koja teče.
Primjer takve situacije je baterija. S negativne strane provodnika, elektroni se kreću do pozitivnog pola izvora. Kada sve čestice u negativno zaraženoj komponenti ponestane, struja prestaje. U ovom slučaju se kaže da je baterija prazna. Kolika je brzina usmjerenog kretanja nabijenih čestica koje se kreću na ovaj način? Odgovor na ovo pitanje nije tako lak kao što se čini na prvi pogled.
Uloga stresa
Za šta se koristi ovaj koncept? Napon je karakteristika električnog polja, što je razlika potencijala između dvije tačke koje se nalaze unutar njega. Mnogima ovo može izgledati zbunjujuće. Kada je u pitanju usmjereno (uređeno) kretanje nabijenih čestica, onda morate razumjeti napon.
Zamislimo da imamo jednostavan dirigent. To može biti žica napravljena od metala, poput bakra ili aluminija. U našem slučaju to i nije toliko važno. Masa elektrona je 9,10938215(45)×10-31kg. To znači da je prilično materijalno. Ali metal provodnika je čvrst. Kako onda elektroni mogu teći kroz njega?
Zašto može biti struje u metalnim proizvodima
Okrenimo se osnovama hemije, koje je svako od nas imao priliku naučiti u školi. Ako je broj elektrona u tvari jednak broju protona, tada je osigurana neutralnost elementa. Na osnovu periodičnog zakona Mendeljejeva, određuje se sa kojom se supstancom treba pozabaviti. Zavisi od broja protona i neutrona. Nemoguće je zanemariti veliku razliku između masa jezgra i elektrona. Ako se uklone, onda će težina atoma ostati praktički nepromijenjena.
Na primjer, masa protona je otprilike 1836 veća od vrijednosti elektrona. Ali ove mikroskopske čestice su vrlo važne, jer mogu lako napustiti neke atome i pridružiti se drugima. Istovremeno, smanjenje ili povećanje njihovog broja dovodi doda promeni naboj atoma. Ako uzmemo u obzir jedan atom, tada će njegov broj elektrona uvijek biti promjenjiv. Stalno odlaze i vraćaju se. To je zbog termičkog kretanja i gubitka energije.
Hemijska specifičnost fizičkog fenomena
Kada postoji usmjereno kretanje električno nabijenih čestica, zar se atomska masa ne gubi? Da li se sastav provodnika mijenja? Ovo je veoma važna zabluda koja mnoge zbunjuje. Odgovor je u ovom slučaju samo negativan. To je zbog činjenice da kemijski elementi nisu određeni njihovom atomskom masom, već brojem protona koji se nalaze u jezgri. Prisustvo ili odsustvo elektrona/neutrona ne igra ulogu u ovom slučaju. U praksi to izgleda ovako:
- Dodaj ili oduzmi elektrone. Ispada jon.
- Dodaj ili oduzmi neutrone. Ispada izotop.
Hemijski element se ne mijenja. Ali sa protonima, situacija je drugačija. Ako je samo jedan, onda imamo vodonik. Dva protona - i govorimo o helijumu. Tri čestice su litijum. itd. Oni koji su zainteresovani za nastavak mogu pogledati periodni sistem. Zapamtite: iako struja prođe kroz provodnik hiljadu puta, njegov hemijski sastav se neće promijeniti. Ali možda drugačije.
Elektroliti i druge zanimljive točke
Posebnost elektrolita je u tome što se menja njihov hemijski sastav. Zatim, pod uticajem struje,elektrolitnih elemenata. Kada se njihov potencijal iscrpi, usmjereno kretanje nabijenih čestica će prestati. Ova situacija je zbog činjenice da su nosioci naboja u elektrolitima joni.
Pored toga, postoje hemijski elementi bez elektrona. Primjer bi bio:
- Atomski kosmički vodonik.
- Sve supstance koje su u stanju plazme.
- Gasovi u gornjim slojevima atmosfere (ne samo na Zemlji, već i na drugim planetama na kojima postoje vazdušne mase).
- Sadržaj akceleratora i sudarača.
Također treba napomenuti da se pod uticajem električne struje neke hemikalije mogu bukvalno raspasti. Dobro poznati primjer je osigurač. Kako to izgleda na mikro nivou? Elektroni koji se kreću guraju atome na njihovom putu. Ako je struja vrlo jaka, tada kristalna rešetka provodnika ne može izdržati i uništava se, a supstanca se topi.
Nazad na brzinu
Ranije je ova tačka bila površno dotaknuta. Sada pogledajmo to izbliza. Treba napomenuti da koncept brzine usmjerenog kretanja nabijenih čestica u obliku električne struje ne postoji. To je zbog činjenice da su različite vrijednosti isprepletene. Dakle, električno polje se širi kroz provodnik brzinom koja je bliska kretanju svjetlosti, odnosno oko 300.000 kilometara u sekundi.
Pod njegovim uticajem, svi elektroni počinju da se kreću. Ali njihova brzinavrlo male. To je otprilike 0,007 milimetara u sekundi. Istovremeno, oni takođe nasumično jure okolo u termičkom kretanju. U slučaju protona i neutrona situacija je drugačija. Oni su preveliki da bi im se desili isti događaji. Po pravilu, ne treba govoriti o njihovoj brzini što je bliže vrijednosti svjetlosti.
Fizički parametri
Sada pogledajmo šta je kretanje naelektrisanih čestica u električnom polju sa fizičke tačke gledišta. Da bismo to učinili, zamislimo da imamo kartonsku kutiju u koju se nalazi 12 boca gaziranog pića. Istovremeno, pokušava se tu postaviti još jedan kontejner. Pretpostavimo da je uspjelo. Ali kutija je jedva preživjela. Kada pokušate da ubacite drugu bocu, ona se razbije i svi kontejneri ispadaju.
Kutija o kojoj je reč može se uporediti sa poprečnim presekom provodnika. Što je ovaj parametar veći (deblja žica), to može pružiti veću struju. Ovo određuje koliki volumen može imati usmjereno kretanje nabijenih čestica. U našem slučaju, kutija koja sadrži od jedne do dvanaest boca može lako ispuniti svoju namjenu (neće puknuti). Po analogiji, možemo reći da provodnik neće izgorjeti.
Ako prekoračite naznačenu vrijednost, objekt neće uspjeti. U slučaju provodnika, otpor će doći u igru. Ohmov zakon vrlo dobro opisuje usmjereno kretanje električno nabijenih čestica.
Odnos između različitih fizičkih parametara
Po kutijiiz našeg primjera možete staviti još jedan. U ovom slučaju, ne 12, već čak 24 boce može se postaviti po jedinici površine. Dodamo još jednu - i ima ih trideset i šest. Jedna od kutija se može smatrati fizičkom jedinicom, analogno naponu.
Što je širi (čime se smanjuje otpor), to se više boca (koje u našem primjeru zamjenjuju struju) može postaviti. Povećanjem hrpe kutija, možete postaviti dodatne kontejnere po jedinici površine. U ovom slučaju, snaga se povećava. Ovo ne uništava kutiju (provodnik). Evo sažetka ove analogije:
- Ukupan broj boca povećava snagu.
- Broj kontejnera u kutiji pokazuje trenutnu snagu.
- Broj kutija u visini omogućava vam da procenite napon.
- Širina kutije daje ideju o otporu.
Moguće opasnosti
Već smo raspravljali da se usmjereno kretanje nabijenih čestica naziva struja. Treba napomenuti da ova pojava može biti opasna za ljudsko zdravlje, pa čak i život. Evo sažetka svojstava električne struje:
- Omogućava zagrevanje provodnika kroz koji teče. Ako je električna mreža u domaćinstvu preopterećena, tada će se izolacija postupno ugljenisati i raspasti. Kao rezultat, postoji mogućnost kratkog spoja, što je veoma opasno.
- Električna struja, kada teče kroz kućne aparate i žice, susreće seotpornost materijala koji formiraju elemente. Stoga, bira putanju koja ima minimalnu vrijednost za ovaj parametar.
- Ako dođe do kratkog spoja, jačina struje naglo raste. Ovo oslobađa značajnu količinu toplote. Može istopiti metal.
- Može doći do kratkog spoja zbog prodora vlage. U slučajevima o kojima smo ranije govorili, obližnji objekti svijetle, ali u ovom slučaju ljudi uvijek pate.
- Strujni udar nosi značajnu opasnost. Vrlo je vjerovatno čak i fatalno. Kada električna struja teče kroz ljudsko tijelo, otpor tkiva se znatno smanjuje. Počinju da se zagrevaju. U ovom slučaju, ćelije su uništene i nervni završeci umiru.
Sigurnosna pitanja
Da biste izbjegli izlaganje električnoj struji, morate koristiti posebnu zaštitnu opremu. Radove izvoditi u gumenim rukavicama koristeći podlogu od istog materijala, šipke za pražnjenje, kao i uređaje za uzemljenje radnih mjesta i opreme.
Sklopke sa raznim zaštitama pokazale su se dobrim kao uređaj koji može spasiti nečiji život.
Također, ne treba zaboraviti na osnovne sigurnosne mjere opreza pri radu. Ako dođe do požara koji uključuje električnu opremu, mogu se koristiti samo aparati za gašenje požara ugljičnim dioksidom i prahom. Potonji pokazuju najbolji rezultat u borbi protiv požara, ali oprema prekrivena prašinom ne može se uvijek obnoviti.
Zaključak
Koristeći primjere razumljive svakom čitaocu, saznali smo da se uređeno usmjereno kretanje nabijenih čestica naziva električna struja. Ovo je veoma interesantan fenomen, važan i sa pozicija fizike i hemije. Električna struja je neumorni pomoćnik čovjeka. Međutim, njime se mora pažljivo rukovati. Članak govori o sigurnosnim pitanjima na koja treba obratiti pažnju ako nema želje za smrću.
