Fizika elektriciteta je nešto sa čim se svako od nas mora suočiti. U članku ćemo razmotriti osnovne koncepte povezane s njim.
Šta je struja? Za neupućenu osobu, to je povezano sa bljeskom munje ili sa energijom koja hrani TV i veš mašinu. On zna da električni vozovi koriste električnu energiju. Šta drugo može reći? Dalekovodi ga podsjećaju na našu ovisnost o struji. Neko može dati još nekoliko primjera.
Međutim, mnoge druge, ne tako očigledne, ali svakodnevne pojave povezane su sa strujom. Fizika nas upoznaje sa svima njima. Počinjemo učiti elektricitet (zadaci, definicije i formule) u školi. I naučimo mnogo zanimljivih stvari. Ispostavilo se da srce koje kuca, sportista koji trči, beba koja spava i plivajuća riba stvaraju električnu energiju.
Elektroni i protoni
Definirajmo osnovne koncepte. Sa stanovišta naučnika, fizika elektriciteta je povezana sa kretanjem elektrona i drugih naelektrisanih čestica u različitim supstancama. Stoga, naučno razumijevanje prirode fenomena koji nas zanima zavisi od nivoa znanja o atomima i njihovim sastavnim subatomskim česticama. Mali elektron je ključ za ovo razumevanje. Atomi bilo koje supstance sadrže jedan ili više elektrona koji se kreću različitim orbitama oko jezgre, baš kao što se planete okreću oko Sunca. Obično je broj elektrona u atomu jednak broju protona u jezgru. Međutim, protoni, koji su mnogo teži od elektrona, mogu se smatrati kao da su fiksirani u centru atoma. Ovaj izuzetno pojednostavljeni model atoma dovoljan je da objasni osnove takvog fenomena kao što je fizika elektriciteta.
Šta još trebate znati? Elektroni i protoni imaju isti električni naboj (ali različit predznak), pa se međusobno privlače. Naboj protona je pozitivan, a elektrona negativan. Atom koji ima više ili manje elektrona nego inače naziva se jon. Ako ih u atomu nema dovoljno, onda se naziva pozitivnim jonom. Ako ih sadrži višak, onda se naziva negativnim jonom.
Kada elektron napusti atom, on dobija neki pozitivan naboj. Elektron, lišen svoje suprotnosti - protona, ili se kreće ka drugom atomu, ili se vraća na prethodni.
Zašto elektroni napuštaju atome?
To je zbog nekoliko razloga. Najopćenitije je da pod utjecajem svjetlosnog impulsa ili nekog vanjskog elektrona, elektron koji se kreće u atomu može biti izbačen iz svoje orbite. Toplota čini da atomi vibriraju brže. To znači da elektroni mogu izletjeti iz svog atoma. U hemijskim reakcijama, oni se takođe kreću od atoma doatom.
Dobar primjer odnosa između kemijske i električne aktivnosti pružaju naši mišići. Njihova se vlakna skupljaju kada su izložena električnom signalu iz nervnog sistema. Električna struja stimuliše hemijske reakcije. Dovode do kontrakcije mišića. Vanjski električni signali se često koriste za umjetnu stimulaciju mišićne aktivnosti.
Conductivity
U nekim supstancama, elektroni se pod dejstvom spoljašnjeg električnog polja kreću slobodnije nego u drugim. Za takve supstance se kaže da imaju dobru provodljivost. Zovu se provodnici. To uključuje većinu metala, zagrijane plinove i neke tekućine. Vazduh, guma, ulje, polietilen i staklo su loši provodnici struje. Zovu se dielektrici i koriste se za izolaciju dobrih vodiča. Idealni izolatori (apsolutno neprovodni) ne postoje. Pod određenim uvjetima, elektroni se mogu ukloniti iz bilo kojeg atoma. Međutim, ove uslove je obično toliko teško ispuniti da se, sa praktične tačke gledišta, takve supstance mogu smatrati neprovodnim.
Upoznavši se sa takvom naukom kao što je fizika (odjeljak "Električnost"), saznajemo da postoji posebna grupa supstanci. Ovo su poluprovodnici. Ponašaju se dijelom kao dielektrici, a dijelom kao provodnici. To uključuje, posebno: germanij, silicijum, bakrov oksid. Zbog svojih svojstava, poluvodič nalazi mnoge primjene. Na primjer, može poslužiti kao električni ventil: kao ventil za gume na biciklu, onomogućava da se naboji kreću samo u jednom smjeru. Takvi uređaji se nazivaju ispravljači. Koriste se u minijaturnim radijima kao iu velikim elektranama za pretvaranje AC u DC.
Toplota je haotičan oblik kretanja molekula ili atoma, a temperatura je mjera intenziteta tog kretanja (u većini metala, sa smanjenjem temperature, kretanje elektrona postaje slobodnije). To znači da otpor slobodnom kretanju elektrona opada sa smanjenjem temperature. Drugim riječima, provodljivost metala se povećava.
Superprovodljivost
U nekim supstancama na vrlo niskim temperaturama, otpor protoku elektrona potpuno nestaje, a elektroni, počevši da se kreću, nastavljaju ga neograničeno. Ovaj fenomen se naziva supravodljivost. Na temperaturama nekoliko stepeni iznad apsolutne nule (-273 °C), primećuje se u metalima kao što su kalaj, olovo, aluminijum i niobijum.
Van de Graaff generatori
Školski program uključuje razne eksperimente sa strujom. Postoji mnogo tipova generatora, o jednom od kojih bismo želeli da pričamo detaljnije. Van de Graaffov generator se koristi za proizvodnju ultravisokih napona. Ako se u posudu stavi predmet koji sadrži višak pozitivnih iona, tada će se na unutrašnjoj površini ove posude pojaviti elektroni, a na vanjskoj će se pojaviti isti broj pozitivnih iona. Ako sada dodirnemo unutrašnju površinu nabijenim predmetom, tada će svi slobodni elektroni proći na nju. Napoljupozitivni naboji će ostati.
U Van de Graaffovom generatoru, pozitivni joni iz izvora se primjenjuju na transportnu traku unutar metalne sfere. Traka je spojena na unutrašnju površinu sfere uz pomoć provodnika u obliku češlja. Elektroni se spuštaju sa unutrašnje površine sfere. Na njegovoj vanjskoj strani pojavljuju se pozitivni ioni. Efekat se može poboljšati upotrebom dva generatora.
Električna struja
Školski kurs fizike uključuje i takvu stvar kao što je električna struja. Šta je? Električna struja nastaje zbog kretanja električnih naboja. Kada je električna lampa povezana na bateriju uključena, struja teče kroz žicu od jednog pola baterije do lampe, zatim kroz njenu kosu, uzrokujući da svetli, i nazad kroz drugu žicu do drugog pola baterije. Ako se prekidač okrene, krug će se otvoriti - struja će se zaustaviti i lampa će se ugasiti.
Kretanje elektrona
Struja je u većini slučajeva uređeno kretanje elektrona u metalu koji služi kao provodnik. U svim provodnicima i nekim drugim supstancama uvijek se događa neko nasumično kretanje, čak i ako ne teče struja. Elektroni u materiji mogu biti relativno slobodni ili jako vezani. Dobri provodnici imaju slobodne elektrone koji se mogu kretati. Ali u lošim provodnicima, ili izolatorima, većina ovih čestica je dovoljno čvrsto povezana sa atomima, što sprečava njihovo kretanje.
Ponekad se kretanje elektrona u određenom smjeru stvara prirodno ili umjetno u provodniku. Ovaj tok se naziva električna struja. Mjeri se u amperima (A). Ioni (u plinovima ili otopinama) i "rupe" (nedostatak elektrona u nekim vrstama poluprovodnika) također mogu poslužiti kao nosioci struje. Potonji se ponašaju kao pozitivno nabijeni nosioci električne struje. Potrebna je određena sila da bi se elektroni kretali u jednom smjeru ili U prirodi njeni izvori mogu biti: izlaganje sunčevoj svjetlosti, magnetni efekti i hemijske reakcije. Neki od njih se koriste za proizvodnju električne energije. Obično su u tu svrhu: generator koji koristi magnetne efekte i ćelija (baterija) čije djelovanje je posljedica na hemijske reakcije. Oba uređaja, stvarajući elektromotornu silu (EMF), uzrokuju da se elektroni kreću u jednom smjeru kroz kolo. Vrijednost EMF se mjeri u voltima (V). Ovo su osnovne jedinice električne energije.
Veličina EMF-a i jačina struje su međusobno povezani, kao pritisak i protok u tečnosti. Vodovodne cijevi su uvijek napunjene vodom pod određenim pritiskom, ali voda počinje da teče tek kada se otvori slavina.
Slično, električni krug se može spojiti na izvor EMF-a, ali struja neće teći u njemu sve dok se ne stvori put kojim se elektroni kreću. To može biti, recimo, električna lampa ili usisivač, prekidač ovdje igra ulogu slavine koja "pušta" struju.
Odnos između trenutnog inapon
Kako napon u kolu raste, raste i struja. Proučavajući kurs fizike, saznajemo da se električna kola sastoje od nekoliko različitih sekcija: obično prekidača, provodnika i uređaja koji troši električnu energiju. Svi oni, povezani zajedno, stvaraju otpor električnoj struji, koji se (pod pretpostavkom konstantne temperature) za ove komponente ne mijenja s vremenom, ali je za svaku od njih različit. Stoga, ako se isti napon primijeni na sijalicu i na željezo, tada će protok elektrona u svakom od uređaja biti različit, jer su njihovi otpori različiti. Stoga je jačina struje koja teče kroz određeni dio kola određena ne samo naponom, već i otporom provodnika i uređaja.
Ohmov zakon
Vrijednost električnog otpora se mjeri u omima (Ohm) u nauci kao što je fizika. Elektrika (formule, definicije, eksperimenti) je ogromna tema. Nećemo izvoditi složene formule. Za prvo upoznavanje sa temom dovoljno je ono što je gore rečeno. Međutim, još uvijek vrijedi izvući jednu formulu. Ona je prilično nekomplikovana. Za bilo koji provodnik ili sistem provodnika i uređaja, odnos između napona, struje i otpora je dat formulom: napon=struja x otpor. Ovo je matematički izraz Ohmovog zakona, nazvanog po Georgeu Ohmu (1787-1854), koji je prvi uspostavio odnos između ova tri parametra.
Fizika elektriciteta je veoma interesantna grana nauke. Razmotrili smo samo osnovne koncepte povezane s njim. Da li ste znaliŠta je električna energija i kako se proizvodi? Nadamo se da će vam ove informacije biti korisne.
