Elektriğin fiziği, her birimizin uğraşması gereken bir şeydir. Makalede bununla ilişkili temel kavramları ele alacağız.
Elektrik nedir? Deneyimsiz bir kişi için, bir şimşek çakması veya TV'yi ve çamaşır makinesini besleyen enerji ile ilişkilidir. Elektrikli trenlerin elektrik enerjisi kullandığını biliyor. Başka ne söyleyebilir? Elektrik hatları ona elektriğe olan bağımlılığımızı hatırlatıyor. Birisi birkaç örnek daha verebilir.
Ancak, diğer birçok, çok açık değil, ancak günlük fenomenler elektrikle bağlantılı. Fizik bizi hepsiyle tanıştırır. Okulda elektrik (görevler, tanımlar ve formüller) çalışmaya başlıyoruz. Ve birçok ilginç şey öğreniyoruz. Çarpan bir kalp, koşan bir atlet, uyuyan bir bebek ve yüzen bir balığın hepsinin elektrik enerjisi ürettiği ortaya çıktı.
Elektronlar ve protonlar
Temel kavramları tanımlayalım. Bir bilim adamının bakış açısından, elektriğin fiziği, çeşitli maddelerdeki elektronların ve diğer yüklü parçacıkların hareketi ile ilişkilidir. Bu nedenle, bizi ilgilendiren fenomenin doğasının bilimsel olarak anlaşılması, atomlar ve onları oluşturan atom altı parçacıklar hakkındaki bilgi düzeyine bağlıdır. Minik elektron bu anlayışın anahtarıdır. Herhangi bir maddenin atomları, tıpkı gezegenlerin güneşin etrafında dönmesi gibi, çekirdeğin etrafında çeşitli yörüngelerde hareket eden bir veya daha fazla elektron içerir. Genellikle bir atomdaki elektron sayısı, çekirdekteki proton sayısına eşittir. Ancak elektronlardan çok daha ağır olan protonlar, atomun merkezine sabitlenmiş gibi düşünülebilir. Bu son derece basitleştirilmiş atom modeli, elektrik fiziği gibi bir olgunun temellerini açıklamak için yeterlidir.
Başka neyi bilmen gerekiyor? Elektronlar ve protonlar aynı elektrik yüküne (ancak farklı işaretlere) sahiptir, bu nedenle birbirlerini çekerler. Bir protonun yükü pozitif ve bir elektronun yükü negatiftir. Normalden daha fazla veya daha az elektronu olan bir atoma iyon denir. Bir atomda bunlardan yeterince yoksa, o zaman pozitif iyon olarak adlandırılır. Bunlardan fazlalık içeriyorsa, buna negatif iyon denir.
Bir elektron bir atomdan ayrıldığında, bir miktar pozitif yük alır. Zıtından yoksun bir elektron - bir proton, ya başka bir atoma hareket eder ya da bir öncekine döner.
Elektronlar neden atomları terk eder?
Bunun birkaç nedeni var. En genel olanı, bir ışık darbesinin veya bir dış elektronun etkisi altında, bir atomda hareket eden bir elektronun yörüngesinden fırlayabilmesidir. Isı, atomların daha hızlı titreşmesini sağlar. Bu, elektronların atomlarından uçabilecekleri anlamına gelir. Kimyasal tepkimelerde de atomdan atoma doğru hareket ederler.atom.
Kimyasal ve elektriksel aktivite arasındaki ilişkiye güzel bir örnek kaslarımız tarafından sağlanır. Lifleri, sinir sisteminden gelen bir elektrik sinyaline maruz kaldığında büzülür. Elektrik akımı kimyasal reaksiyonları uyarır. Kas kasılmasına yol açarlar. Dış elektrik sinyalleri genellikle kas aktivitesini yapay olarak uyarmak için kullanılır.
İletkenlik
Bazı maddelerde, harici bir elektrik alanının etkisi altındaki elektronlar diğerlerinden daha serbest hareket eder. Bu tür maddelerin iyi iletkenliğe sahip olduğu söylenir. Onlara iletken denir. Bunlara çoğu metal, ısıtılmış gaz ve bazı sıvılar dahildir. Hava, kauçuk, yağ, polietilen ve cam zayıf elektrik iletkenleridir. Dielektrikler olarak adlandırılırlar ve iyi iletkenleri yalıtmak için kullanılırlar. İdeal yalıtkanlar (kesinlikle iletken olmayan) mevcut değildir. Belirli koşullar altında elektronlar herhangi bir atomdan çıkarılabilir. Bununla birlikte, bu koşulların karşılanması genellikle o kadar zordur ki, pratik bir bakış açısından, bu tür maddelerin iletken olmadığı kabul edilebilir.
Fizik gibi bir bilimle tanışırken ("Elektrik" bölümü), özel bir madde grubu olduğunu öğreniyoruz. Bunlar yarı iletkenlerdir. Kısmen dielektrik, kısmen iletken gibi davranırlar. Bunlar özellikle şunları içerir: germanyum, silikon, bakır oksit. Özellikleri nedeniyle yarı iletken birçok uygulama bulur. Örneğin, bir elektrikli valf görevi görebilir: bir bisiklet lastiği valfi gibi,yüklerin sadece bir yönde hareket etmesine izin verir. Bu tür cihazlara doğrultucu denir. AC'yi DC'ye dönüştürmek için minyatür radyolarda ve büyük enerji santrallerinde kullanılırlar.
Isı, moleküllerin veya atomların hareketinin kaotik bir şeklidir ve sıcaklık, bu hareketin yoğunluğunun bir ölçüsüdür (çoğu metalde, sıcaklık azaldıkça elektronların hareketi daha serbest hale gelir). Bu, elektronların serbest hareketine karşı direncin azalan sıcaklıkla azaldığı anlamına gelir. Yani metallerin iletkenliği artar.
Süper iletkenlik
Çok düşük sıcaklıklardaki bazı maddelerde, elektronların akışına karşı direnç tamamen kaybolur ve hareket etmeye başlayan elektronlar süresiz olarak devam eder. Bu fenomene süperiletkenlik denir. Mutlak sıfırın (-273 °C) birkaç derece üzerindeki sıcaklıklarda kalay, kurşun, alüminyum ve niyobyum gibi metallerde görülür.
Van de Graaff jeneratörleri
Okul müfredatı elektrikle ilgili çeşitli deneyler içerir. Birinden daha ayrıntılı olarak bahsetmek istediğimiz birçok jeneratör türü vardır. Van de Graaff jeneratörü, ultra yüksek voltajlar üretmek için kullanılır. Bir kabın içine fazla pozitif iyon içeren bir nesne yerleştirilirse, ikincisinin iç yüzeyinde elektronlar ve dış yüzeyinde aynı sayıda pozitif iyon görünecektir. Şimdi iç yüzeye yüklü bir cisimle dokunursak, tüm serbest elektronlar ona geçecektir. Dışarıdapozitif yükler kalır.
Bir Van de Graaff jeneratöründe, bir kaynaktan gelen pozitif iyonlar, metal bir küre içindeki bir taşıma bandına uygulanır. Bant, tarak şeklinde bir iletken yardımıyla kürenin iç yüzeyine bağlanır. Elektronlar kürenin iç yüzeyinden aşağı doğru akar. Dış tarafında pozitif iyonlar görünür. Efekt, iki jeneratör kullanılarak geliştirilebilir.
Elektrik akımı
Okul fizik dersi de elektrik akımı gibi bir şey içerir. Bu ne? Elektrik akımı, elektrik yüklerinin hareketinden kaynaklanır. Bir aküye bağlı bir elektrik lambası açıldığında, akım bir telden akünün bir kutbundan lambaya, ardından saçından geçerek parlamasına ve ikinci telden akünün diğer kutbuna geri döner.. Anahtar çevrilirse devre açılacaktır - akım akışı duracak ve lamba sönecektir.
Elektronların hareketi
Akım çoğu durumda, iletken görevi gören bir metaldeki elektronların düzenli hareketidir. Tüm iletkenlerde ve diğer bazı maddelerde, akım akmasa bile, her zaman rastgele bir hareket vardır. Maddedeki elektronlar nispeten serbest veya güçlü bir şekilde bağlı olabilir. İyi iletkenler, hareket edebilen serbest elektronlara sahiptir. Ancak zayıf iletkenlerde veya yalıtkanlarda, bu parçacıkların çoğu atomlarla yeterince güçlü bir şekilde bağlantılıdır ve bu da onların hareketlerini engeller.
Bazen elektronların belirli bir yönde hareketi bir iletkende doğal veya yapay olarak oluşturulur. Bu akışa elektrik akımı denir. Amper (A) cinsinden ölçülür. İyonlar (gazlarda veya çözeltilerde) ve "delikler" (bazı tür yarı iletkenlerde elektron eksikliği) akım taşıyıcıları olarak da işlev görebilir. İkincisi pozitif yüklü elektrik akımı taşıyıcıları gibi davranır. Elektronları bir yönde veya bir yönde hareket ettirmek için bir miktar kuvvet gerekir. Diğeri Doğada kaynakları şunlar olabilir: güneş ışığına maruz kalma, manyetik etkiler ve kimyasal reaksiyonlar. Bazıları elektrik üretmek için kullanılır. Genellikle bu amaç için: manyetik etkiler kullanan bir jeneratör ve etkisi olması gereken bir hücre (pil) Her iki cihaz da bir elektromotor kuvvet (EMF) oluşturarak elektronların devre boyunca bir yönde hareket etmesine neden olur. EMF değeri volt (V) ile ölçülür. Bunlar elektriğin temel birimleridir.
EMF'nin büyüklüğü ve akımın gücü, bir sıvıdaki basınç ve akış gibi birbirine bağlıdır. Su boruları her zaman belirli bir basınçta suyla doldurulur, ancak su yalnızca musluk açıldığında akmaya başlar.
Benzer şekilde, bir elektrik devresi bir EMF kaynağına bağlanabilir, ancak elektronların hareket etmesi için bir yol oluşturulana kadar akım devrede akmaz. Diyelim ki, bir elektrik lambası veya elektrikli süpürge olabilir, buradaki anahtar, akımı "serbest bırakan" bir musluğun rolünü oynar.
Mevcut ve arasındaki ilişkivoltaj
Devredeki voltaj arttıkça akım da artar. Bir fizik dersini incelerken, elektrik devrelerinin birkaç farklı bölümden oluştuğunu öğreniyoruz: genellikle bir anahtar, iletkenler ve elektrik tüketen bir cihaz. Hepsi birbirine bağlı olarak, bu bileşenler için (sabit bir sıcaklık varsayarak) zamanla değişmeyen, ancak her biri için farklı olan elektrik akımına karşı bir direnç oluşturur. Bu nedenle, bir ampule ve bir ütüye aynı voltaj uygulanırsa, dirençleri farklı olduğundan, cihazların her birindeki elektron akışı farklı olacaktır. Bu nedenle devrenin belirli bir bölümünden geçen akımın gücü sadece voltajla değil, iletkenlerin ve cihazların direnciyle de belirlenir.
Ohm Yasası
Elektrik direncinin değeri, fizik gibi bir bilimde ohm (Ohm) cinsinden ölçülür. Elektrik (formüller, tanımlar, deneyler) geniş bir konudur. Karmaşık formüller türetmeyeceğiz. Konuyla ilk tanışma için yukarıda söylenenler yeterlidir. Bununla birlikte, bir formül hala türetmeye değer. O oldukça karmaşık. Herhangi bir iletken veya iletken ve cihaz sistemi için voltaj, akım ve direnç arasındaki ilişki şu formülle verilir: voltaj=akım x direnç. Bu, adını bu üç parametre arasındaki ilişkiyi ilk kuran George Ohm'dan (1787-1854) alan Ohm yasasının matematiksel ifadesidir.
Elektrik fiziği çok ilginç bir bilim dalıdır. Sadece onunla ilişkili temel kavramları ele aldık. Biliyor musunElektrik nedir ve nasıl üretilir? Bu bilgiyi yararlı bulacağınızı umuyoruz.
