Фізика електрики: визначення, досліди, одиниця виміру

Фізика електрики - це те, з чим доводиться стикатися кожному з нас. У статті ми розглянемо основні поняття, пов'язані з нею. Що таке електрика? Для людини необізнаної воно асоціюється зі спалахом блискавки або з енергією, що живить телевізор і пральну машину. Він знає, що електропоїзди використовують електричну енергію. Про що ще він може розповісти? Про нашої залежності від електрики йому нагадують лінії електропередач. Хтось зможе привести і кілька інших прикладів. Однак з електрикою пов'язано чимало інших, не таких очевидних, але повсякденних явищ. З усіма ними нас знайомить фізика. Електрика (завдання, визначення і формули) ми починаємо вивчати ще в школі. І дізнаємося багато цікавого. Виявляється, б'ється серце, спортсмен біжить дитина, що спить і плаваюча риба - все виробляє електричну енергію.

Електрони і протони

Визначимо основні поняття. З точки зору вченого, фізика електрики пов'язана з рухом електронів та інших заряджених частинок в різних речовинах. Тому наукове розуміння природи цікавить нас явища залежить від рівня знань про атомах і складових їх субатомних частинках. Ключем до розуміння цього служить крихітний електрон. Атоми будь-якої речовини містять один або більше електронів, що рухаються по різних орбітах навколо ядра подібно до того, як планети обертаються навколо Сонця. Зазвичай число електронів в атомі дорівнює кількості протонів у ядрі. Однак протони, будучи значно важче електронів, можна вважати як би закріпленими в центрі атома. Цієї гранично спрощеної моделі атома цілком достатньо, щоб пояснити засади такого явища, як фізика електрики.


Про що ще потрібно знати? Електрони і протони мають однаковий за величиною електричний заряд (але різного знака), тому вони притягуються один до одного. Заряд протона є позитивним, а електрони - негативний. Атом, що має електронів більше або менше, ніж зазвичай, називається іоном. Якщо в атомі їх недостатньо, то він називається позитивним іоном. Якщо ж він містить їх надлишок, то його називають негативним іоном. Коли електрон залишає атом, той здобуває деякий позитивний заряд. Електрон, позбавлений своєї протилежності - протона, або рухається до іншого атома, або повертається до змін.

Чому електрони залишають атоми?

Це пояснюється кількома причинами. Найбільш загальна полягає в те, що під впливом імпульсу світла або якогось зовнішнього електрона, що рухається в атомі електрон може бути вибитий зі своєї орбіти. Тепло змушує атоми коливатися швидше. Це означає, що електрони можуть вилетіти з свого атома. При хімічних реакціях вони також переміщуються від атома до атома. Хороший приклад взаємозв'язку хімічної та електричної активності дають нам м'язи. Їх волокна скорочуються при впливі електричного сигналу, що надходить з нервової системи. Електричний струм стимулює хімічні реакції. Вони-то і призводять до скорочення м'язи. Зовнішні електричні сигнали нерідко використовуються для штучного стимулювання м'язової активності.

Провідність

В деяких речовинах електрони під дією зовнішнього електричного поля рухаються більш вільно, ніж в інших. Кажуть, що такі речовини володіють хорошою провідністю. Їх називають провідниками. До них відноситься більшість металів, нагріті гази і деякі рідини. Повітря, гума, масло, поліетилен і скло погано проводять електрику. Їх називають діелектриками і використовують для ізоляції хороших провідників. Ідеальних ізоляторів (абсолютно не проводять струму) не існує. При певних умовах електрони можна вилучити з будь-якого атома. Проте зазвичай ці умови настільки важко виконати, що з практичної точки зору подібні речовини можна вважати непровідними. Знайомлячись з такою наукою, як фізика (розділ "Електрика"), ми дізнаємося, що існує особлива група речовин. Це напівпровідники. Вони ведуть себе частково як діелектрики, а частково - як провідники. До них, зокрема, відносяться: германій, кремній, окис міді. Завдяки своїм властивостям напівпровідник знаходить безліч застосувань. Наприклад, він може служити електричним вентилем: подібно клапану велосипедної шини він дозволяє зарядам рухатися тільки в одному напрямку. Такі пристрої називаються випрямлячами. Вони використовуються і в мініатюрних радіоприймачах, і на великих електростанціях для перетворення змінного струму в постійний. Тепло являє собою хаотичну форму руху молекул або атомів, а температура - міра інтенсивності цього руху (у більшості металів з пониженням температури рух електронів стає більш вільним). Це означає, що опір вільного руху електронів падає зі зменшенням температури. Іншими словами, провідність металів зростає.

Надпровідність

В деяких речовинах при дуже низьких температурах опір потоку електронів зникає повністю, і електрони, почавши рух, продовжують його необмежено. Це явище називається надпровідність. При температурі кілька градусів вище абсолютного нуля (— 273 °С) вона спостерігається в таких металах, як олово, свинець, алюміній і ніобій.

Генератори Ван де Граафа

У шкільну програму входять різні досліди з електрикою. Існує можество видів генераторів, про один з яких нам хотілося б детальніше розповісти. Генератор Ван де Граафа використовується для отримання надвисоких напруг. Якщо предмет, що містить надлишок позитивних іонів, помістити всередину контейнера, то на внутрішній поверхні останнього з'являться електрони, а на зовнішній - таку ж кількість позитивних іонів. Якщо тепер торкнутися внутрішньої поверхні зарядженим предметом, то на нього перейдуть всі вільні електрони. На зовнішній позитивні заряди залишаться. В генератор Ван де Граафа позитивні іони від джерела наносяться на стрічку конвеєра, що проходить всередині металевої сфери. Стрічка пов'язана з внутрішньою поверхнею сфери за допомогою провідника у вигляді гребеня. Електрони стікають з внутрішньої поверхні сфери. На зовнішній стороні її з'являються позитивні іони. Ефект можна підсилити, використовуючи два генератора.

Електричний струм

У шкільний курс фізики входить таке поняття, як електричний струм. Що ж це таке? Електричний струм зумовлений рухом електричних зарядів. Коли електрична лампа, поєднана з батареєю, включена, струм тече по дроту від одного полюса батареї до лампи, потім через її волосок, викликаючи його світіння, і повертається назад по другому проводу до іншого полюса батареї. Якщо повернути вимикач, то ланцюг розімкнеться - рух струму припиниться і лампа згасне.

Рух електронів

Струм в більшості випадків являє собою впорядкований рух електронів у металі, що служить провідником. У всіх провідниках і деяких інших речовин завжди відбувається якесь випадкове їх рух, навіть якщо струм не протікає. Електрони в речовині можуть бути відносно вільними або сильно пов'язані. Хороші провідники мають вільні електрони, здатні переміщатися. А ось в поганих провідниках, або ізоляторах, більшість цих часток досить міцно пов'язано з атомами, що перешкоджає їх руху. Іноді природним або штучним шляхом в провіднику створюється рух електронів в певному напрямку. Цей потік і називають електричним струмом. Він вимірюється в амперах (А). Носіями струму можуть служити також іони (у газах або розчинах) і «дірки» (нестача електронів в деяких видах напівпровідників. Останні ведуть себе як позитивно заряджені носії електричного струму. Щоб змусити електрони рухатися в тому чи іншому напрямку, необхідна якась сила. У природі її джерелами можуть бути: вплив сонячного світла, магнітні ефекти і хімічні реакції. Деякі з них використовуються для отримання електричного струму. Зазвичай для цієї мети служать: генератор, який використовує магнітні ефекти, і елемент (батарея), дія якого обумовлена хімічними реакціями. Обидва пристрої, створюючи електрорушійну силу (ЕРС), що змушують електрони рухатися в одному напрямку по ланцюгу. Величина ЕРС вимірюється у вольтах (В). Такі основні одиниці вимірювання електрики. Величина ЕРС і сила струму пов'язані між собою, як тиск і потік рідини. Водопровідні труби завжди заповнені водою під певним тиском, але вода починає текти, тільки коли відкривають кран. Аналогічно електрична ланцюг може бути з'єднана з джерелом ЕРС, але струм в ній не потече до тих пір, поки не буде створений шлях, по якому можуть рухатися електрони. Ним може бути, скажімо, електрична лампа або пилосос, вимикач тут грає роль крана, «випускає» струм.

Співвідношення між струмом і напругою

У міру зростання напруги в ланцюзі зростає і струм. Вивчаючи курс фізики, ми дізнаємося, що електричні ланцюги складаються з декількох різних ділянок: зазвичай це вимикач, провідники і прилад - споживач електрики. Всі вони, з'єднані разом, створюють опір електричному струму, яке (за умови постійності температури) для цих компонентів не змінюється з часом, але для кожного з них різна. Тому, якщо одне і те ж напруга застосувати до лампочки і до праски, то потік електронів у кожному з приладів буде різний, оскільки різні їх опору. Отже, сила струму, що протікає через певний ділянку ланцюга, визначається не тільки напругою, але і опором провідників і приладів.

Закон Ома

Величина електричного опору вимірюється в омах (Ом) до такої науки, як фізика. Електрика (формули, визначення, досліди) - велика тема. Ми не будемо виводити складні формули. Для першого знайомства з темою досить того, що було сказано вище. Проте одну формулу все-таки варто вивести. Вона зовсім нескладна. Для будь-якого провідника або системи провідників і приладів співвідношення між напругою, струмом і опором задається формулою: напруга = струм х опір. Це математичне вираження закону Ома, названого так в честь Георга Ома (1787-1854 рр), який першим встановив взаємозв'язок цих трьох параметрів. Фізика електрики - дуже цікавий розділ науки. Ми розглянули лише основні поняття, пов'язані з нею. Ви дізналися, що таке електрика, як вона утворюється. Сподіваємося, ця інформація стане вам у пригоді.