Fizika e elektricitetit është diçka me të cilën duhet të merret secili prej nesh. Në artikull do të shqyrtojmë konceptet bazë që lidhen me të.
Çfarë është energjia elektrike? Për një person të pa iniciuar, ajo shoqërohet me një rrufe ose me energjinë që ushqen televizorin dhe lavatriçen. Ai e di që trenat elektrikë përdorin energji elektrike. Çfarë tjetër mund të thotë ai? Linjat e energjisë i kujtojnë atij varësinë tonë nga energjia elektrike. Dikush mund të japë disa shembuj të tjerë.
Megjithatë, shumë dukuri të tjera, jo aq të dukshme, por të përditshme janë të lidhura me energjinë elektrike. Fizika na prezanton me të gjitha ato. Ne fillojmë të studiojmë energjinë elektrike (detyrat, përkufizimet dhe formulat) në shkollë. Dhe ne mësojmë shumë gjëra interesante. Rezulton se një zemër që rreh, një atlet që vrapon, një foshnjë që fle dhe një peshk që noton të gjitha gjenerojnë energji elektrike.
Elektrone dhe protone
Le të përcaktojmë konceptet bazë. Nga këndvështrimi i një shkencëtari, fizika e elektricitetit lidhet me lëvizjen e elektroneve dhe grimcave të tjera të ngarkuara në substanca të ndryshme. Prandaj, kuptimi shkencor i natyrës së fenomenit me interes për ne varet nga niveli i njohurive rreth atomeve dhe grimcave subatomike të tyre përbërëse. Elektroni i vogël është çelësi i këtij kuptimi. Atomet e çdo substance përmbajnë një ose më shumë elektrone që lëvizin në orbita të ndryshme rreth bërthamës, ashtu si planetët rrotullohen rreth diellit. Zakonisht numri i elektroneve në një atom është i barabartë me numrin e protoneve në bërthamë. Sidoqoftë, protonet, duke qenë shumë më të rëndë se elektronet, mund të konsiderohen sikur të fiksohen në qendër të atomit. Ky model jashtëzakonisht i thjeshtuar i atomit është i mjaftueshëm për të shpjeguar bazat e një fenomeni të tillë si fizika e elektricitetit.
Çfarë tjetër duhet të dini? Elektronet dhe protonet kanë të njëjtën ngarkesë elektrike (por shenjë të ndryshme), kështu që ata tërhiqen nga njëri-tjetri. Ngarkesa e një protoni është pozitive dhe ajo e një elektroni është negative. Një atom që ka më shumë ose më pak elektrone se zakonisht quhet jon. Nëse nuk ka mjaft prej tyre në një atom, atëherë ai quhet jon pozitiv. Nëse përmban një tepricë të tyre, atëherë quhet jon negativ.
Kur një elektron largohet nga një atom, ai fiton një ngarkesë pozitive. Një elektron, i privuar nga e kundërta e tij - një proton, ose lëviz në një atom tjetër, ose kthehet në atë të mëparshëm.
Pse elektronet largohen nga atomet?
Kjo është për shkak të disa arsyeve. Më e përgjithshme është se nën ndikimin e një pulsi drite ose ndonjë elektroni të jashtëm, një elektron që lëviz në një atom mund të rrëzohet nga orbita e tij. Nxehtësia i bën atomet të vibrojnë më shpejt. Kjo do të thotë që elektronet mund të fluturojnë jashtë atomit të tyre. Në reaksionet kimike, ato gjithashtu lëvizin nga atomi nëatom.
Një shembull i mirë i marrëdhënies midis aktivitetit kimik dhe elektrik është dhënë nga muskujt tanë. Fijet e tyre kontraktohen kur ekspozohen ndaj një sinjali elektrik nga sistemi nervor. Rryma elektrike stimulon reaksionet kimike. Ato çojnë në tkurrje të muskujve. Sinjalet e jashtme elektrike përdoren shpesh për të stimuluar artificialisht aktivitetin e muskujve.
Përçueshmëri
Në disa substanca, elektronet nën veprimin e një fushe elektrike të jashtme lëvizin më lirshëm se në të tjerat. Substanca të tilla thuhet se kanë përçueshmëri të mirë. Ata quhen përcjellës. Këto përfshijnë shumicën e metaleve, gazeve të nxehta dhe disa lëngjeve. Ajri, goma, vaji, polietileni dhe qelqi janë përçues të dobët të energjisë elektrike. Ata quhen dielektrikë dhe përdoren për të izoluar përcjellësit e mirë. Izolatorët idealë (absolutisht jopërçues) nuk ekzistojnë. Në kushte të caktuara, elektronet mund të hiqen nga çdo atom. Megjithatë, këto kushte janë zakonisht aq të vështira për t'u përmbushur saqë, nga pikëpamja praktike, substanca të tilla mund të konsiderohen jopërçuese.
Duke u njohur me një shkencë të tillë si fizika (seksioni "Energjia elektrike"), mësojmë se ekziston një grup i veçantë substancash. Këta janë gjysmëpërçues. Ata sillen pjesërisht si dielektrikë dhe pjesërisht si përçues. Këto përfshijnë, në veçanti: germanium, silikon, oksid bakri. Për shkak të vetive të tij, gjysmëpërçuesi gjen shumë aplikime. Për shembull, mund të shërbejë si një valvul elektrike: si valvula e gomave të biçikletës, ajolejon që ngarkesat të lëvizin vetëm në një drejtim. Pajisjet e tilla quhen ndreqës. Ato përdoren në radio miniaturë si dhe në termocentrale të mëdha për të kthyer AC në DC.
Nxehtësia është një formë kaotike e lëvizjes së molekulave ose atomeve, dhe temperatura është një masë e intensitetit të kësaj lëvizjeje (në shumicën e metaleve, me uljen e temperaturës, lëvizja e elektroneve bëhet më e lirë). Kjo do të thotë se rezistenca ndaj lëvizjes së lirë të elektroneve zvogëlohet me uljen e temperaturës. Me fjalë të tjera, përçueshmëria e metaleve rritet.
Superpërcjellshmëri
Në disa substanca në temperatura shumë të ulëta, rezistenca ndaj rrjedhës së elektroneve zhduket plotësisht dhe elektronet, pasi kanë filluar të lëvizin, e vazhdojnë atë për një kohë të pacaktuar. Ky fenomen quhet superpërçueshmëri. Në temperatura disa gradë mbi zero absolute (-273 °C), vërehet në metale si kallaji, plumbi, alumini dhe niobium.
gjeneratorë Van de Graaff
Kurrikula shkollore përfshin eksperimente të ndryshme me energjinë elektrike. Ka shumë lloje të gjeneratorëve, një prej të cilëve do të donim të flasim më në detaje. Gjeneratori Van de Graaff përdoret për të prodhuar tensione ultra të larta. Nëse një objekt që përmban një tepricë të joneve pozitive vendoset brenda një ene, atëherë elektronet do të shfaqen në sipërfaqen e brendshme të kësaj të fundit dhe i njëjti numër jonesh pozitivë do të shfaqen në sipërfaqen e jashtme. Nëse tani prekim sipërfaqen e brendshme me një objekt të ngarkuar, atëherë të gjitha elektronet e lira do të kalojnë tek ajo. Nga jashtëngarkesat pozitive do të mbeten.
Në një gjenerator Van de Graaff, jonet pozitive nga një burim aplikohen në një rrip transportues brenda një sfere metalike. Shiriti lidhet me sipërfaqen e brendshme të sferës me ndihmën e një përcjellësi në formën e një krehër. Elektronet rrjedhin poshtë nga sipërfaqja e brendshme e sferës. Në anën e jashtme të saj shfaqen jonet pozitive. Efekti mund të rritet duke përdorur dy gjeneratorë.
Rryma elektrike
Kursi i fizikës shkollore përfshin gjithashtu një gjë të tillë si rryma elektrike. Çfarë është ajo? Rryma elektrike është për shkak të lëvizjes së ngarkesave elektrike. Kur një llambë elektrike e lidhur me një bateri ndizet, rryma rrjedh përmes një teli nga një pol i baterisë në llambë, pastaj përmes flokëve të saj, duke e bërë atë të shkëlqejë dhe përsëri përmes telit të dytë në polin tjetër të baterisë.. Nëse çelësi është i kthyer, qarku do të hapet - rryma do të ndalet dhe llamba do të fiket.
Lëvizja e elektroneve
Rryma në shumicën e rasteve është një lëvizje e urdhëruar e elektroneve në një metal që shërben si përcjellës. Në të gjithë përçuesit dhe disa substanca të tjera ka gjithmonë një lëvizje të rastësishme, edhe nëse nuk ka rrymë që rrjedh. Elektronet në materie mund të jenë relativisht të lira ose të lidhura fort. Përçuesit e mirë kanë elektrone të lira që mund të lëvizin përreth. Por në përçuesit ose izoluesit e dobët, shumica e këtyre grimcave janë mjaftueshëm të lidhura me atomet, gjë që pengon lëvizjen e tyre.
Ndonjëherë lëvizja e elektroneve në një drejtim të caktuar krijohet natyrshëm ose artificialisht në një përcjellës. Kjo rrjedhë quhet rrymë elektrike. Ajo matet në amper (A). Jonet (në gazra ose tretësirë) dhe "vrimat" (mungesa e elektroneve në disa lloje gjysmëpërçuesish) mund të shërbejnë gjithashtu si bartës të rrymës. Këta të fundit sillen si bartës të rrymës elektrike të ngarkuar pozitivisht. Nevojitet njëfarë force për t'i bërë elektronet të lëvizin në një drejtim ose Një tjetër. Në natyrë burimet e tij mund të jenë: ekspozimi ndaj dritës së diellit, efektet magnetike dhe reaksionet kimike. Disa prej tyre përdoren për të gjeneruar energji elektrike. Zakonisht për këtë qëllim janë: një gjenerator që përdor efekte magnetike dhe një qelizë (bateri) veprimi i së cilës shkaktohet. ndaj reaksioneve kimike. Të dyja pajisjet, duke krijuar një forcë elektromotore (EMF), bëjnë që elektronet të lëvizin në një drejtim përmes qarkut. Vlera e EMF matet në volt (V). Këto janë njësitë bazë të energjisë elektrike.
Madhësia e EMF dhe forca e rrymës janë të ndërlidhura, si presioni dhe rrjedha në një lëng. Tubat e ujit mbushen gjithmonë me ujë me një presion të caktuar, por uji fillon të rrjedhë vetëm kur rubineti është i hapur.
Në mënyrë të ngjashme, një qark elektrik mund të lidhet me një burim EMF, por rryma nuk do të rrjedhë në të derisa të krijohet një shteg për lëvizjen e elektroneve. Mund të jetë, të themi, një llambë elektrike ose një fshesë me korrent, çelësi këtu luan rolin e një rubineti që "lëshon" rrymën.
Marrëdhënia midis rrymës dhevoltazhi
Me rritjen e tensionit në qark, rritet edhe rryma. Duke studiuar një kurs fizikë, mësojmë se qarqet elektrike përbëhen nga disa seksione të ndryshme: zakonisht një ndërprerës, përçues dhe një pajisje që konsumon energji elektrike. Të gjitha, të lidhura së bashku, krijojnë një rezistencë ndaj rrymës elektrike, e cila (duke supozuar një temperaturë konstante) për këta përbërës nuk ndryshon me kalimin e kohës, por është e ndryshme për secilin prej tyre. Prandaj, nëse i njëjti tension aplikohet në një llambë dhe në një hekur, atëherë rrjedha e elektroneve në secilën prej pajisjeve do të jetë e ndryshme, pasi rezistenca e tyre është e ndryshme. Prandaj, forca e rrymës që rrjedh nëpër një seksion të caktuar të qarkut përcaktohet jo vetëm nga voltazhi, por edhe nga rezistenca e përcjellësve dhe pajisjeve.
Ligji i Ohmit
Vlera e rezistencës elektrike matet në ohmë (Ohm) në një shkencë si fizika. Energjia elektrike (formula, përkufizime, eksperimente) është një temë e gjerë. Ne nuk do të nxjerrim formula komplekse. Për njohjen e parë me temën mjafton ajo që u tha më sipër. Megjithatë, një formulë ia vlen ende të nxirret. Ajo është mjaft e pakomplikuar. Për çdo përcjellës ose sistem përcjellësish dhe pajisjesh, marrëdhënia ndërmjet tensionit, rrymës dhe rezistencës jepet me formulën: tension=rrymë x rezistencë. Kjo është shprehja matematikore e ligjit të Ohm-it, i quajtur sipas George Ohm (1787-1854), i cili i pari vendosi marrëdhëniet midis këtyre tre parametrave.
Fizika e elektricitetit është një degë shumë interesante e shkencës. Ne kemi shqyrtuar vetëm konceptet themelore që lidhen me të. A e dinitÇfarë është energjia elektrike dhe si prodhohet ajo? Shpresojmë që ky informacion t'ju duket i dobishëm.
