Aký je riadený pohyb nabitých častíc? Pre mnohých je to nepochopiteľná oblasť, ale v skutočnosti je všetko veľmi jednoduché. Takže, keď hovoria o riadenom pohybe nabitých častíc, majú na mysli prúd. Pozrime sa na jeho hlavné charakteristiky a formulácie, ako aj zvážte bezpečnostné problémy pri práci s ním.
Všeobecné informácie
Začnite definíciou. Pod elektrickým prúdom sa vždy rozumie usporiadaný (riadený) pohyb nabitých častíc, ktorý sa uskutočňuje vplyvom elektrického poľa. Aké predmety možno v tomto prípade zvážiť? Častice znamenajú elektróny, ióny, protóny, diery. Je tiež dôležité vedieť, aká je aktuálna sila. Toto je počet nabitých častíc, ktoré pretečú prierezom vodiča za jednotku času.
Povaha javu
Všetky fyzikálne látky sa skladajú z molekúl, ktoré sa tvoria z atómov. Tiež nie sú konečným materiálom, pretože majú prvky (jadro a elektróny, ktoré sa okolo neho otáčajú). Všetky chemické reakcie sú sprevádzané pohybom častíc. Napríklad za účasti elektrónov niektoré atómy zažijú nedostatok, zatiaľ čo iné zažijú nadbytok. V tomto prípade majú látky opačné náboje. Ak dôjde k ich kontaktu, elektróny z jedného budú mať tendenciu prejsť do druhého.
Takáto fyzikálna povaha elementárnych častíc vysvetľuje podstatu elektrického prúdu. Tento smerový pohyb nabitých častíc bude pokračovať, kým sa hodnoty nevyrovnajú. V tomto prípade je reakciou zmien reťazec. Inými slovami, namiesto opusteného elektrónu prichádza na jeho miesto iný. Na nahradenie sa používajú častice susedného atómu. Ale ani tam reťaz nekončí. Elektrón môže prísť k extrémnemu atómu napríklad aj zo záporného pólu zdroja pretekajúceho prúdu.
Príkladom takejto situácie je batéria. Zo zápornej strany vodiča sa elektróny presunú na kladný pól zdroja. Keď sa minú všetky častice v negatívne infikovanej zložke, prúd sa zastaví. V tomto prípade sa hovorí, že batéria je vybitá. Aká je rýchlosť usmerneného pohybu takto sa pohybujúcich nabitých častíc? Odpovedať na túto otázku nie je také jednoduché, ako by sa na prvý pohľad mohlo zdať.
Úloha stresu
Na čo sa tento koncept používa? Napätie je charakteristika elektrického poľa, čo je potenciálny rozdiel medzi dvoma bodmi, ktoré sú v ňom. Mnohým sa to môže zdať mätúce. Pokiaľ ide o riadený (usporiadaný) pohyb nabitých častíc, potom musíte pochopiť napätie.
Predstavme si, že máme jednoduchého vodiča. Môže to byť drôt vyrobený z kovu, ako je meď alebo hliník. V našom prípade to nie je také dôležité. Hmotnosť elektrónu je 9,10938215(45)×10-31kg. To znamená, že je dosť materiálna. Ale vodivý kov je pevný. Ako potom môžu cez ňu prúdiť elektróny?
Prečo môžu byť kovové výrobky aktuálne
Prejdime k základom chémie, ktoré mal každý z nás možnosť naučiť sa v škole. Ak sa počet elektrónov v látke rovná počtu protónov, potom je zabezpečená neutralita prvku. Na základe periodického zákona Mendelejeva sa určuje, s ktorou látkou sa musí zaobchádzať. Závisí to od počtu protónov a neutrónov. Nie je možné ignorovať veľký rozdiel medzi hmotnosťami jadra a elektrónov. Ak sa odstránia, hmotnosť atómu zostane prakticky nezmenená.
Napríklad hmotnosť protónu je približne o 1836 väčšia ako hodnota elektrónu. Tieto mikroskopické častice sú však veľmi dôležité, pretože môžu ľahko opustiť niektoré atómy a pripojiť sa k iným. Zároveň vedie k zníženiu alebo zvýšeniu ich počtuzmeniť náboj atómu. Ak vezmeme do úvahy jeden atóm, potom jeho počet elektrónov bude vždy premenlivý. Neustále odchádzajú a vracajú sa. Je to spôsobené tepelným pohybom a stratou energie.
Chemická špecifickosť fyzikálneho javu
Ak dôjde k usmernenému pohybu elektricky nabitých častíc, nestráca sa atómová hmotnosť? Mení sa zloženie dirigenta? Toto je veľmi dôležitá mylná predstava, ktorá mnohých mätie. Odpoveď je v tomto prípade iba negatívna. Je to spôsobené tým, že chemické prvky nie sú určené ich atómovou hmotnosťou, ale počtom protónov, ktoré sú v jadre. Prítomnosť alebo neprítomnosť elektrónov/neutrónov v tomto prípade nehrá rolu. V praxi to vyzerá takto:
- Pridajte alebo odčítajte elektróny. Ukázalo sa, že ide o ión.
- Pridajte alebo odčítajte neutróny. Ukázalo sa, že ide o izotop.
Chemický prvok sa nemení. Ale s protónmi je situácia iná. Ak je iba jeden, potom máme vodík. Dva protóny – a hovoríme o héliu. Tieto tri častice sú lítium. Atď. Kto má záujem o pokračovanie, môže si pozrieť periodickú tabuľku. Pamätajte: aj keď prúd prechádza vodičom tisíckrát, jeho chemické zloženie sa nezmení. Ale možno inak.
Elektrolyty a ďalšie zaujímavé body
Zvláštnosťou elektrolytov je, že sa mení ich chemické zloženie. Potom pod vplyvom prúduelektrolytické prvky. Po vyčerpaní ich potenciálu sa riadený pohyb nabitých častíc zastaví. Táto situácia je spôsobená skutočnosťou, že nosičmi náboja v elektrolytoch sú ióny.
Okrem toho existujú chemické prvky úplne bez elektrónov. Príklad by bol:
- Atómový kozmický vodík.
- Všetky látky, ktoré sú v stave plazmy.
- Plyny v hornej atmosfére (nielen na Zemi, ale aj na iných planétach, kde sú vzdušné hmoty).
- Obsah urýchľovačov a urýchľovačov.
Treba si tiež uvedomiť, že pod vplyvom elektrického prúdu sa niektoré chemikálie môžu doslova rozpadnúť. Známym príkladom je poistka. Ako to vyzerá na mikroúrovni? Pohybujúce sa elektróny tlačia atómy do ich dráhy. Ak je prúd veľmi silný, potom kryštálová mriežka vodiča nevydrží a zničí sa a látka sa roztopí.
Späť na rýchlosť
Predtým sa o tomto bode hovorilo povrchne. Teraz sa na to pozrime bližšie. Treba poznamenať, že pojem rýchlosti usmerneného pohybu nabitých častíc vo forme elektrického prúdu neexistuje. Je to spôsobené tým, že rôzne hodnoty sú vzájomne prepojené. Elektrické pole sa teda šíri vodičom rýchlosťou blízkou pohybu svetla, teda asi 300 000 kilometrov za sekundu.
Pod jeho vplyvom sa všetky elektróny začnú pohybovať. Ale ich rýchlosťveľmi malé. Je to približne 0,007 milimetra za sekundu. Zároveň sa tiež náhodne preháňajú v tepelnom pohybe. V prípade protónov a neutrónov je situácia iná. Sú príliš veľké na to, aby sa im prihodili rovnaké udalosti. Spravidla nie je potrebné hovoriť o ich rýchlosti čo najbližšie k hodnote svetla.
Fyzické parametre
Teraz sa pozrime na to, aký je pohyb nabitých častíc v elektrickom poli z fyzikálneho hľadiska. Aby sme to urobili, predstavme si, že máme kartónovú škatuľu, do ktorej sa zmestí 12 fliaš sýteného nápoja. Zároveň je tu pokus umiestniť tam ďalší kontajner. Predpokladajme, že sa to podarilo. Ale krabica ledva prežila. Keď sa pokúsite vložiť ďalšiu fľašu, rozbije sa a všetky nádoby vypadnú.
Túto krabicu možno prirovnať k prierezu vodiča. Čím vyšší je tento parameter (hrubší drôt), tým väčší prúd môže poskytnúť. To určuje, aký objem môže mať riadený pohyb nabitých častíc. V našom prípade krabica obsahujúca od jednej do dvanástich fliaš ľahko splní svoj účel (nepraskne). Analogicky môžeme povedať, že vodič nezhorí.
Ak prekročíte uvedenú hodnotu, objekt zlyhá. V prípade vodiča vstúpi do hry odpor. Ohmov zákon veľmi dobre popisuje riadený pohyb elektricky nabitých častíc.
Vzťah medzi rôznymi fyzickými parametrami
Za krabicuz nášho príkladu si môžete dať ešte jeden. V tomto prípade nie je možné umiestniť 12, ale až 24 fliaš na jednotku plochy. Pridáme ešte jednu – a je ich tridsaťšesť. Jeden z boxov možno považovať za fyzickú jednotku, analogickú k napätiu.
Čím je širší (čím sa znižuje odpor), tým viac fliaš (ktoré v našom príklade nahrádzajú prúd) možno umiestniť. Zväčšením stohu krabíc môžete umiestniť ďalšie kontajnery na jednotku plochy. V tomto prípade sa výkon zvyšuje. Tým sa nezničí krabica (vodič). Tu je zhrnutie tejto analógie:
- Celkový počet fliaš zvyšuje výkon.
- Počet nádob v poli označuje aktuálnu silu.
- Počet krabíc na výšku vám umožňuje posúdiť napätie.
- Šírka krabice dáva predstavu o odpore.
Možné nebezpečenstvá
Už sme diskutovali o tom, že riadený pohyb nabitých častíc sa nazýva prúd. Treba poznamenať, že tento jav môže byť nebezpečný pre ľudské zdravie a dokonca aj pre život. Tu je súhrn vlastností elektrického prúdu:
- Zabezpečuje ohrev vodiča, ktorým preteká. Ak je domáca elektrická sieť preťažená, izolácia sa postupne spáli a rozpadne. V dôsledku toho existuje možnosť skratu, ktorý je veľmi nebezpečný.
- Elektrický prúd, keď preteká domácimi spotrebičmi a drôtmi, sa stretávaodolnosť prvkov tvoriacich materiály. Preto zvolí cestu, ktorá má pre tento parameter minimálnu hodnotu.
- Ak dôjde ku skratu, sila prúdu sa prudko zvýši. Tým sa uvoľňuje značné množstvo tepla. Dokáže roztaviť kov.
- V dôsledku vniknutia vlhkosti môže dôjsť ku skratu. V prípadoch, o ktorých sme hovorili vyššie, sa blízke objekty rozsvietia, ale v tomto prípade ľudia vždy trpia.
- Úraz elektrickým prúdom predstavuje značné nebezpečenstvo. Je dosť pravdepodobné, že je to dokonca smrteľné. Keď ľudským telom preteká elektrický prúd, odpor tkanív sa značne zníži. Začnú sa zahrievať. V tomto prípade sú bunky zničené a nervové zakončenia odumierajú.
Bezpečnostné problémy
Aby ste sa vyhli kontaktu s elektrickým prúdom, musíte používať špeciálne ochranné prostriedky. Práce by sa mali vykonávať v gumených rukaviciach s použitím podložky z rovnakého materiálu, výbojových tyčí, ako aj uzemňovacích zariadení pre pracoviská a zariadenia.
Prepínače obvodov s rôznymi ochranami sa osvedčili ako zariadenie, ktoré môže zachrániť život človeka.
Pri práci netreba zabúdať ani na základné bezpečnostné opatrenia. Ak dôjde k požiaru elektrického zariadenia, možno použiť iba hasiace prístroje s oxidom uhličitým a práškové. Posledne menované vykazujú najlepší výsledok v boji proti ohňu, ale zariadenie pokryté prachom nie je vždy možné obnoviť.
Záver
Na príkladoch zrozumiteľných každému čitateľovi sme zistili, že usporiadaný usmernený pohyb nabitých častíc sa nazýva elektrický prúd. Ide o veľmi zaujímavý fenomén, dôležitý z pozície fyziky aj chémie. Elektrický prúd je neúnavným pomocníkom človeka. Treba s ním však narábať opatrne. Článok pojednáva o bezpečnostných problémoch, ktorým by ste mali venovať pozornosť, ak nemáte túžbu zomrieť.
