Fyzika elektriny je niečo, s čím sa musí vysporiadať každý z nás. V článku sa budeme zaoberať základnými pojmami s tým spojenými.
Čo je elektrina? Pre nezasväteného človeka je spojená so zábleskom blesku alebo s energiou, ktorá napája televízor a práčku. Vie, že elektrické vlaky využívajú elektrickú energiu. Čo ešte môže povedať? Elektrické vedenia mu pripomínajú našu závislosť od elektriny. Niekto môže uviesť niekoľko ďalších príkladov.
S elektrinou však súvisí aj mnoho iných, nie až tak samozrejmých, no každodenných javov. So všetkými nás zoznámi fyzika. Elektrinu (úlohy, definície a vzorce) začíname študovať v škole. A dozvieme sa veľa zaujímavých vecí. Ukazuje sa, že tlčúce srdce, bežiaci športovec, spiace dieťa a plávajúca ryba – všetci vytvárajú elektrickú energiu.
Elektróny a protóny
Poďme definovať základné pojmy. Z pohľadu vedca je fyzika elektriny spojená s pohybom elektrónov a iných nabitých častíc v rôznych látkach. Preto vedecké chápanie povahy fenoménu, ktorý nás zaujíma, závisí od úrovne vedomostí o atómoch a ich subatomárnych časticiach. Malý elektrón je kľúčom k tomuto pochopeniu. Atómy akejkoľvek látky obsahujú jeden alebo viac elektrónov, ktoré sa pohybujú po rôznych dráhach okolo jadra, rovnako ako planéty obiehajú okolo Slnka. Zvyčajne sa počet elektrónov v atóme rovná počtu protónov v jadre. Avšak protóny, ktoré sú oveľa ťažšie ako elektróny, možno považovať za fixované v strede atómu. Tento extrémne zjednodušený model atómu stačí na vysvetlenie základov takého javu, akým je fyzika elektriny.
Čo ešte potrebujete vedieť? Elektróny a protóny majú rovnaký elektrický náboj (ale iné znamienko), takže sa navzájom priťahujú. Náboj protónu je kladný a náboj elektrónu záporný. Atóm, ktorý má viac alebo menej elektrónov ako zvyčajne, sa nazýva ión. Ak ich v atóme nie je dostatok, potom sa nazýva kladný ión. Ak ich obsahuje nadbytok, potom sa nazýva záporný ión.
Keď elektrón opustí atóm, získa kladný náboj. Elektrón zbavený svojho protikladu - protónu sa buď presunie na iný atóm, alebo sa vráti k predchádzajúcemu.
Prečo elektróny opúšťajú atómy?
Je to z niekoľkých dôvodov. Najvšeobecnejšie je, že pod vplyvom pulzu svetla alebo nejakého externého elektrónu môže byť elektrón pohybujúci sa v atóme vyrazený z jeho obežnej dráhy. Teplo spôsobuje, že atómy vibrujú rýchlejšie. To znamená, že elektróny môžu vyletieť z ich atómu. Pri chemických reakciách sa tiež pohybujú z atómu naatóm.
Dobrým príkladom vzťahu medzi chemickou a elektrickou aktivitou sú naše svaly. Ich vlákna sa stiahnu, keď sú vystavené elektrickému signálu z nervového systému. Elektrický prúd stimuluje chemické reakcie. Vedú k svalovej kontrakcii. Externé elektrické signály sa často používajú na umelú stimuláciu svalovej aktivity.
Vodivosť
V niektorých látkach sa elektróny pôsobením vonkajšieho elektrického poľa pohybujú voľnejšie ako v iných. O takýchto látkach sa hovorí, že majú dobrú vodivosť. Nazývajú sa vodiče. Patria sem väčšina kovov, zahriate plyny a niektoré kvapaliny. Vzduch, guma, olej, polyetylén a sklo sú zlými vodičmi elektriny. Nazývajú sa dielektriká a používajú sa na izoláciu dobrých vodičov. Ideálne izolátory (absolútne nevodivé) neexistujú. Za určitých podmienok môžu byť elektróny odstránené z akéhokoľvek atómu. Tieto podmienky je však zvyčajne také ťažké splniť, že z praktického hľadiska možno takéto látky považovať za nevodivé.
Keď sa zoznámime s takou vedou, akou je fyzika (časť „Elektrina“), dozvieme sa, že existuje špeciálna skupina látok. Ide o polovodiče. Správajú sa čiastočne ako dielektrika a čiastočne ako vodiče. Patria sem najmä: germánium, kremík, oxid meďnatý. Polovodič vďaka svojim vlastnostiam nachádza mnoho aplikácií. Môže slúžiť napríklad ako elektrický ventil: ako ventil pneumatiky na bicykliumožňuje nábojom pohybovať sa iba jedným smerom. Takéto zariadenia sa nazývajú usmerňovače. Používajú sa v miniatúrnych rádiách, ako aj vo veľkých elektrárňach na premenu striedavého prúdu na jednosmerný.
Teplo je chaotická forma pohybu molekúl alebo atómov a teplota je mierou intenzity tohto pohybu (vo väčšine kovov sa s klesajúcou teplotou pohyb elektrónov stáva voľnejším). To znamená, že s klesajúcou teplotou klesá odpor voči voľnému pohybu elektrónov. Inými slovami, vodivosť kovov sa zvyšuje.
Supravodivosť
V niektorých látkach pri veľmi nízkych teplotách odpor voči toku elektrónov úplne zmizne a elektróny, keď sa začnú pohybovať, pokračujú v ňom na neurčito. Tento jav sa nazýva supravodivosť. Pri teplotách niekoľko stupňov nad absolútnou nulou (-273 °C) sa pozoruje v kovoch, ako je cín, olovo, hliník a niób.
Van de Graaffove generátory
Školské osnovy zahŕňajú rôzne experimenty s elektrinou. Existuje mnoho typov generátorov, o jednom z nich by sme chceli hovoriť podrobnejšie. Van de Graaffov generátor sa používa na výrobu ultravysokého napätia. Ak sa do nádoby umiestni predmet obsahujúci prebytok kladných iónov, potom sa elektróny objavia na jej vnútornom povrchu a rovnaký počet kladných iónov sa objaví na vonkajšom povrchu. Ak sa teraz dotkneme vnútorného povrchu nabitým predmetom, prejdú k nemu všetky voľné elektróny. Vonkukladné poplatky zostanú.
Vo Van de Graaffovom generátore sa kladné ióny zo zdroja aplikujú na dopravný pás vo vnútri kovovej gule. Páska je spojená s vnútorným povrchom gule pomocou vodiča vo forme hrebeňa. Elektróny prúdia dole z vnútorného povrchu gule. Na jeho vonkajšej strane sa objavujú kladné ióny. Efekt je možné zvýšiť použitím dvoch generátorov.
Elektrický prúd
Školský kurz fyziky zahŕňa aj niečo ako elektrický prúd. Čo je to? Elektrický prúd je spôsobený pohybom elektrických nábojov. Keď je elektrická lampa pripojená k batérii zapnutá, prúd preteká vodičom z jedného pólu batérie do lampy, potom cez vlasy, čo spôsobí, že svieti, a späť cez druhý vodič k druhému pólu batérie.. Ak otočíte spínačom, okruh sa otvorí - tok prúdu sa zastaví a lampa zhasne.
Pohyb elektrónov
Prúd je vo väčšine prípadov usporiadaný pohyb elektrónov v kove, ktorý slúži ako vodič. Vo všetkých vodičoch a niektorých iných látkach vždy prebieha nejaký náhodný pohyb, aj keď nepreteká žiadny prúd. Elektróny v hmote môžu byť relatívne voľné alebo silne viazané. Dobré vodiče majú voľné elektróny, ktoré sa môžu pohybovať. Ale v nekvalitných vodičoch alebo izolátoroch je väčšina týchto častíc dostatočne pevne spojená s atómami, čo bráni ich pohybu.
Niekedy je pohyb elektrónov v určitom smere vytvorený prirodzene alebo umelo vo vodiči. Tento tok sa nazýva elektrický prúd. Meria sa v ampéroch (A). Ako nosiče prúdu môžu slúžiť aj ióny (v plynoch alebo roztokoch) a „diery“(nedostatok elektrónov v niektorých typoch polovodičov), ktoré sa správajú ako kladne nabité nosiče elektrického prúdu. Na pohyb elektrónov jedným smerom, resp. iné. V prírode môžu byť jeho zdrojmi: vystavenie slnečnému žiareniu, magnetickým účinkom a chemickým reakciám. Niektoré z nich sa používajú na výrobu elektriny. Na tento účel sú zvyčajne: generátor využívajúci magnetické efekty a článok (batéria), ktorého činnosť je podmienená k chemickým reakciám. Obe zariadenia vytvárajú elektromotorickú silu (EMF) a spôsobujú pohyb elektrónov v obvode jedným smerom. Hodnota EMF sa meria vo voltoch (V). Toto sú základné jednotky elektriny.
Veľkosť EMF a sila prúdu sú vzájomne prepojené, ako tlak a prietok v kvapaline. Vodné potrubia sú vždy naplnené vodou pod určitým tlakom, ale voda začne tiecť až po zapnutí kohútika.
Podobne môže byť elektrický obvod pripojený k zdroju EMP, ale prúd v ňom nebude prúdiť, kým sa nevytvorí dráha pre pohyb elektrónov. Môže to byť povedzme elektrická lampa alebo vysávač, vypínač tu plní úlohu kohútika, ktorý „uvoľňuje“prúd.
Vzťah medzi aktuálnym anapätie
Ako sa napätie v obvode zvyšuje, zvyšuje sa aj prúd. Študovaním kurzu fyziky sme sa dozvedeli, že elektrické obvody pozostávajú z niekoľkých rôznych častí: zvyčajne spínač, vodiče a zariadenie, ktoré spotrebúva elektrickú energiu. Všetky spojené dohromady vytvárajú odpor voči elektrickému prúdu, ktorý sa (za predpokladu konštantnej teploty) pre tieto komponenty s časom nemení, ale je pre každý z nich iný. Preto, ak je rovnaké napätie aplikované na žiarovku a žehličku, potom tok elektrónov v každom zo zariadení bude iný, pretože ich odpory sú odlišné. Preto je sila prúdu pretekajúceho určitým úsekom obvodu určená nielen napätím, ale aj odporom vodičov a zariadení.
Ohmov zákon
Hodnota elektrického odporu sa vo vede, ako je fyzika, meria v ohmoch (Ohm). Elektrina (vzorce, definície, experimenty) je rozsiahla téma. Nebudeme odvodzovať zložité vzorce. Na prvé zoznámenie sa s témou stačí to, čo bolo povedané vyššie. Jeden vzorec sa však predsa len oplatí odvodiť. Je celkom nekomplikovaná. Pre akýkoľvek vodič alebo systém vodičov a zariadení je vzťah medzi napätím, prúdom a odporom daný vzorcom: napätie=prúd x odpor. Toto je matematické vyjadrenie Ohmovho zákona, pomenovaného po Georgovi Ohmovi (1787-1854), ktorý ako prvý stanovil vzťah medzi týmito tromi parametrami.
Fyzika elektriny je veľmi zaujímavá veda. Uvažovali sme len o základných pojmoch, ktoré s tým súvisia. Vedel siČo je elektrina a ako sa vyrába? Dúfame, že tieto informácie budú pre vás užitočné.
