حرکت مستقیم ذرات باردار چیست؟ برای بسیاری، این یک منطقه غیرقابل درک است، اما در واقع همه چیز بسیار ساده است. بنابراین، هنگامی که آنها در مورد حرکت هدایت شده ذرات باردار صحبت می کنند، منظور آنها جریان است. بیایید به ویژگی‌ها و فرمول‌های اصلی آن و همچنین مسائل امنیتی هنگام کار با آن توجه کنیم.
اطلاعات عمومی
با یک تعریف شروع کنید. منظور از جریان الکتریکی همیشه حرکت منظم (جهت یافته) ذرات باردار است که تحت تأثیر میدان الکتریکی انجام می شود. در این مورد چه نوع اشیایی را می توان در نظر گرفت؟ ذرات به معنای الکترون، یون، پروتون، حفره است. همچنین مهم است که بدانیم قدرت فعلی چقدر است. این تعداد ذرات باردار است که در واحد زمان از سطح مقطع هادی عبور می‌کنند.
ماهیت پدیده
همه مواد فیزیکی از مولکول هایی تشکیل شده اند که از اتم ها تشکیل شده اند. آنها همچنین ماده نهایی نیستند، زیرا دارای عناصر (هسته و الکترون هایی هستند که به دور آن می چرخند). تمام واکنش های شیمیایی با حرکت ذرات همراه است. به عنوان مثال، با مشارکت الکترون ها، برخی از اتم ها کمبود خود را تجربه می کنند، در حالی که برخی دیگر بیش از حد را تجربه می کنند. در این حالت، مواد دارای بارهای مخالف هستند. اگر تماس آنها اتفاق بیفتد، آنگاه الکترون های یکی به سمت دیگری می روند.
چنین ماهیت فیزیکی ذرات بنیادی ماهیت جریان الکتریکی را توضیح می دهد. این حرکت جهتی ذرات باردار تا زمانی که مقادیر برابر شوند ادامه خواهد داشت. در این حالت واکنش تغییرات زنجیره ای است. به عبارت دیگر، به جای الکترون خارج شده، یک الکترون دیگر به جای آن می آید. از ذرات اتم همسایه برای جایگزینی استفاده می شود. اما این زنجیره نیز به همین جا ختم نمی شود. یک الکترون همچنین می تواند به اتم شدید، برای مثال، از قطب منفی منبع جریان جاری بیاید.
نمونه ای از چنین وضعیتی باتری است. از سمت منفی هادی، الکترون ها به سمت قطب مثبت منبع حرکت می کنند. هنگامی که تمام ذرات در جزء آلوده منفی تمام می شود، جریان متوقف می شود. در این مورد گفته می شود که باتری از بین رفته است. سرعت حرکت جهت دار ذرات باردار در این مسیر چقدر است؟ پاسخ به این سوال آنقدرها هم که در نگاه اول به نظر می رسد آسان نیست.
نقش استرس
این مفهوم برای چه استفاده می شود؟ ولتاژ مشخصه میدان الکتریکی است که اختلاف پتانسیل بین دو نقطه در داخل آن است. برای بسیاری، این ممکن است گیج کننده به نظر برسد. وقتی صحبت از حرکت مستقیم (مرتب شده) ذرات باردار می شود، باید ولتاژ را درک کنید.
بیایید تصور کنیم که یک هادی ساده داریم. این ممکن است یک سیم از فلز، مانند مس یا آلومینیوم باشد. در مورد ما، این چندان مهم نیست. جرم یک الکترون 9.10938215(45)×10-31 کیلوگرم است. یعنی کاملا مادی است. اما فلز هادی جامد است. پس چگونه الکترون ها می توانند از آن عبور کنند؟
چرا در محصولات فلزی جریان وجود دارد
بیایید به مبانی شیمی بپردازیم، که هر یک از ما این فرصت را داشتیم که در مدرسه یاد بگیریم. اگر تعداد الکترون های ماده برابر با تعداد پروتون ها باشد، خنثی بودن عنصر تضمین می شود. بر اساس قانون تناوبی مندلیف، مشخص می شود که باید با کدام ماده برخورد کرد. این به تعداد پروتون ها و نوترون ها بستگی دارد. نادیده گرفتن تفاوت بزرگ بین جرم هسته و الکترون غیرممکن است. اگر آنها حذف شوند، وزن اتم عملاً بدون تغییر باقی می‌ماند.
برای مثال، جرم یک پروتون تقریباً 1836 بیشتر از مقدار یک الکترون است. اما این ذرات میکروسکوپی بسیار مهم هستند، زیرا به راحتی می توانند برخی از اتم ها را ترک کنند و به برخی دیگر بپیوندند. در عین حال، کاهش یا افزایش تعداد آنها منجر بهبرای تغییر بار اتم اگر یک اتم را در نظر بگیریم، تعداد الکترون های آن همیشه متغیر خواهد بود. مدام می روند و برمی گردند. این به دلیل حرکت حرارتی و اتلاف انرژی است.
ویژگی شیمیایی یک پدیده فیزیکی
هنگامی که حرکت مستقیم ذرات باردار الکتریکی وجود دارد، آیا جرم اتمی از بین نمی رود؟ آیا ترکیب هادی تغییر می کند؟ این یک تصور غلط بسیار مهم است که بسیاری را سردرگم می کند. پاسخ در این مورد فقط منفی است. این به این دلیل است که عناصر شیمیایی نه با جرم اتمی آنها، بلکه با تعداد پروتون هایی که در هسته هستند تعیین می شوند. وجود یا عدم وجود الکترون/نوترون در این مورد نقشی ندارد. در عمل به این شکل به نظر می رسد:
- الکترون ها را اضافه یا کم کنید. معلوم می شود یون است.
- نوترون ها را اضافه یا تفریق کنید. معلوم می شود ایزوتوپ است.
عنصر شیمیایی تغییر نمی کند. اما در مورد پروتون ها، وضعیت متفاوت است. اگر فقط یکی باشد، هیدروژن داریم. دو پروتون - و ما در مورد هلیوم صحبت می کنیم. این سه ذره لیتیوم هستند. و غیره. علاقه مندان به ادامه می توانند به جدول تناوبی مراجعه کنند. به یاد داشته باشید: حتی اگر یک جریان هزار بار از یک هادی عبور کند، ترکیب شیمیایی آن تغییر نمی کند. اما شاید در غیر این صورت.
الکترولیت ها و سایر نکات جالب
ویژگی الکترولیت ها این است که این ترکیب شیمیایی آنهاست که تغییر می کند. سپس تحت تأثیر جریان،عناصر الکترولیت وقتی پتانسیل آنها تمام شد، حرکت هدایت شده ذرات باردار متوقف می شود. این وضعیت به این دلیل است که حامل های بار در الکترولیت ها یون هستند.
علاوه بر این، عناصر شیمیایی اصلاً بدون الکترون وجود دارند. یک مثال می تواند این باشد:
- هیدروژن کیهانی اتمی.
- همه موادی که در حالت پلاسما هستند.
- گازهای موجود در اتمسفر فوقانی (نه تنها زمین، بلکه سایر سیارات که در آنها توده هوا وجود دارد).
- محتوای شتاب دهنده ها و برخورددهنده ها.
همچنین باید توجه داشت که تحت تأثیر جریان الکتریکی، برخی از مواد شیمیایی می توانند به معنای واقعی کلمه خرد شوند. یک مثال معروف فیوز است. در سطح خرد چگونه به نظر می رسد؟ الکترون های متحرک اتم ها را در مسیر خود فشار می دهند. اگر جریان بسیار قوی باشد، شبکه کریستالی هادی نمی تواند مقاومت کند و از بین می رود و ماده ذوب می شود.
بازگشت به سرعت
پیش از این به صورت سطحی به این نکته پرداخته شد. حالا بیایید نگاهی دقیق تر به آن بیندازیم. لازم به ذکر است که مفهوم سرعت حرکت هدایت شده ذرات باردار به صورت جریان الکتریکی وجود ندارد. این به دلیل این واقعیت است که مقادیر مختلف در هم تنیده شده اند. بنابراین، میدان الکتریکی با سرعتی نزدیک به حرکت نور، یعنی حدود 300000 کیلومتر در ثانیه، در یک هادی منتشر می‌شود.
تحت تأثیر آن، همه الکترونها شروع به حرکت می کنند. اما سرعت آنهاخیلی کوچک. تقریباً 0.007 میلی متر در ثانیه است. در همان زمان، آنها همچنین به طور تصادفی در حرکت حرارتی عجله می کنند. در مورد پروتون ها و نوترون ها وضعیت متفاوت است. آنها خیلی بزرگ هستند که اتفاقات مشابهی برای آنها رخ ندهد. به عنوان یک قاعده، لازم نیست در مورد سرعت آنها نزدیک به مقدار نور صحبت شود.
پارامترهای فیزیکی
حالا بیایید به حرکت ذرات باردار در میدان الکتریکی از دیدگاه فیزیکی نگاه کنیم. برای انجام این کار، بیایید تصور کنیم که یک جعبه مقوایی داریم که 12 بطری نوشیدنی گازدار را در خود جای می دهد. در عین حال تلاش می شود ظرف دیگری در آنجا قرار گیرد. بیایید فرض کنیم که موفق شد. اما جعبه به سختی زنده ماند. وقتی می‌خواهید بطری دیگری را داخل آن قرار دهید، می‌شکند و همه ظروف می‌افتند.
جعبه مورد نظر را می توان با سطح مقطع یک هادی مقایسه کرد. هر چه این پارامتر (سیم ضخیم تر) بیشتر باشد، جریان بیشتری می تواند ارائه دهد. این مشخص می کند که حرکت جهت دار ذرات باردار چه حجمی می تواند داشته باشد. در مورد ما، یک جعبه حاوی یک تا دوازده بطری می تواند به راحتی هدف مورد نظر خود را برآورده کند (ترک نخواهد شد). بر اساس قیاس، می توان گفت که هادی نمی سوزد.
اگر از مقدار مشخص شده تجاوز کنید، شی از کار خواهد افتاد. در مورد یک هادی، مقاومت وارد عمل خواهد شد. قانون اهم حرکت جهت دار ذرات باردار الکتریکی را به خوبی توصیف می کند.
رابطه بین پارامترهای فیزیکی مختلف
در هر جعبهاز مثال ما، می توانید یکی دیگر را قرار دهید. در این مورد، نه 12، بلکه به تعداد 24 بطری در واحد سطح می توان قرار داد. ما یک مورد دیگر اضافه می کنیم - و سی و شش مورد از آنها وجود دارد. یکی از جعبه ها را می توان به عنوان یک واحد فیزیکی، مشابه با ولتاژ در نظر گرفت.
هرچه پهن تر باشد (در نتیجه مقاومت را کاهش می دهد)، بطری های بیشتری (که در مثال ما جایگزین جریان می شوند) می توانند قرار بگیرند. با افزایش پشته جعبه ها، می توانید ظروف اضافی را در واحد سطح قرار دهید. در این صورت قدرت افزایش می یابد. این کار جعبه (رسانا) را از بین نمی برد. در اینجا خلاصه ای از این قیاس آمده است:
- تعداد کل بطری ها قدرت را افزایش می دهد.
- تعداد ظروف در جعبه قدرت فعلی را نشان می دهد.
- تعداد جعبه ها در ارتفاع به شما امکان می دهد ولتاژ را قضاوت کنید.
- عرض جعبه ایده ای از مقاومت می دهد.
خطرات احتمالی
قبلاً بحث کرده ایم که حرکت جهت دار ذرات باردار جریان نامیده می شود. لازم به ذکر است که این پدیده می تواند برای سلامتی و حتی زندگی انسان خطرناک باشد. در اینجا خلاصه ای از خواص جریان الکتریکی آمده است:
- گرمایش هادی را که از طریق آن جریان می یابد فراهم می کند. اگر شبکه برق خانگی بیش از حد بارگذاری شود، عایق به تدریج زغال می کند و فرو می ریزد. در نتیجه احتمال اتصال کوتاه وجود دارد که بسیار خطرناک است.
- جریان الکتریکی وقتی از لوازم خانگی و سیم‌ها عبور می‌کند، به هم می‌رسد.مقاومت عناصر تشکیل دهنده مواد بنابراین، مسیری را انتخاب می‌کند که حداقل مقدار این پارامتر را داشته باشد.
- اگر اتصال کوتاه رخ دهد، قدرت جریان به شدت افزایش می یابد. این مقدار قابل توجهی گرما آزاد می کند. می تواند فلز را ذوب کند.
- ممکن است به دلیل نفوذ رطوبت، اتصال کوتاه رخ دهد. در مواردی که قبلاً صحبت شد، اشیاء نزدیک روشن می شوند، اما در این مورد، مردم همیشه رنج می برند.
- شوک الکتریکی خطر قابل توجهی دارد. به احتمال زیاد حتی کشنده است. هنگامی که جریان الکتریکی از بدن انسان عبور می کند، مقاومت بافت ها به شدت کاهش می یابد. آنها شروع به گرم شدن می کنند. در این حالت سلول ها از بین می روند و پایانه های عصبی می میرند.
مسائل امنیتی
برای جلوگیری از قرار گرفتن در معرض جریان الکتریکی، باید از تجهیزات حفاظتی خاصی استفاده کنید. کار باید در دستکش‌های لاستیکی با استفاده از تشک از همان مواد، میله‌های تخلیه، و همچنین دستگاه‌های زمینی برای محل کار و تجهیزات انجام شود.
سوئیچ های مدار با محافظت های مختلف به عنوان وسیله ای که می تواند جان یک فرد را نجات دهد خوب است.
همچنین، هنگام کار نباید احتیاط های اولیه ایمنی را فراموش کرد. اگر آتش سوزی در تجهیزات الکتریکی رخ دهد، فقط می توان از کپسول های آتش نشانی دی اکسید کربن و پودر استفاده کرد. دومی بهترین نتیجه را در مبارزه با آتش نشان می دهد، اما تجهیزات پوشیده از گرد و غبار همیشه قابل بازسازی نیستند.
نتیجه گیری
با استفاده از مثال هایی که برای هر خواننده قابل درک باشد، متوجه شدیم که حرکت منظم ذرات باردار را جریان الکتریکی می نامند. این یک پدیده بسیار جالب است که از نظر فیزیک و شیمی مهم است. جریان الکتریکی یک دستیار خستگی ناپذیر برای انسان است. با این حال، باید با احتیاط رفتار کرد. این مقاله مسائل امنیتی را مورد بحث قرار می دهد که در صورت عدم تمایل به مردن باید به آنها توجه کرد.
