فیزیک الکتریسیته چیزی است که هر یک از ما باید با آن سر و کار داشته باشیم. در مقاله مفاهیم اساسی مرتبط با آن را در نظر خواهیم گرفت.
برق چیست؟ برای یک فرد ناآشنا، با رعد و برق یا با انرژی تغذیه کننده تلویزیون و ماشین لباسشویی همراه است. او می داند که قطارهای الکتریکی از انرژی الکتریکی استفاده می کنند. او دیگر چه می تواند بگوید؟ خطوط برق وابستگی ما به برق را به او یادآوری می کند. کسی می تواند چند مثال دیگر بزند.
با این حال، بسیاری از پدیده های نه چندان آشکار، اما روزمره با برق مرتبط هستند. فیزیک ما را با همه آنها آشنا می کند. ما شروع به مطالعه برق (وظایف، تعاریف و فرمول ها) در مدرسه می کنیم. و ما چیزهای جالب زیادی یاد می گیریم. معلوم شد که یک قلب تپنده، یک ورزشکار در حال دویدن، یک نوزاد خواب و یک ماهی در حال شنا، همگی انرژی الکتریکی تولید می کنند.
الکترون ها و پروتون ها
بیایید مفاهیم اساسی را تعریف کنیم. از دیدگاه یک دانشمند، فیزیک الکتریسیته با حرکت الکترون ها و دیگر ذرات باردار در مواد مختلف مرتبط است. بنابراین، درک علمی از ماهیت پدیده مورد علاقه ما بستگی به سطح دانش در مورد اتم ها و ذرات زیر اتمی تشکیل دهنده آنها دارد.الکترون کوچک کلید این درک است. اتم های هر ماده حاوی یک یا چند الکترون هستند که در مدارهای مختلف به دور هسته حرکت می کنند، درست همانطور که سیارات به دور خورشید می چرخند. معمولا تعداد الکترون های یک اتم برابر با تعداد پروتون های هسته است. با این حال، پروتون ها، که بسیار سنگین تر از الکترون هستند، می توانند در مرکز اتم ثابت باشند. این مدل بسیار ساده شده اتم برای توضیح اصول اولیه پدیده ای مانند فیزیک الکتریسیته کافی است.
چه چیز دیگری باید بدانید؟ الکترونها و پروتون‌ها بار الکتریکی یکسانی دارند (اما علامت متفاوتی دارند)، بنابراین به یکدیگر جذب می‌شوند. بار پروتون مثبت و بار الکترون منفی است. اتمی که دارای الکترون های بیشتر یا کمتر از حد معمول باشد، یون نامیده می شود. اگر در یک اتم تعداد کافی از آنها وجود نداشته باشد، آن را یون مثبت می نامند. اگر حاوی بیش از حد آنها باشد، به آن یون منفی می گویند.
وقتی الکترون از اتم خارج می شود، مقداری بار مثبت پیدا می کند. یک الکترون که از متضاد خود - یک پروتون - محروم است، یا به اتم دیگری حرکت می کند یا به اتم قبلی باز می گردد.
چرا الکترون ها اتم ها را ترک می کنند؟
این به دلایل مختلفی است. کلی ترین آن این است که تحت تأثیر یک پالس نور یا برخی الکترون های خارجی، الکترونی که در یک اتم حرکت می کند می تواند از مدار خود خارج شود. گرما باعث می شود اتم ها سریعتر ارتعاش کنند. این بدان معنی است که الکترون ها می توانند از اتم خود به بیرون پرواز کنند. در واکنش های شیمیایی نیز از اتم به اتم حرکت می کننداتم.
یک مثال خوب از رابطه بین فعالیت شیمیایی و الکتریکی توسط عضلات ما ارائه شده است. فیبرهای آنها وقتی در معرض سیگنال الکتریکی سیستم عصبی قرار می گیرند منقبض می شوند. جریان الکتریکی واکنش های شیمیایی را تحریک می کند. آنها منجر به انقباض عضلات می شوند. سیگنال های الکتریکی خارجی اغلب برای تحریک مصنوعی فعالیت عضلات استفاده می شود.
رسانایی
در برخی از مواد، الکترون ها تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی آزادانه تر از مواد دیگر حرکت می کنند. گفته می شود که چنین موادی رسانایی خوبی دارند. به آنها هادی می گویند. اینها شامل بیشتر فلزات، گازهای گرم شده و برخی مایعات است. هوا، لاستیک، روغن، پلی اتیلن و شیشه هادی های ضعیف الکتریسیته هستند. آنها دی الکتریک نامیده می شوند و برای عایق کاری هادی های خوب استفاده می شوند. عایق های ایده آل (کاملاً نارسانا) وجود ندارند. تحت شرایط خاصی، الکترون ها را می توان از هر اتمی حذف کرد. با این حال، برآوردن این شرایط معمولاً آنقدر دشوار است که از نظر عملی، چنین موادی را می توان نارسانا در نظر گرفت.
آشنایی با علمی مانند فیزیک (بخش "الکتریسیته")، متوجه می شویم که گروه خاصی از مواد وجود دارد. اینها نیمه هادی ها هستند. آنها تا حدی به عنوان دی الکتریک و بخشی به عنوان رسانا رفتار می کنند. اینها به ویژه عبارتند از: ژرمانیوم، سیلیکون، اکسید مس. نیمه هادی به دلیل خواصی که دارد کاربردهای زیادی پیدا می کند. به عنوان مثال، می تواند به عنوان یک دریچه برقی عمل کند: مانند دریچه لاستیک دوچرخه، آن رااجازه می دهد تا بارها فقط در یک جهت حرکت کنند. چنین وسایلی را یکسو کننده می نامند. آنها در رادیوهای مینیاتوری و همچنین نیروگاه های بزرگ برای تبدیل AC به DC استفاده می شوند.
گرما شکل آشفته حرکت مولکول ها یا اتم ها است و دما معیاری برای شدت این حرکت است (در بیشتر فلزات با کاهش دما، حرکت الکترون ها آزادتر می شود). این بدان معنی است که مقاومت در برابر حرکت آزاد الکترون ها با کاهش دما کاهش می یابد. به عبارت دیگر رسانایی فلزات افزایش می یابد.
ابررسانایی
در برخی از مواد در دمای بسیار پایین، مقاومت در برابر جریان الکترون ها به طور کامل از بین می رود و الکترون ها با شروع حرکت، آن را به طور نامحدود ادامه می دهند. این پدیده ابررسانایی نامیده می شود. در دمای چند درجه بالاتر از صفر مطلق (273- درجه سانتیگراد)، در فلزاتی مانند قلع، سرب، آلومینیوم و نیوبیم مشاهده می شود.
ژنراتورهای Van de Graaff
برنامه درسی مدرسه شامل آزمایش های مختلف با برق است. انواع مختلفی از ژنراتورها وجود دارد که مایلیم در مورد یکی از آنها با جزئیات بیشتری صحبت کنیم. ژنراتور Van de Graaff برای تولید ولتاژهای فوق العاده بالا استفاده می شود. اگر جسمی حاوی بیش از حد یون مثبت در داخل ظرف قرار گیرد، الکترون ها در سطح داخلی ظرف دوم و به همان تعداد یون مثبت در سطح بیرونی ظاهر می شوند. اگر اکنون سطح داخلی را با یک جسم باردار لمس کنیم، تمام الکترون های آزاد به آن منتقل می شوند. به سمت بیرونبارهای مثبت باقی خواهند ماند.
در یک ژنراتور Van de Graaff، یون های مثبت از یک منبع به تسمه نقاله در داخل یک کره فلزی اعمال می شود. نوار به کمک یک هادی به شکل شانه به سطح داخلی کره متصل می شود. الکترون ها از سطح داخلی کره به پایین جریان می یابند. یون های مثبت در قسمت بیرونی آن ظاهر می شوند. با استفاده از دو ژنراتور می توان اثر را افزایش داد.
جریان الکتریکی
دوره فیزیک مدرسه نیز شامل چیزی مانند جریان الکتریکی است. چیست؟ جریان الکتریکی ناشی از حرکت بارهای الکتریکی است. هنگامی که یک لامپ الکتریکی متصل به باتری روشن می شود، جریان از طریق یک سیم از یک قطب باتری به لامپ، سپس از موهای آن می گذرد و باعث درخشش آن می شود و از طریق سیم دوم به قطب دیگر باتری برمی گردد.. اگر سوئیچ بچرخد، مدار باز می شود - جریان قطع می شود و لامپ خاموش می شود.
حرکت الکترونها
جریان در بیشتر موارد حرکت منظم الکترون ها در فلزی است که به عنوان رسانا عمل می کند. در همه رساناها و برخی مواد دیگر همیشه حرکتی تصادفی در جریان است، حتی اگر جریانی در جریان نباشد. الکترون های موجود در ماده می توانند نسبتاً آزاد یا به شدت محدود باشند. هادی های خوب دارای الکترون های آزاد هستند که می توانند به اطراف حرکت کنند. اما در رساناها یا عایق‌های ضعیف، بیشتر این ذرات به اندازه کافی قوی با اتم‌ها متصل هستند که از حرکت آنها جلوگیری می‌کند.
گاهی اوقات حرکت الکترون ها در جهت خاصی به طور طبیعی یا مصنوعی در یک رسانا ایجاد می شود. این جریان را جریان الکتریکی می نامند. با آمپر (A) اندازه گیری می شود. یون‌ها (در گازها یا محلول‌ها) و «حفره‌ها» (فقدان الکترون در برخی از انواع نیمه‌رساناها) می‌توانند به عنوان حامل جریان عمل کنند. این دومی‌ها مانند حامل‌های جریان الکتریکی با بار مثبت رفتار می‌کنند. برای وادار کردن الکترونها به یک جهت یا حرکت به نیرویی نیاز است. در طبیعت منابع آن می تواند: قرار گرفتن در معرض نور خورشید، اثرات مغناطیسی و واکنش های شیمیایی باشد. برخی از آنها برای تولید الکتریسیته استفاده می شوند. معمولاً برای این منظور عبارتند از: ژنراتور با استفاده از اثرات مغناطیسی و سلول (باتری) که اثر آن ناشی از عمل است. به واکنش‌های شیمیایی. هر دو دستگاه، با ایجاد نیروی محرکه الکتریکی (EMF)، باعث می‌شوند که الکترونها در یک جهت در مدار حرکت کنند. مقدار EMF با ولت (V) اندازه‌گیری می‌شود. اینها واحدهای اصلی الکتریسیته هستند.
قدر EMF و قدرت جریان مانند فشار و جریان در مایع به هم مرتبط هستند. لوله های آب همیشه با فشار معینی با آب پر می شوند، اما آب تنها زمانی شروع به جریان می کند که شیر آب باز شود.
به طور مشابه، یک مدار الکتریکی را می توان به منبع EMF متصل کرد، اما تا زمانی که مسیری برای حرکت الکترون ها ایجاد نشود، جریان در آن جریان نخواهد داشت. این می تواند مثلاً یک لامپ برقی یا یک جاروبرقی باشد، سوئیچ در اینجا نقش شیری را ایفا می کند که جریان را آزاد می کند.
رابطه بین جریان وولتاژ
با افزایش ولتاژ در مدار، جریان نیز افزایش می یابد. با مطالعه یک دوره فیزیک، می آموزیم که مدارهای الکتریکی از چندین بخش مختلف تشکیل شده اند: معمولا یک کلید، هادی ها و دستگاهی که برق مصرف می کند. همه آنها با اتصال به یکدیگر مقاومتی در برابر جریان الکتریکی ایجاد می کنند که (با فرض دمای ثابت) برای این اجزا با گذشت زمان تغییر نمی کند، اما برای هر یک از آنها متفاوت است. بنابراین، اگر ولتاژ یکسانی به یک لامپ و یک آهن اعمال شود، جریان الکترون ها در هر یک از دستگاه ها متفاوت خواهد بود، زیرا مقاومت آنها متفاوت است. بنابراین، قدرت جریانی که از بخش خاصی از مدار می گذرد نه تنها با ولتاژ، بلکه با مقاومت هادی ها و دستگاه ها نیز تعیین می شود.
قانون اهم
مقدار مقاومت الکتریکی در علومی مانند فیزیک بر حسب اهم (اهم) اندازه گیری می شود. الکتریسیته (فرمول‌ها، تعاریف، آزمایش‌ها) موضوع گسترده‌ای است. ما فرمول های پیچیده را استخراج نخواهیم کرد. برای اولین آشنایی با موضوع، آنچه در بالا گفته شد کافی است. با این حال، یک فرمول هنوز ارزش استخراج دارد. او کاملاً بی عارضه است. برای هر هادی یا سیستم هادی ها و دستگاه ها، رابطه بین ولتاژ، جریان و مقاومت با فرمول: ولتاژ=جریان x مقاومت ارائه می شود. این بیان ریاضی قانون اهم است که به افتخار جورج اهم (1787-1854) نامگذاری شده است، کسی که برای اولین بار رابطه بین این سه پارامتر را ایجاد کرد.
فیزیک الکتریسیته شاخه بسیار جالبی از علم است. ما فقط مفاهیم اساسی مرتبط با آن را در نظر گرفته ایم. آیا میدانستیدبرق چیست و چگونه تولید می شود؟ امیدواریم این اطلاعات برای شما مفید باشد.
