Die Physik der Elektrizität ist etwas, mit dem sich jeder von uns auseinandersetzen muss. In dem Artikel werden wir die damit verbundenen grundlegenden Konzepte betrachten.
Was ist Strom? Für einen Laien ist es mit einem Blitz verbunden oder mit der Energie, die den Fernseher und die Waschmaschine speist. Er weiß, dass elektrische Züge elektrische Energie verbrauchen. Was kann er noch sagen? Stromleitungen erinnern ihn an unsere Abhängigkeit vom Strom. Jemand kann ein paar andere Beispiele geben.
Aber viele andere, nicht so offensichtliche, aber alltägliche Phänomene sind mit Elektrizität verbunden. Die Physik macht uns mit allen bekannt. Wir beginnen in der Schule mit dem Studium der Elektrizität (Aufgaben, Definitionen und Formeln). Und wir lernen viele interessante Dinge. Es stellt sich heraus, dass ein schlagendes Herz, ein laufender Sportler, ein schlafendes Baby und ein schwimmender Fisch elektrische Energie erzeugen.
Elektronen und Protonen
Lassen Sie uns die grundlegenden Konzepte definieren. Aus Sicht eines Wissenschaftlers ist die Physik der Elektrizität mit der Bewegung von Elektronen und anderen geladenen Teilchen in verschiedenen Substanzen verbunden. Daher hängt das wissenschaftliche Verständnis der Natur des für uns interessierenden Phänomens vom Kenntnisstand über Atome und ihre subatomaren Teilchen ab. Das winzige Elektron ist der Schlüssel zu diesem Verständnis. Die Atome jeder Substanz enth alten ein oder mehrere Elektronen, die sich auf verschiedenen Bahnen um den Kern bewegen, so wie die Planeten um die Sonne kreisen. Normalerweise ist die Anzahl der Elektronen in einem Atom gleich der Anzahl der Protonen im Kern. Protonen, die viel schwerer als Elektronen sind, können jedoch als im Zentrum des Atoms fixiert angesehen werden. Dieses extrem vereinfachte Modell des Atoms reicht aus, um die Grundlagen eines solchen Phänomens wie der Physik der Elektrizität zu erklären.
Was müssen Sie noch wissen? Elektronen und Protonen haben die gleiche elektrische Ladung (aber unterschiedliche Vorzeichen), sodass sie sich anziehen. Die Ladung eines Protons ist positiv und die eines Elektrons negativ. Ein Atom, das mehr oder weniger Elektronen als gewöhnlich hat, wird als Ion bezeichnet. Wenn davon in einem Atom nicht genug vorhanden ist, spricht man von einem positiven Ion. Wenn es einen Überschuss davon enthält, wird es als negatives Ion bezeichnet.
Wenn ein Elektron ein Atom verlässt, erhält es eine positive Ladung. Ein Elektron, das seines Gegenteils - eines Protons - beraubt ist, bewegt sich entweder zu einem anderen Atom oder kehrt zum vorherigen zurück.
Warum verlassen Elektronen Atome?
Dies hat mehrere Gründe. Die allgemeinste ist, dass unter dem Einfluss eines Lichtimpulses oder eines externen Elektrons ein Elektron, das sich in einem Atom bewegt, aus seiner Umlaufbahn gestoßen werden kann. Hitze lässt die Atome schneller schwingen. Das bedeutet, dass Elektronen aus ihrem Atom herausfliegen können. Bei chemischen Reaktionen bewegen sie sich auch von Atom zu Atomatom.
Ein gutes Beispiel für die Beziehung zwischen chemischer und elektrischer Aktivität sind unsere Muskeln. Ihre Fasern ziehen sich zusammen, wenn sie einem elektrischen Signal des Nervensystems ausgesetzt werden. Elektrischer Strom regt chemische Reaktionen an. Sie führen zu Muskelkontraktionen. Externe elektrische Signale werden häufig verwendet, um die Muskelaktivität künstlich zu stimulieren.
Leitfähigkeit
In manchen Substanzen bewegen sich Elektronen unter der Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes freier als in anderen. Solche Substanzen sollen eine gute Leitfähigkeit haben. Sie werden Dirigenten genannt. Dazu gehören die meisten Metalle, erhitzte Gase und einige Flüssigkeiten. Luft, Gummi, Öl, Polyethylen und Glas sind schlechte elektrische Leiter. Sie werden als Dielektrika bezeichnet und zur Isolierung guter Leiter verwendet. Ideale Isolatoren (absolut nichtleitend) gibt es nicht. Unter bestimmten Bedingungen können Elektronen aus jedem Atom entfernt werden. Diese Bedingungen sind jedoch in der Regel so schwierig zu erfüllen, dass solche Substanzen aus praktischer Sicht als nicht leitfähig angesehen werden können.
Beim Kennenlernen einer solchen Wissenschaft wie der Physik (Abschnitt „Elektrizität“) erfahren wir, dass es eine besondere Stoffgruppe gibt. Das sind Halbleiter. Sie verh alten sich teilweise als Dielektrika und teilweise als Leiter. Dazu gehören insbesondere: Germanium, Silizium, Kupferoxid. Aufgrund seiner Eigenschaften findet der Halbleiter viele Anwendungen. Es kann zum Beispiel als elektrisches Ventil dienen: wie ein Fahrradreifenventilermöglicht es Ladungen, sich nur in eine Richtung zu bewegen. Solche Geräte werden Gleichrichter genannt. Sie werden sowohl in Miniaturradios als auch in großen Kraftwerken verwendet, um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln.
Wärme ist eine chaotische Form der Bewegung von Molekülen oder Atomen, und die Temperatur ist ein Maß für die Intensität dieser Bewegung (bei den meisten Metallen wird die Bewegung der Elektronen mit abnehmender Temperatur freier). Das bedeutet, dass der Widerstand gegen die freie Bewegung von Elektronen mit sinkender Temperatur abnimmt. Mit anderen Worten, die Leitfähigkeit von Metallen steigt.
Supraleitung
In manchen Substanzen verschwindet bei sehr niedrigen Temperaturen der Widerstand gegen den Elektronenfluss vollständig, und die Elektronen setzen sich, nachdem sie begonnen haben, sich zu bewegen, auf unbestimmte Zeit fort. Dieses Phänomen wird als Supraleitung bezeichnet. Bei Temperaturen von wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt (-273 °C) wird es in Metallen wie Zinn, Blei, Aluminium und Niob beobachtet.
Van-de-Graaff-Generatoren
Auf dem Schulplan stehen verschiedene Experimente mit Elektrizität. Es gibt viele Arten von Generatoren, auf eine davon möchten wir näher eingehen. Der Van-de-Graaff-Generator dient zur Erzeugung von Ultrahochspannungen. Wenn ein Objekt, das einen Überschuss an positiven Ionen enthält, in einen Behälter gegeben wird, erscheinen Elektronen auf der Innenfläche des letzteren und die gleiche Anzahl positiver Ionen auf der Außenfläche. Wenn wir nun die innere Oberfläche mit einem geladenen Gegenstand berühren, dann werden alle freien Elektronen dorthin gelangen. Draußenpositive Ladungen bleiben.
In einem Van-de-Graaff-Generator werden positive Ionen aus einer Quelle auf ein Förderband innerhalb einer Metallkugel aufgebracht. Das Band wird mit Hilfe eines Leiters in Form eines Kamms mit der Innenfläche der Kugel verbunden. Die Elektronen fließen von der Innenfläche der Kugel nach unten. An seiner Außenseite erscheinen positive Ionen. Der Effekt kann durch die Verwendung von zwei Generatoren verstärkt werden.
Elektrischer Strom
Der Schulphysikkurs beinh altet auch so etwas wie elektrischen Strom. Was ist es? Elektrischer Strom entsteht durch die Bewegung elektrischer Ladungen. Wenn eine an eine Batterie angeschlossene elektrische Lampe eingesch altet wird, fließt Strom durch einen Draht von einem Pol der Batterie zur Lampe, dann durch ihr Haar, wodurch es zum Leuchten gebracht wird, und durch den zweiten Draht zurück zum anderen Pol der Batterie. Wird der Sch alter gedreht, öffnet sich der Stromkreis - der Stromfluss stoppt und die Lampe erlischt.
Elektronenbewegung
Strom ist in den meisten Fällen eine geordnete Bewegung von Elektronen in einem Metall, das als Leiter dient. In allen Leitern und einigen anderen Substanzen gibt es immer eine zufällige Bewegung, auch wenn kein Strom fließt. Elektronen in Materie können relativ frei oder stark gebunden sein. Gute Leiter haben freie Elektronen, die sich bewegen können. Aber in schlechten Leitern oder Isolatoren sind die meisten dieser Teilchen stark genug mit Atomen verbunden, was ihre Bewegung verhindert.
Manchmal wird die Bewegung von Elektronen in eine bestimmte Richtung in einem Leiter natürlich oder künstlich erzeugt. Dieser Fluss wird elektrischer Strom genannt. Sie wird in Ampere (A) gemessen. Ionen (in Gasen oder Lösungen) und „Löcher“(Elektronenmangel in manchen Halbleitertypen) können ebenfalls als Stromträger dienen. Letztere verh alten sich wie positiv geladene elektrische Stromträger. Es ist eine gewisse Kraft erforderlich, um Elektronen in eine Richtung zu bewegen oder In der Natur können seine Quellen sein: Sonneneinstrahlung, magnetische Effekte und chemische Reaktionen. Einige von ihnen werden zur Stromerzeugung verwendet. Normalerweise sind für diesen Zweck: ein Generator, der magnetische Effekte nutzt, und eine Zelle (Batterie), deren Wirkung zu verdanken ist zu chemischen Reaktionen. Beide Geräte, die eine elektromotorische Kraft (EMF) erzeugen, bewirken, dass sich die Elektronen in einer Richtung durch den Stromkreis bewegen. Der EMF-Wert wird in Volt (V) gemessen. Dies sind die Grundeinheiten der Elektrizität.
Die Größe der EMF und die Stärke des Stroms sind miteinander verbunden, wie Druck und Strömung in einer Flüssigkeit. Wasserleitungen sind immer mit einem bestimmten Druck mit Wasser gefüllt, aber Wasser beginnt erst zu fließen, wenn der Wasserhahn aufgedreht wird.
In ähnlicher Weise kann ein Stromkreis an eine EMF-Quelle angeschlossen werden, aber es fließt kein Strom darin, bis ein Weg geschaffen wird, auf dem sich die Elektronen bewegen können. Das kann zum Beispiel eine elektrische Lampe oder ein Staubsauger sein, der Sch alter spielt hier die Rolle eines Wasserhahns, der Strom „abgibt“.
Die Beziehung zwischen Strom undSpannung
Mit zunehmender Spannung im Stromkreis steigt auch der Strom. In einem Physikkurs lernen wir, dass elektrische Sch altkreise aus mehreren verschiedenen Abschnitten bestehen: normalerweise einem Sch alter, Leitern und einem Gerät, das Strom verbraucht. Alle miteinander verbunden, erzeugen einen Widerstand gegen elektrischen Strom, der sich (bei konstanter Temperatur) für diese Komponenten nicht mit der Zeit ändert, sondern für jede von ihnen unterschiedlich ist. Wenn also dieselbe Spannung an eine Glühbirne und an ein Bügeleisen angelegt wird, ist der Elektronenfluss in jedem der Geräte unterschiedlich, da ihre Widerstände unterschiedlich sind. Daher wird die Stärke des Stroms, der durch einen bestimmten Abschnitt des Stromkreises fließt, nicht nur durch die Spannung bestimmt, sondern auch durch den Widerstand von Leitern und Geräten.
Ohmsches Gesetz
Der Wert des elektrischen Widerstands wird in einer Wissenschaft wie der Physik in Ohm (Ohm) gemessen. Elektrizität (Formeln, Definitionen, Experimente) ist ein weites Feld. Wir werden keine komplexen Formeln herleiten. Für die erste Bekanntschaft mit dem Thema reicht das oben Gesagte. Eine Formel ist es jedoch immer noch wert, hergeleitet zu werden. Sie ist recht unkompliziert. Für jeden Leiter oder jedes System von Leitern und Geräten ist die Beziehung zwischen Spannung, Strom und Widerstand durch die Formel gegeben: Spannung=Strom x Widerstand. Dies ist der mathematische Ausdruck des Ohmschen Gesetzes, benannt nach George Ohm (1787-1854), der als erster die Beziehung zwischen diesen drei Parametern herstellte.
Die Elektrizitätsphysik ist ein sehr interessanter Wissenschaftszweig. Wir haben nur die damit verbundenen grundlegenden Konzepte betrachtet. Wusstest duWas ist Strom und wie wird er erzeugt? Wir hoffen, dass Sie diese Informationen nützlich finden.
