Vật lý của điện là thứ mà mỗi chúng ta phải đối mặt với. Trong bài viết, chúng tôi sẽ xem xét các khái niệm cơ bản liên quan đến nó.
Điện là gì? Đối với một người chưa quen, nó liên quan đến một tia chớp hoặc với năng lượng cung cấp năng lượng cho TV và máy giặt. Anh ta biết rằng tàu điện sử dụng năng lượng điện. Anh ta có thể nói gì nữa? Đường dây điện nhắc nhở anh ấy về sự phụ thuộc của chúng ta vào điện. Ai đó có thể đưa ra một vài ví dụ khác.
Tuy nhiên, nhiều hiện tượng khác, không quá rõ ràng, nhưng hàng ngày được kết nối với điện. Vật lý giới thiệu cho chúng ta tất cả chúng. Chúng tôi bắt đầu học điện (nhiệm vụ, định nghĩa và công thức) ở trường. Và chúng tôi học được rất nhiều điều thú vị. Hóa ra là một trái tim đang đập, một vận động viên đang chạy, một em bé đang ngủ và một con cá đang bơi đều tạo ra năng lượng điện.
Electron và proton
Hãy xác định các khái niệm cơ bản. Theo quan điểm của một nhà khoa học, điện học vật lý gắn liền với sự chuyển động của các electron và các hạt mang điện khác trong các chất khác nhau. Do đó, sự hiểu biết khoa học về bản chất của hiện tượng mà chúng ta quan tâm phụ thuộc vào mức độ hiểu biết về nguyên tử và các hạt hạ nguyên tử cấu thành của chúng. Electron nhỏ bé là chìa khóa cho sự hiểu biết này. Nguyên tử của bất kỳ chất nào đều chứa một hoặc nhiều electron chuyển động theo nhiều quỹ đạo khác nhau xung quanh hạt nhân, giống như các hành tinh quay quanh mặt trời. Thông thường số electron trong nguyên tử bằng số proton trong hạt nhân. Tuy nhiên, proton, nặng hơn nhiều electron, có thể được coi là cố định ở tâm nguyên tử. Mô hình nguyên tử cực kỳ đơn giản này đủ để giải thích những điều cơ bản của một hiện tượng như vật lý điện.
Bạn cần biết điều gì khác? Electron và proton có cùng điện tích (nhưng khác dấu) nên chúng hút nhau. Điện tích của một proton là dương và của một electron là âm. Nguyên tử có nhiều hoặc ít electron hơn bình thường được gọi là ion. Nếu không có đủ chúng trong một nguyên tử, thì nó được gọi là ion dương. Nếu nó chứa một lượng dư thừa, thì nó được gọi là ion âm.
Khi một electron rời khỏi nguyên tử, nó sẽ nhận được một số điện tích dương. Một electron, bị tước đi đối diện của nó - một proton, hoặc di chuyển đến nguyên tử khác, hoặc trở lại nguyên tử trước đó.
Tại sao các electron rời khỏi nguyên tử?
Điều này là do một số lý do. Tổng quát nhất là dưới tác động của một xung ánh sáng hoặc một số điện tử bên ngoài, một điện tử chuyển động trong nguyên tử có thể bị bật ra khỏi quỹ đạo của nó. Nhiệt làm cho các nguyên tử dao động nhanh hơn. Điều này có nghĩa là các electron có thể bay ra khỏi nguyên tử của chúng. Trong các phản ứng hóa học, chúng cũng di chuyển từ nguyên tử sangnguyên tử.
Một ví dụ điển hình về mối quan hệ giữa hoạt động hóa học và điện được cung cấp bởi cơ bắp của chúng ta. Các sợi của chúng co lại khi tiếp xúc với tín hiệu điện từ hệ thần kinh. Dòng điện kích thích các phản ứng hóa học. Chúng dẫn đến co cơ. Các tín hiệu điện bên ngoài thường được sử dụng để kích thích hoạt động của cơ một cách giả tạo.
Độ dẫn điện
Ở một số chất, các êlectron dưới tác dụng của điện trường ngoài chuyển động tự do hơn các chất khác. Những chất như vậy được cho là có độ dẫn điện tốt. Chúng được gọi là chất dẫn điện. Chúng bao gồm hầu hết các kim loại, khí đốt nóng và một số chất lỏng. Không khí, cao su, dầu, polyetylen và thủy tinh là những chất dẫn điện kém. Chúng được gọi là chất điện môi và được sử dụng để cách điện với các chất dẫn điện tốt. Chất cách điện lý tưởng (tuyệt đối không dẫn điện) không tồn tại. Trong những điều kiện nhất định, electron có thể bị bứt ra khỏi bất kỳ nguyên tử nào. Tuy nhiên, những điều kiện này thường khó đáp ứng đến mức, từ quan điểm thực tế, những chất như vậy có thể được coi là không dẫn điện.
Làm quen với một môn khoa học như vật lý (phần "Điện"), chúng ta biết rằng có một nhóm chất đặc biệt. Đây là những chất bán dẫn. Chúng hoạt động một phần như chất điện môi và một phần như chất dẫn điện. Chúng bao gồm, cụ thể là: gecmani, silic, ôxít đồng. Do đặc tính của nó, chất bán dẫn có nhiều ứng dụng. Ví dụ, nó có thể hoạt động như một van điện: giống như van lốp xe đạp, nócho phép các điện tích chỉ di chuyển theo một hướng. Các thiết bị như vậy được gọi là bộ chỉnh lưu. Chúng được sử dụng trong radio thu nhỏ cũng như các nhà máy điện lớn để chuyển đổi AC sang DC.
Nhiệt là một dạng chuyển động hỗn loạn của các phân tử hoặc nguyên tử, và nhiệt độ là thước đo cường độ của chuyển động này (ở hầu hết các kim loại, khi nhiệt độ giảm, chuyển động của các electron trở nên tự do hơn). Điều này có nghĩa là khả năng chống lại chuyển động tự do của các electron giảm khi nhiệt độ giảm. Nói cách khác, độ dẫn điện của kim loại tăng lên.
Siêu dẫn
Trong một số chất ở nhiệt độ rất thấp, lực cản đối với dòng electron biến mất hoàn toàn, và các electron, sau khi bắt đầu chuyển động, tiếp tục nó vô thời hạn. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng siêu dẫn. Ở nhiệt độ trên không tuyệt đối vài độ (-273 ° C), nó được quan sát thấy trong các kim loại như thiếc, chì, nhôm và niobi.
Máy phát điện Van de Graaff
Chương trình giảng dạy của trường bao gồm các thí nghiệm khác nhau về điện. Có nhiều loại máy phát điện, một trong số đó chúng tôi muốn nói chi tiết hơn. Máy phát điện Van de Graaff được sử dụng để tạo ra điện áp siêu cao. Nếu một vật có chứa một lượng dư ion dương được đặt vào bên trong một bình chứa, thì các electron sẽ xuất hiện ở bề mặt bên trong của vật đó, và số ion dương sẽ xuất hiện ở bề mặt ngoài cùng. Nếu bây giờ chúng ta chạm vào bề mặt bên trong của một vật mang điện, thì tất cả các electron tự do sẽ truyền cho nó. Ở bên ngoàiđiện tích dương sẽ vẫn còn.
Trong máy phát điện Van de Graaff, các ion dương từ một nguồn được đưa vào một băng chuyền bên trong một quả cầu kim loại. Băng được kết nối với bề mặt bên trong của quả cầu với sự trợ giúp của một dây dẫn ở dạng một chiếc lược. Các electron đi xuống từ bề mặt bên trong của quả cầu. Các ion dương xuất hiện ở mặt ngoài của nó. Hiệu ứng có thể được nâng cao bằng cách sử dụng hai máy phát điện.
Dòng điện
Khóa học vật lý ở trường cũng bao gồm một thứ như dòng điện. Nó là gì? Dòng điện là do sự chuyển động của các điện tích. Khi bật đèn điện nối với pin, dòng điện chạy qua dây dẫn từ một cực của pin đến đèn, rồi qua dây tóc của nó làm cho bóng đèn phát sáng và ngược lại qua dây thứ hai sang cực kia của pin.. Nếu bật công tắc, mạch sẽ mở - dòng điện sẽ dừng và đèn sẽ tắt.
Chuyển động của các electron
Dòng điện trong hầu hết các trường hợp là sự chuyển động có trật tự của các electron trong kim loại đóng vai trò là chất dẫn điện. Trong tất cả các vật dẫn và một số chất khác luôn có một số chuyển động ngẫu nhiên xảy ra, ngay cả khi không có dòng điện chạy qua. Các electron trong vật chất có thể tương đối tự do hoặc liên kết mạnh. Vật dẫn điện tốt có các êlectron tự do có thể chuyển động xung quanh. Nhưng trong chất dẫn điện kém hoặc chất cách điện, hầu hết các hạt này liên kết đủ mạnh với các nguyên tử, điều này ngăn cản chuyển động của chúng.
Đôi khi chuyển động của các electron theo một hướng nhất định được tạo ra một cách tự nhiên hoặc nhân tạo trong chất dẫn điện. Dòng chảy này được gọi là dòng điện. Nó được đo bằng ampe (A). Các ion (trong chất khí hoặc dung dịch) và "lỗ trống" (thiếu electron trong một số loại chất bán dẫn) cũng có thể đóng vai trò là hạt tải điện. Hạt sau hoạt động giống như hạt tải điện mang điện dương. Cần một số lực để làm cho các electron chuyển động theo một hướng hoặc khác. Trong tự nhiên, các nguồn của nó có thể là: tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, hiệu ứng từ trường và phản ứng hóa học. Một số trong số chúng được sử dụng để tạo ra điện. Cả hai thiết bị đều tạo ra sức điện động (EMF) làm cho các electron chuyển động theo một hướng trong mạch. Giá trị EMF được đo bằng vôn (V).
Độ lớn của EMF và cường độ của dòng điện có mối liên hệ với nhau, giống như áp suất và dòng chảy trong chất lỏng. Đường ống nước luôn chứa đầy nước ở một áp suất nhất định, nhưng nước chỉ bắt đầu chảy khi vòi được bật.
Tương tự, một mạch điện có thể được kết nối với nguồn EMF, nhưng dòng điện sẽ không chạy trong nó cho đến khi tạo ra một đường cho các electron chuyển động. Có thể là, chẳng hạn như đèn điện hoặc máy hút bụi, công tắc ở đây đóng vai trò như một cái vòi "giải phóng" dòng điện.
Mối quan hệ giữa hiện tại vàđiện áp
Khi hiệu điện thế trong mạch tăng lên thì cường độ dòng điện cũng tăng theo. Nghiên cứu một khóa học vật lý, chúng ta biết rằng mạch điện bao gồm một số phần khác nhau: thường là công tắc, dây dẫn và thiết bị tiêu thụ điện. Tất cả chúng, được kết nối với nhau, tạo ra một điện trở đối với dòng điện, (giả sử nhiệt độ không đổi) đối với các thành phần này không thay đổi theo thời gian, nhưng khác nhau đối với mỗi thành phần. Do đó, nếu cùng một hiệu điện thế được đặt vào bóng đèn và vào bàn là, thì dòng electron trong mỗi thiết bị sẽ khác nhau, vì điện trở của chúng khác nhau. Do đó, cường độ của dòng điện chạy qua một đoạn mạch nhất định không chỉ được xác định bởi hiệu điện thế, mà còn bởi điện trở của dây dẫn và thiết bị.
Định luật Ohm
Giá trị của điện trở được đo bằng ohm (Ohm) trong một ngành khoa học như vật lý. Điện (công thức, định nghĩa, thí nghiệm) là một chủ đề rộng lớn. Chúng tôi sẽ không suy ra các công thức phức tạp. Đối với người lần đầu tiên làm quen với chủ đề, những gì đã nói ở trên là đủ. Tuy nhiên, một công thức vẫn đáng để suy ra. Cô ấy khá đơn giản. Đối với bất kỳ dây dẫn hoặc hệ thống dây dẫn và thiết bị nào, mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện và điện trở được cho bởi công thức: điện áp=dòng điện x điện trở. Đây là biểu thức toán học của định luật Ohm, được đặt theo tên của George Ohm (1787-1854), người đầu tiên thiết lập mối quan hệ giữa ba tham số này.
Vật lý điện là một ngành rất thú vị của khoa học. Chúng tôi đã chỉ xem xét các khái niệm cơ bản liên quan đến nó. Bạn có biết khôngĐiện là gì và nó được tạo ra như thế nào? Chúng tôi hy vọng bạn thấy thông tin này hữu ích.
