ელექტროენერგიის ფიზიკა არის ის, რასაც თითოეულ ჩვენგანს უნდა გავუმკლავდეთ. სტატიაში განვიხილავთ მასთან დაკავშირებულ ძირითად ცნებებს.
რა არის ელექტროენერგია? გაუთვითცნობიერებელი ადამიანისთვის ეს დაკავშირებულია ელვისებურ ელვასთან ან იმ ენერგიასთან, რომელიც კვებავს ტელევიზორს და სარეცხი მანქანას. მან იცის, რომ ელექტრომატარებლები ელექტროენერგიას იყენებენ. კიდევ რისი თქმა შეუძლია მას? ელექტროგადამცემი ხაზები მას ახსენებს ჩვენს დამოკიდებულებას ელექტროენერგიაზე. ვინმეს შეუძლია რამდენიმე სხვა მაგალითის მოყვანა.
თუმცა, ბევრი სხვა, არც თუ ისე აშკარა, მაგრამ ყოველდღიური ფენომენი უკავშირდება ელექტროენერგიას. ფიზიკა გვაცნობს ყველა მათგანს. ჩვენ ვიწყებთ ელექტროენერგიის შესწავლას (დავალებები, განმარტებები და ფორმულები) სკოლაში. და ჩვენ ვსწავლობთ ბევრ საინტერესო რამეს. თურმე გული სცემს, მორბენალი სპორტსმენი, მძინარე ბავშვი და მოცურავე თევზი, ყველა წარმოქმნის ელექტრო ენერგიას.
ელექტრონები და პროტონები
მოდით განვსაზღვროთ ძირითადი ცნებები. მეცნიერის თვალსაზრისით, ელექტროენერგიის ფიზიკა დაკავშირებულია ელექტრონებისა და სხვა დამუხტული ნაწილაკების მოძრაობასთან სხვადასხვა ნივთიერებებში. ამიტომ, ჩვენთვის საინტერესო ფენომენის ბუნების მეცნიერული გაგება დამოკიდებულია ატომებისა და მათი შემადგენელი სუბატომური ნაწილაკების შესახებ ცოდნის დონეზე.პატარა ელექტრონი არის ამ გაგების გასაღები. ნებისმიერი ნივთიერების ატომები შეიცავს ერთ ან მეტ ელექტრონს, რომლებიც მოძრაობენ სხვადასხვა ორბიტაზე ბირთვის გარშემო, ისევე როგორც პლანეტები ბრუნავენ მზის გარშემო. ჩვეულებრივ, ატომში ელექტრონების რაოდენობა უდრის ბირთვში არსებული პროტონების რაოდენობას. ამასთან, პროტონები, რომლებიც ბევრად უფრო მძიმეა, ვიდრე ელექტრონები, შეიძლება ჩაითვალოს, როგორც ატომის ცენტრში დაფიქსირებული. ატომის ეს უკიდურესად გამარტივებული მოდელი საკმარისია ისეთი ფენომენის საფუძვლების ასახსნელად, როგორიცაა ელექტროენერგიის ფიზიკა.
კიდევ რა უნდა იცოდეთ? ელექტრონებსა და პროტონებს აქვთ იგივე ელექტრული მუხტი (მაგრამ განსხვავებული ნიშანი), ამიტომ ისინი იზიდავენ ერთმანეთს. პროტონის მუხტი დადებითია, ხოლო ელექტრონის მუხტი უარყოფითი. ატომს, რომელსაც ჩვეულებრივზე მეტი ან ნაკლები ელექტრონები აქვს, იონი ეწოდება. თუ ატომში არ არის საკმარისი რაოდენობა, მაშინ მას დადებითი იონი ეწოდება. თუ ის შეიცავს მათ ჭარბს, მაშინ მას უწოდებენ უარყოფით იონს.
როდესაც ელექტრონი ტოვებს ატომს, ის იძენს გარკვეულ დადებით მუხტს. ელექტრონი, რომელიც მოკლებულია თავის საპირისპიროს - პროტონს, ან გადადის სხვა ატომში, ან ბრუნდება წინა ატომში.
რატომ ტოვებენ ელექტრონები ატომებს?
ეს განპირობებულია რამდენიმე მიზეზით. ყველაზე ზოგადი ის არის, რომ სინათლის პულსის ან რაიმე გარე ელექტრონის გავლენის ქვეშ, ატომში მოძრავი ელექტრონი შეიძლება ამოვარდეს მისი ორბიტიდან. სითბო ატომებს უფრო სწრაფ ვიბრაციას აიძულებს. ეს ნიშნავს, რომ ელექტრონებს შეუძლიათ გაფრინდნენ თავიანთი ატომიდან. ქიმიურ რეაქციებში ისინი ასევე გადადიან ატომიდანატომი.
ქიმიურ და ელექტრულ აქტივობას შორის ურთიერთობის კარგი მაგალითი მოწოდებულია ჩვენი კუნთებით. მათი ბოჭკოები იკუმშება ნერვული სისტემის ელექტრული სიგნალის ზემოქმედებისას. ელექტრო დენი ასტიმულირებს ქიმიურ რეაქციებს. ისინი იწვევენ კუნთების შეკუმშვას. გარე ელექტრული სიგნალები ხშირად გამოიყენება კუნთების აქტივობის ხელოვნურად სტიმულირებისთვის.
გამტარობა
ზოგიერთ ნივთიერებაში ელექტრონები გარე ელექტრული ველის მოქმედებით უფრო თავისუფლად მოძრაობენ, ვიდრე სხვებში. ამბობენ, რომ ასეთ ნივთიერებებს კარგი გამტარობა აქვთ. მათ დირიჟორებს უწოდებენ. ეს მოიცავს მეტალებს, გაცხელებულ გაზებს და ზოგიერთ სითხეს. ჰაერი, რეზინი, ზეთი, პოლიეთილენი და მინა ელექტროენერგიის ცუდი გამტარებია. მათ დიელექტრიკულებს უწოდებენ და გამოიყენება კარგი გამტარების იზოლაციისთვის. იდეალური იზოლატორები (აბსოლუტურად არაგამტარი) არ არსებობს. გარკვეულ პირობებში ელექტრონების ამოღება შესაძლებელია ნებისმიერი ატომიდან. თუმცა, ამ პირობების დაკმაყოფილება, როგორც წესი, იმდენად რთულია, რომ პრაქტიკული თვალსაზრისით, ასეთი ნივთიერებები შეიძლება ჩაითვალოს არაგამტარებად.
გაცნობით ისეთ მეცნიერებას, როგორიც არის ფიზიკა (განყოფილება "ელექტროენერგია"), ვიგებთ, რომ არსებობს ნივთიერებების განსაკუთრებული ჯგუფი. ეს არის ნახევარგამტარები. ისინი ნაწილობრივ იქცევიან როგორც დიელექტრიკები და ნაწილობრივ როგორც გამტარები. ესენია, კერძოდ: გერმანიუმი, სილიციუმი, სპილენძის ოქსიდი. თავისი თვისებების გამო, ნახევარგამტარი პოულობს ბევრ გამოყენებას. მაგალითად, ის შეიძლება იყოს ელექტრო სარქველი: ველოსიპედის საბურავის სარქველივით, ისსაშუალებას აძლევს მუხტებს გადაადგილდეს მხოლოდ ერთი მიმართულებით. ასეთ მოწყობილობებს რექტიფიკატორებს უწოდებენ. ისინი გამოიყენება მინიატურულ რადიოებში, ისევე როგორც დიდ ელექტროსადგურებში AC-ად გადაქცევისთვის.
სითბო არის მოლეკულების ან ატომების მოძრაობის ქაოტური ფორმა და ტემპერატურა არის ამ მოძრაობის ინტენსივობის საზომი (მეტალების უმეტესობაში, ტემპერატურის კლებასთან ერთად, ელექტრონების მოძრაობა უფრო თავისუფალი ხდება). ეს ნიშნავს, რომ წინააღმდეგობა ელექტრონების თავისუფალ მოძრაობაზე მცირდება ტემპერატურის კლებასთან ერთად. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ლითონების გამტარობა იზრდება.
ზეგამტარობა
ზოგიერთ ნივთიერებაში ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე ელექტრონების ნაკადისადმი წინააღმდეგობა მთლიანად ქრება და ელექტრონები, რომლებმაც დაიწყეს მოძრაობა, აგრძელებენ მას განუსაზღვრელი ვადით. ამ ფენომენს სუპერგამტარობას უწოდებენ. აბსოლუტურ ნულზე რამდენიმე გრადუსით (-273 °C) ტემპერატურაზე ის შეინიშნება ლითონებში, როგორიცაა კალა, ტყვია, ალუმინი და ნიობიუმი.
Van de Graaff გენერატორები
სასკოლო სასწავლო გეგმა მოიცავს ელექტროენერგიის სხვადასხვა ექსპერიმენტებს. არსებობს გენერატორების მრავალი სახეობა, რომელთაგან ერთ-ერთზე გვინდა უფრო დეტალურად ვისაუბროთ. Van de Graaff-ის გენერატორი გამოიყენება ულტრა მაღალი ძაბვის წარმოებისთვის. თუ კონტეინერის შიგნით მოთავსებულია ობიექტი, რომელიც შეიცავს ჭარბი დადებითი იონების შემცველობას, მაშინ ამ უკანასკნელის შიდა ზედაპირზე გამოჩნდება ელექტრონები, ხოლო გარე ზედაპირზე - იგივე რაოდენობის დადებითი იონები. თუ ახლა შიდა ზედაპირს შევეხებით დამუხტული ობიექტით, მაშინ მასში ყველა თავისუფალი ელექტრონი გადავა. Გარეთდადებითი მუხტები დარჩება.
ვან დე გრაფის გენერატორში, წყაროდან მიღებული დადებითი იონები გამოიყენება ლითონის სფეროს შიგნით არსებულ კონვეიერზე. ლენტი სავარცხლის სახით გამტარის დახმარებით უკავშირდება სფეროს შიდა ზედაპირს. ელექტრონები მიედინება ქვევით სფეროს შიდა ზედაპირიდან. მის გარე მხარეს ჩნდება დადებითი იონები. ეფექტის გაძლიერება შესაძლებელია ორი გენერატორის გამოყენებით.
ელექტრული დენი
სასკოლო ფიზიკის კურსი ასევე მოიცავს ისეთ რამეს, როგორიცაა ელექტრო დენი. Რა არის ეს? ელექტრული დენი გამოწვეულია ელექტრული მუხტების მოძრაობით. როდესაც ბატარეასთან დაკავშირებული ელექტრო ნათურა ჩართულია, დენი მიედინება მავთულის მეშვეობით ბატარეის ერთი პოლუსიდან ნათურისკენ, შემდეგ თმაზე, რაც იწვევს მის ანათებს და უკან მეორე მავთულის გავლით ბატარეის მეორე პოლუსზე.. თუ ჩამრთველი ჩართულია, წრე გაიხსნება - დენის დინება შეჩერდება და ნათურა ჩაქრება.
ელექტრონების მოძრაობა
დენი უმეტეს შემთხვევაში არის ელექტრონების მოწესრიგებული მოძრაობა მეტალში, რომელიც გამტარის ფუნქციას ასრულებს. ყველა გამტარებელში და ზოგიერთ სხვა ნივთიერებაში ყოველთვის ხდება რაღაც შემთხვევითი მოძრაობა, მაშინაც კი, თუ დენი არ მიედინება. მატერიაში ელექტრონები შეიძლება იყოს შედარებით თავისუფალი ან ძლიერ შეკრული. კარგ გამტარებს აქვთ თავისუფალი ელექტრონები, რომლებსაც შეუძლიათ გადაადგილება. მაგრამ ცუდ გამტარებლებში ან იზოლატორებში ამ ნაწილაკების უმეტესობა საკმაოდ მტკიცედ არის დაკავშირებული ატომებთან, რაც ხელს უშლის მათ მოძრაობას.
ზოგჯერ ელექტრონების მოძრაობა გარკვეული მიმართულებით წარმოიქმნება ბუნებრივად ან ხელოვნურად გამტარში. ამ ნაკადს ელექტრული დენი ეწოდება. იგი იზომება ამპერებში (A). იონები (აირებში ან ხსნარებში) და „ხვრელები“(ელექტრონების ნაკლებობა ზოგიერთ ტიპის ნახევარგამტარებში) ასევე შეიძლება იყოს დენის მატარებლები. ეს უკანასკნელი იქცევა როგორც დადებითად დამუხტული ელექტრული დენის მატარებლები. საჭიროა გარკვეული ძალა ელექტრონების გადაადგილებისთვის ერთი მიმართულებით ან ბუნებაში მისი წყაროები შეიძლება იყოს: მზის სხივების ზემოქმედება, მაგნიტური ეფექტები და ქიმიური რეაქციები. ზოგიერთი მათგანი გამოიყენება ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის. ჩვეულებრივ ამ მიზნით არის: გენერატორი, რომელიც იყენებს მაგნიტურ ეფექტებს და უჯრედი (ბატარეა), რომლის მოქმედება განპირობებულია. ქიმიურ რეაქციებზე.ორივე მოწყობილობა, რომელიც ქმნის ელექტრომამოძრავებელ ძალას (EMF), იწვევს ელექტრონების მოძრაობას ერთი მიმართულებით წრედში. EMF მნიშვნელობა იზომება ვოლტებში (V). ეს არის ელექტროენერგიის ძირითადი ერთეულები.
EMF-ის სიდიდე და დენის სიძლიერე ერთმანეთთან არის დაკავშირებული, როგორც წნევა და დინება სითხეში. წყლის მილები ყოველთვის ივსება წყლით გარკვეული წნევით, მაგრამ წყალი იწყებს დინებას მხოლოდ მაშინ, როცა ონკანი ჩართულია.
ანალოგიურად, ელექტრული წრე შეიძლება დაუკავშირდეს EMF-ის წყაროს, მაგრამ დენი არ შემოვა მასში, სანამ არ შეიქმნება ბილიკი ელექტრონების გადაადგილებისთვის. ეს შეიძლება იყოს, ვთქვათ, ელექტრო ნათურა ან მტვერსასრუტი, გადამრთველი აქ ასრულებს ონკანის როლს, რომელიც „ათავისუფლებს“დენს.
ურთიერთობა მიმდინარე დაძაბვა
როგორც წრეში ძაბვა იზრდება, ასევე იზრდება დენი. ფიზიკის კურსის შესწავლისას ჩვენ ვიგებთ, რომ ელექტრული სქემები შედგება რამდენიმე განსხვავებული განყოფილებისგან: ჩვეულებრივ გადამრთველი, გამტარები და მოწყობილობა, რომელიც მოიხმარს ელექტროენერგიას. ყველა მათგანი, ერთმანეთთან დაკავშირებული, ქმნის წინააღმდეგობას ელექტრული დენის მიმართ, რომელიც (მუდმივი ტემპერატურის გათვალისწინებით) ამ კომპონენტებისთვის არ იცვლება დროთა განმავლობაში, მაგრამ განსხვავებულია თითოეული მათგანისთვის. ამიტომ, თუ ერთი და იგივე ძაბვა გამოიყენება ნათურაზე და რკინაზე, მაშინ ელექტრონების ნაკადი თითოეულ მოწყობილობაში განსხვავებული იქნება, რადგან მათი წინააღმდეგობები განსხვავებულია. მაშასადამე, წრედის გარკვეულ მონაკვეთზე გამავალი დენის სიძლიერე განისაზღვრება არა მხოლოდ ძაბვით, არამედ გამტარების და მოწყობილობების წინააღმდეგობით.
ოჰმის კანონი
ელექტრული წინააღმდეგობის მნიშვნელობა იზომება ომებში (Ohm) ისეთ მეცნიერებაში, როგორიცაა ფიზიკა. ელექტროენერგია (ფორმულები, განმარტებები, ექსპერიმენტები) ფართო თემაა. ჩვენ არ გამოვიყვანთ რთულ ფორმულებს. თემის პირველი გაცნობისთვის საკმარისია რაც ზემოთ ითქვა. თუმცა, ერთი ფორმულა მაინც ღირს. ის საკმაოდ გაურთულებელია. ნებისმიერი გამტარებისთვის ან გამტარებისა და მოწყობილობების სისტემისთვის, კავშირი ძაბვას, დენსა და წინააღმდეგობას შორის მოცემულია ფორმულით: ძაბვა=დენი x წინააღმდეგობა. ეს არის ოჰმის კანონის მათემატიკური გამოხატულება, რომელსაც ეწოდა ჯორჯ ომის (1787-1854) სახელი, რომელმაც პირველად დაადგინა კავშირი ამ სამ პარამეტრს შორის.
ელექტროენერგიის ფიზიკა მეცნიერების ძალიან საინტერესო დარგია. ჩვენ განვიხილეთ მხოლოდ მასთან დაკავშირებული ძირითადი ცნებები. Იცოდირა არის ელექტროენერგია და როგორ წარმოიქმნება იგი? ვიმედოვნებთ, რომ ეს ინფორმაცია თქვენთვის სასარგებლო იქნება.
