Fizikia ya umeme ni jambo ambalo kila mmoja wetu anapaswa kukabiliana nalo. Katika makala tutazingatia dhana za kimsingi zinazohusiana nayo.
Umeme ni nini? Kwa mtu asiyejua, inahusishwa na flash ya umeme au kwa nishati ambayo hulisha TV na mashine ya kuosha. Anajua kwamba treni za umeme hutumia nishati ya umeme. Nini kingine anaweza kusema? Laini za umeme zinamkumbusha utegemezi wetu wa umeme. Mtu anaweza kutoa mifano mingine michache.
Hata hivyo, nyingine nyingi, zisizo dhahiri, lakini matukio ya kila siku yameunganishwa na umeme. Fizikia hututambulisha kwa wote. Tunaanza kusoma umeme (kazi, ufafanuzi na fomula) shuleni. Na tunajifunza mambo mengi ya kuvutia. Inabadilika kuwa mapigo ya moyo, mwanariadha anayekimbia, mtoto anayelala na samaki wa kuogelea vyote huzalisha nishati ya umeme.
Elektroni na protoni
Hebu tufafanue dhana za kimsingi. Kutoka kwa mtazamo wa mwanasayansi, fizikia ya umeme inahusishwa na harakati za elektroni na chembe nyingine za kushtakiwa katika vitu mbalimbali. Kwa hivyo, uelewa wa kisayansi wa asili ya jambo la kupendeza kwetu inategemea kiwango cha maarifa juu ya atomi na chembe zao za msingi. Elektroni ndogo ndio ufunguo wa ufahamu huu. Atomu za kitu chochote huwa na elektroni moja au zaidi zinazotembea katika obiti mbalimbali kuzunguka kiini, kama vile sayari zinavyozunguka jua. Kwa kawaida idadi ya elektroni katika atomi ni sawa na idadi ya protoni katika kiini. Walakini, protoni, zikiwa nzito zaidi kuliko elektroni, zinaweza kuzingatiwa kana kwamba zimewekwa katikati ya atomi. Muundo huu uliorahisishwa sana wa atomi unatosha kueleza misingi ya jambo kama vile fizikia ya umeme.
Ni nini kingine unahitaji kujua? Elektroni na protoni zina malipo sawa ya umeme (lakini ishara tofauti), hivyo huvutia kila mmoja. Chaji ya protoni ni chanya na ile ya elektroni ni hasi. Atomu ambayo ina elektroni zaidi au kidogo kuliko kawaida inaitwa ioni. Ikiwa hakuna kutosha kwao katika atomi, basi inaitwa ion chanya. Ikiwa ina ziada yao, basi inaitwa ioni hasi.
Elektroni inapoacha atomi, hupata chaji chanya. Elektroni, iliyonyimwa kinyume chake - protoni, inahamia kwenye atomi nyingine, au inarudi kwa ile ya awali.
Kwa nini elektroni huacha atomi?
Hii ni kutokana na sababu kadhaa. Ya jumla zaidi ni kwamba chini ya ushawishi wa mpigo wa mwanga au elektroni fulani ya nje, elektroni inayohamia kwenye atomi inaweza kutolewa nje ya obiti yake. Joto hufanya atomi kutetemeka haraka. Hii ina maana kwamba elektroni zinaweza kuruka nje ya atomi yao. Katika athari za kemikali, wao pia huhama kutoka atomi hadiatomu.
Mfano mzuri wa uhusiano kati ya shughuli za kemikali na umeme hutolewa na misuli yetu. Nyuzi zao hupungua wakati zinakabiliwa na ishara ya umeme kutoka kwa mfumo wa neva. Umeme wa sasa huchochea athari za kemikali. Wanaongoza kwa contraction ya misuli. Ishara za umeme za nje hutumiwa mara nyingi ili kuchochea shughuli za misuli kwa njia isiyo halali.
Utendaji
Katika baadhi ya vitu, elektroni chini ya utendakazi wa sehemu ya nje ya umeme husogea kwa uhuru zaidi kuliko nyingine. Dutu hizo zinasemekana kuwa na conductivity nzuri. Wanaitwa conductors. Hizi ni pamoja na metali nyingi, gesi zenye joto, na baadhi ya vimiminiko. Air, mpira, mafuta, polyethilini na kioo ni conductors maskini wa umeme. Wanaitwa dielectrics na hutumiwa kuhami waendeshaji mzuri. Vihami bora (havina conductive kabisa) hazipo. Chini ya hali fulani, elektroni zinaweza kuondolewa kutoka kwa atomi yoyote. Hata hivyo, masharti haya kwa kawaida huwa magumu sana kufikia hivi kwamba, kwa mtazamo wa vitendo, vitu kama hivyo vinaweza kuchukuliwa kuwa si vya kuendesha.
Kufahamiana na sayansi kama vile fizikia (sehemu ya "Umeme"), tunajifunza kuwa kuna kundi maalum la dutu. Hizi ni semiconductors. Wanatenda kwa sehemu kama dielectri na kwa sehemu kama makondakta. Hizi ni pamoja na, hasa: germanium, silicon, oksidi ya shaba. Kutokana na mali zake, semiconductor hupata maombi mengi. Kwa mfano, inaweza kutumika kama valve ya umeme: kama valve ya tairi ya baiskeliinaruhusu malipo kuhamia upande mmoja tu. Vifaa vile huitwa rectifiers. Zinatumika katika redio ndogo na vile vile mitambo mikubwa ya nishati kubadilisha AC hadi DC.
Joto ni aina ya mkanganyiko ya kusogea kwa molekuli au atomi, na halijoto ni kipimo cha ukubwa wa mwendo huu (katika metali nyingi, kwa kupungua kwa joto, mwendo wa elektroni huwa huru). Hii ina maana kwamba upinzani dhidi ya harakati ya bure ya elektroni hupungua kwa kupungua kwa joto. Kwa maneno mengine, upitishaji wa metali huongezeka.
Superconductivity
Katika vitu vingine kwa joto la chini sana, upinzani wa mtiririko wa elektroni hupotea kabisa, na elektroni, baada ya kuanza kusonga, endelea kwa muda usiojulikana. Jambo hili linaitwa superconductivity. Katika halijoto ya digrii chache zaidi ya sifuri kabisa (-273 °C), huonekana katika metali kama vile bati, risasi, alumini na niobium.
Jenereta za Van de Graaff
Mtaala wa shule unajumuisha majaribio mbalimbali ya umeme. Kuna aina nyingi za jenereta, moja ambayo tungependa kuzungumza juu kwa undani zaidi. Jenereta ya Van de Graaff hutumiwa kuzalisha voltages za juu zaidi. Ikiwa kitu kilicho na ziada ya ions chanya kinawekwa ndani ya chombo, basi elektroni itaonekana kwenye uso wa ndani wa mwisho, na idadi sawa ya ions chanya itaonekana kwenye uso wa nje. Ikiwa sasa tunagusa uso wa ndani na kitu cha kushtakiwa, basi elektroni zote za bure zitapita kwake. Kwa njegharama chanya zitasalia.
Katika jenereta ya Van de Graaff, ayoni chanya kutoka kwa chanzo huwekwa kwenye mkanda wa kupitisha ndani ya duara ya chuma. Tape imeunganishwa na uso wa ndani wa nyanja kwa msaada wa kondakta kwa namna ya kuchana. Elektroni hutiririka chini kutoka kwa uso wa ndani wa tufe. Ioni chanya huonekana kwenye upande wake wa nje. Athari inaweza kuimarishwa kwa kutumia jenereta mbili.
Mkondo wa umeme
Kozi ya fizikia ya shule pia inajumuisha vitu kama vile mkondo wa umeme. Ni nini? Umeme wa sasa ni kutokana na harakati za malipo ya umeme. Wakati taa ya umeme iliyounganishwa na betri imewashwa, mkondo wa umeme hutiririka kupitia waya kutoka nguzo moja ya betri hadi kwenye taa, kisha kupitia nywele zake, na kuifanya kuwaka, na kurudi kupitia waya wa pili hadi kwenye nguzo nyingine ya betri.. Ikiwa swichi imegeuka, mzunguko utafunguliwa - mtiririko wa sasa utaacha na taa itazimika.
Mwendo wa elektroni
Sasa katika hali nyingi ni mwendo uliopangwa wa elektroni katika chuma ambacho hutumika kama kondakta. Katika kondakta wote na baadhi ya dutu nyingine daima kuna baadhi ya harakati random kinachoendelea, hata kama hakuna mtiririko wa sasa. Elektroni katika maada inaweza kuwa huru kiasi au kufungwa kwa nguvu. Waendeshaji wazuri wana elektroni za bure ambazo zinaweza kuzunguka. Lakini katika kondakta duni, au vihami, nyingi ya chembe hizi huunganishwa kwa nguvu ya kutosha na atomi, ambayo huzuia harakati zao.
Wakati mwingine kusogea kwa elektroni kuelekea upande fulani huundwa kwa njia ya kawaida au bandia katika kondakta. Mtiririko huu unaitwa mkondo wa umeme. Inapimwa kwa amperes (A). Ioni (katika gesi au miyeyusho) na "mashimo" (ukosefu wa elektroni katika baadhi ya aina za halvledare) pia zinaweza kutumika kama vibebaji vya sasa. Hizi za mwisho hufanya kama vibeba umeme vilivyo na chaji chanya. Nguvu fulani inahitajika ili kufanya elektroni ziende upande mmoja au nyingine. Kwa asili vyanzo vyake vinaweza kuwa: kufichuliwa na mwanga wa jua, athari za sumaku na athari za kemikali. Baadhi yao hutumika kuzalisha umeme. Kawaida kwa madhumuni haya ni: jenereta inayotumia athari za sumaku, na seli (betri) ambayo kitendo chake kinatakiwa. kwa athari za kemikali. Vifaa vyote viwili, kuunda nguvu ya kielektroniki (EMF), husababisha elektroni kusogea upande mmoja kupitia saketi. Thamani ya EMF hupimwa kwa volti (V). Hizi ni vitengo vya msingi vya umeme.
Ukubwa wa EMF na nguvu ya mkondo zimeunganishwa, kama shinikizo na mtiririko katika kioevu. Mabomba ya maji daima hujazwa na maji kwa shinikizo fulani, lakini maji huanza kutiririka tu bomba linapowashwa.
Vile vile, saketi ya umeme inaweza kuunganishwa kwenye chanzo cha EMF, lakini mkondo wa umeme hautapita ndani yake hadi njia iundwe ili elektroni zisonge mbele. Inaweza kuwa, tuseme, taa ya umeme au kisafisha utupu, swichi hapa ina jukumu la bomba ambalo "hutoa" mkondo wa sasa.
Uhusiano kati ya sasa navoltage
Kadiri volteji inavyoongezeka katika saketi, ndivyo ya sasa inavyoongezeka. Kusoma kozi ya fizikia, tunajifunza kwamba nyaya za umeme zinajumuisha sehemu kadhaa tofauti: kwa kawaida swichi, kondakta na kifaa kinachotumia umeme. Wote, wameunganishwa pamoja, huunda upinzani kwa sasa ya umeme, ambayo (kuchukua joto la mara kwa mara) kwa vipengele hivi haibadilika kwa wakati, lakini ni tofauti kwa kila mmoja wao. Kwa hiyo, ikiwa voltage sawa inatumiwa kwa balbu ya mwanga na kwa chuma, basi mtiririko wa elektroni katika kila kifaa utakuwa tofauti, kwani upinzani wao ni tofauti. Kwa hiyo, nguvu ya sasa inapita kupitia sehemu fulani ya mzunguko imedhamiriwa si tu kwa voltage, lakini pia kwa upinzani wa waendeshaji na vifaa.
Sheria ya Ohm
Thamani ya upinzani wa umeme hupimwa kwa ohm (Ohm) katika sayansi kama vile fizikia. Umeme (formula, ufafanuzi, majaribio) ni mada kubwa. Hatutapata fomula ngumu. Kwa kufahamiana kwa kwanza na mada, kile kilichosemwa hapo juu kinatosha. Walakini, formula moja bado inafaa kutolewa. Yeye ni uncomplicated kabisa. Kwa conductor yoyote au mfumo wa conductors na vifaa, uhusiano kati ya voltage, sasa na upinzani hutolewa kwa formula: voltage=sasa x upinzani. Huu ni usemi wa kihisabati wa sheria ya Ohm, iliyopewa jina la George Ohm (1787-1854), ambaye kwanza alianzisha uhusiano kati ya vigezo hivi vitatu.
Fizikia ya umeme ni tawi la sayansi linalovutia sana. Tumezingatia tu dhana za kimsingi zinazohusiana nayo. UlijuaJe, umeme ni nini na unazalishwaje? Tunatumai utapata taarifa hii kuwa muhimu.
