Mis on laetud osakeste suunatud liikumine? Paljude jaoks on see arusaamatu valdkond, kuid tegelikult on kõik väga lihtne. Seega, kui nad räägivad laetud osakeste suunatud liikumisest, peavad nad silmas voolu. Vaatleme selle peamisi omadusi ja sõnastusi ning kaalume sellega töötamisel turvaprobleeme.
Üldteave
Alustage määratlusega. Elektrivoolu all mõeldakse alati laetud osakeste järjestatud (suunatud) liikumist, mis toimub elektrivälja mõjul. Milliseid objekte saab sel juhul arvesse võtta? Osakesed tähendavad elektrone, ioone, prootoneid, auke. Samuti on oluline teada, milline on praegune tugevus. See on laetud osakeste arv, mis voolavad läbi juhi ristlõike ajaühikus.
Nähtuse olemus
Kõik füüsikalised ained koosnevad molekulidest, mis moodustuvad aatomitest. Need ei ole ka lõplik materjal, sest neis on elemente (tuum ja selle ümber tiirlevad elektronid). Kõikide keemiliste reaktsioonidega kaasneb osakeste liikumine. Näiteks elektronide osalusel kogevad mõned aatomid nende puudust, teised aga ülejääki. Sel juhul on ainetel vastupidised laengud. Kui nende kontakt toimub, kipuvad elektronid ühest teisest minema.
Selline elementaarosakeste füüsikaline olemus selgitab elektrivoolu olemust. See laetud osakeste suunaline liikumine jätkub, kuni väärtused võrdsustuvad. Sel juhul on muutuste reaktsioon ahel. Teisisõnu, lahkunud elektroni asemel tuleb asemele teine. Asendamiseks kasutatakse naaberaatomi osakesi. Kuid ahel ei lõpe ka sellega. Äärmuslikule aatomile võib elektron tulla ka näiteks voolava voolu allika negatiivselt pooluselt.
Sellise olukorra näiteks on aku. Juhi negatiivselt küljelt liiguvad elektronid allika positiivsele poolusele. Kui kõik osakesed negatiivselt nakatunud komponendis otsa saavad, peatub vool. Sel juhul öeldakse, et aku on tühi. Kui suur on sel viisil liikuvate laetud osakeste suunatud liikumise kiirus? Sellele küsimusele vastamine pole nii lihtne, kui esmapilgul võib tunduda.
Stressi roll
Milleks seda mõistet kasutatakse? Pinge on elektrivälja omadus, mis on selle sees oleva kahe punkti potentsiaalide erinevus. Paljudele võib see tunduda segane. Kui rääkida laetud osakeste suunatud (järjestatud) liikumisest, siis peate mõistma pinget.
Kujutame ette, et meil on lihtne dirigent. See võib olla metallist, näiteks vasest või alumiiniumist valmistatud traat. Meie puhul pole see nii oluline. Elektroni mass on 9,10938215(45)×10-31kg. See tähendab, et see on üsna materiaalne. Kuid juhtmetall on tahke. Kuidas saavad elektronid sellest läbi voolata?
Miks võib metalltoodetes olla voolu?
Pöördume keemia põhitõdede juurde, mida igaühel meist oli võimalus koolis õppida. Kui elektronide arv aines on võrdne prootonite arvuga, siis on tagatud elemendi neutraalsus. Mendelejevi perioodilise seaduse alusel määratakse kindlaks, millise ainega tuleb tegeleda. See sõltub prootonite ja neutronite arvust. Tuuma ja elektronide masside suurt erinevust on võimatu ignoreerida. Kui need eemaldada, jääb aatomi kaal praktiliselt muutumatuks.
Näiteks prootoni mass on ligikaudu 1836 võrra suurem kui elektroni väärtus. Kuid need mikroskoopilised osakesed on väga olulised, sest nad võivad kergesti lahkuda mõnest aatomist ja ühineda teistega. Samal ajal põhjustab nende arvu vähenemine või suurenemineaatomi laengu muutmiseks. Kui arvestada ühte aatomit, on selle elektronide arv alati muutuv. Nad lähevad pidev alt ära ja tulevad tagasi. Selle põhjuseks on termiline liikumine ja energiakadu.
Füüsikalise nähtuse keemiline spetsiifilisus
Kas elektriliselt laetud osakeste suunatud liikumise korral aatommass ei kao? Kas dirigendi koosseis muutub? See on väga oluline eksiarvamus, mis ajab paljud segadusse. Sellisel juhul on vastus ainult eitav. See on tingitud asjaolust, et keemilised elemendid ei ole määratud nende aatommassi, vaid tuumas olevate prootonite arvu järgi. Elektronide/neutronite olemasolu või puudumine ei mängi antud juhul rolli. Praktikas näeb see välja järgmine:
- Elektronide lisamine või lahutamine. Selgub, et ioon.
- Neutronite liitmine või lahutamine. Selgub, et see on isotoop.
Keemiline element ei muutu. Kuid prootonitega on olukord erinev. Kui see on ainult üks, siis on meil vesinik. Kaks prootonit - ja me räägime heeliumist. Kolm osakest on liitium. Jne. Kes on huvitatud jätkamisest, võib vaadata perioodilisustabelit. Pidage meeles: kuigi voolu juhitakse tuhat korda läbi, ei muutu selle keemiline koostis. Aga võib-olla teisiti.
Elektrolüüdid ja muud huvitavad punktid
Elektrolüütide eripära on see, et muutub nende keemiline koostis. Siis voolu mõjulelektrolüütide elemendid. Kui nende potentsiaal ammendub, peatub laetud osakeste suunatud liikumine. Selline olukord on tingitud asjaolust, et elektrolüütide laengukandjad on ioonid.
Lisaks on keemilisi elemente üldse ilma elektronideta. Näide oleks järgmine:
- Aatomiline kosmiline vesinik.
- Kõik ained, mis on plasma olekus.
- Gaasid atmosfääri ülakihtides (mitte ainult Maa, vaid ka teised planeedid, kus on õhumassi).
- Kiirendite ja põrkeseadmete sisu.
Samuti tuleb märkida, et elektrivoolu mõjul võivad mõned kemikaalid sõna otseses mõttes mureneda. Tuntud näide on kaitsme. Kuidas see mikrotasandil välja näeb? Liikuvad elektronid suruvad aatomeid oma teele. Kui vool on väga tugev, ei pea juhi kristallvõre vastu ja hävib ning aine sulab.
Tagasi kiiruse juurde
Varem puudutati seda punkti pealiskaudselt. Nüüd vaatame seda lähem alt. Tuleb märkida, et elektrivoolu kujul laetud osakeste suunatud liikumise kiiruse mõistet ei eksisteeri. See on tingitud asjaolust, et erinevad väärtused on põimunud. Seega levib elektriväli läbi juhi kiirusega, mis on lähedane valguse liikumisele, st umbes 300 000 kilomeetrit sekundis.
Selle mõjul hakkavad kõik elektronid liikuma. Aga nende kiirusväga väike. See on ligikaudu 0,007 millimeetrit sekundis. Samal ajal tormavad nad juhuslikult soojusliikumises ringi. Prootonite ja neutronite puhul on olukord teine. Nad on liiga suured, et nendega juhtuksid samad sündmused. Reeglina ei pea nende kiirusest valguse väärtusele lähedasest rääkima.
Füüsilised parameetrid
Nüüd vaatame, milline on laetud osakeste liikumine elektriväljas füüsikalisest vaatenurgast. Selleks kujutame ette, et meil on pappkast, kuhu mahub 12 pudelit gaseeritud jooki. Samal ajal üritatakse sinna paigutada veel üks konteiner. Oletame, et see õnnestus. Kuid kast jäi napilt ellu. Kui proovite teist pudelit sisse panna, läheb see katki ja kõik anumad kukuvad välja.
Kõnealust kasti võib võrrelda juhtme ristlõikega. Mida kõrgem on see parameeter (jämedam traat), seda rohkem voolu suudab see pakkuda. See määrab, milline maht võib olla laetud osakeste suunatud liikumisel. Meie puhul võib ühest kuni kaheteistkümnest pudelist koosnev karp hõlpsasti oma eesmärki täita (ei purune). Analoogia põhjal võime öelda, et juht ei põle.
Kui ületate näidatud väärtuse, siis objekt ebaõnnestub. Dirigendi puhul tuleb mängu vastupanu. Ohmi seadus kirjeldab väga hästi elektriliselt laetud osakeste suunatud liikumist.
Erinevate füüsiliste parameetrite vaheline seos
Kasti kohtameie näitest võite lisada veel ühe. Sel juhul saab pinnaühiku kohta panna mitte 12, vaid koguni 24 pudelit. Lisame veel ühe - ja neid on kolmkümmend kuus. Ühte kasti võib pidada füüsiliseks ühikuks, mis on analoogne pingega.
Mida laiem see on (vähendab seega takistust), seda rohkem pudeleid (mis meie näites asendavad voolu) saab panna. Kastide virna suurendamisega saate paigutada täiendavaid konteinereid pinnaühiku kohta. Sel juhul võimsus suureneb. See ei hävita kasti (juhti). Siin on selle analoogia kokkuvõte:
- Pudelite koguarv suurendab võimsust.
- Kastis olevate konteinerite arv näitab hetketugevust.
- Kastide arv kõrguses võimaldab hinnata pinget.
- Kasti laius annab aimu takistusest.
Võimalikud ohud
Oleme juba arutanud, et laetud osakeste suunatud liikumist nimetatakse vooluks. Tuleb märkida, et see nähtus võib olla ohtlik inimeste tervisele ja isegi elule. Siin on kokkuvõte elektrivoolu omadustest:
- Kuumutab juhi, mille kaudu see voolab. Kui majapidamise elektrivõrk on ülekoormatud, hakkab isolatsioon järk-järgult söestuma ja murenema. Selle tulemusena on võimalik lühis, mis on väga ohtlik.
- Elektrivool, kui see voolab läbi kodumasinate ja juhtmete, kohtubelementide moodustavate materjalide vastupidavus. Seetõttu valib see tee, millel on selle parameetri minimaalne väärtus.
- Lühise korral suureneb voolutugevus järsult. See vabastab märkimisväärse koguse soojust. See võib metalli sulatada.
- Niiskuse sissepääsu tõttu võib tekkida lühis. Varem käsitletud juhtudel süttivad läheduses asuvad objektid, kuid sel juhul kannatavad inimesed alati.
- Elektrišokk kujutab endast märkimisväärset ohtu. Tõenäoliselt on see isegi surmav. Kui inimkeha läbib elektrivool, väheneb kudede takistus oluliselt. Nad hakkavad kuumenema. Sel juhul rakud hävivad ja närvilõpmed surevad.
Turvaprobleemid
Elektrivooluga kokkupuutumise vältimiseks peate kasutama spetsiaalseid kaitsevahendeid. Tööd tuleks teha kummikinnastes, kasutades samast materjalist matti, väljalaskevardaid ning töökohtade ja seadmete maandusseadmeid.
Erineva kaitsega vooluahela lülitid on osutunud heaks seadmeks, mis võib päästa inimese elu.
Samuti ei tohiks töötamisel unustada elementaarseid ettevaatusabinõusid. Elektriseadmete tulekahju korral võib kasutada ainult süsihappegaas- ja pulberkustuteid. Viimased näitavad tulevastases võitluses parimat tulemust, kuid tolmuga kaetud varustust ei saa alati taastada.
Järeldus
Kasutades igale lugejale arusaadavaid näiteid, saime teada, et laetud osakeste järjestatud suunatud liikumist nimetatakse elektrivooluks. See on väga huvitav nähtus, oluline nii füüsika kui keemia seisukohast. Elektrivool on inimese väsimatu abiline. Sellega tuleb aga ettevaatlikult ümber käia. Artiklis käsitletakse turvaprobleeme, millele tuleks tähelepanu pöörata, kui pole soovi surra.
