Elektri füüsika on midagi, millega meist igaüks peab tegelema. Artiklis käsitleme sellega seotud põhimõisteid.
Mis on elekter? Asjatundmatule inimesele seostub see välgusähvatusega või telerit ja pesumasinat toitva energiaga. Ta teab, et elektrirongid kasutavad elektrienergiat. Mida ta veel oskab öelda? Elektriliinid tuletavad talle meelde meie sõltuvust elektrist. Keegi võib tuua veel mõned näited.
Samas on elektriga seotud palju muid, mitte nii ilmselgeid, kuid igapäevaseid nähtusi. Füüsika tutvustab meile neid kõiki. Hakkame koolis õppima elektrit (ülesanded, definitsioonid ja valemid). Ja me õpime palju huvitavat. Selgub, et tuksuv süda, jooksev sportlane, magav beebi ja ujuv kala toodavad elektrienergiat.
Elektronid ja prootonid
Määratleme põhimõisted. Teadlase seisukoh alt seostub elektrifüüsika elektronide ja muude laetud osakeste liikumisega erinevates ainetes. Seetõttu sõltub teaduslik arusaam meid huvitava nähtuse olemusest teadmiste tasemest aatomite ja nende koostises olevate subatomaarsete osakeste kohta. Väike elektron on selle mõistmise võti. Mis tahes aine aatomid sisaldavad ühte või mitut elektroni, mis liiguvad erinevatel orbiitidel ümber tuuma, nii nagu planeedid tiirlevad ümber päikese. Tavaliselt on elektronide arv aatomis võrdne prootonite arvuga tuumas. Kuid prootoneid, mis on elektronidest palju raskemad, võib pidada aatomi keskpunktis fikseerituks. Sellest äärmiselt lihtsustatud aatomimudelist piisab sellise nähtuse nagu elektrifüüsika põhitõdede selgitamiseks.
Mida peate veel teadma? Elektronidel ja prootonitel on sama elektrilaeng (kuid erinevad märgid), mistõttu nad tõmbuvad üksteise poole. Prootoni laeng on positiivne ja elektroni laeng negatiivne. Aatomit, milles on tavapärasest rohkem või vähem elektrone, nimetatakse iooniks. Kui neid pole aatomis piisav alt, nimetatakse seda positiivseks iooniks. Kui see sisaldab neid liiga palju, nimetatakse seda negatiivseks iooniks.
Kui elektron aatomist lahkub, omandab see positiivse laengu. Oma vastandist – prootonist – ilma jäetud elektron kas liigub teise aatomi juurde või naaseb eelmise juurde.
Miks elektronid aatomitest lahkuvad?
See on tingitud mitmest põhjusest. Kõige üldisem on see, et valgusimpulsi või mõne välise elektroni mõjul võib aatomis liikuv elektron oma orbiidilt välja lüüa. Kuumus paneb aatomid kiiremini vibreerima. See tähendab, et elektronid võivad oma aatomist välja lennata. Keemilistes reaktsioonides liiguvad nad ka aatomist teiseaatom.
Hea näite keemilise ja elektrilise aktiivsuse vahelisest seosest pakuvad meie lihased. Nende kiud tõmbuvad kokku, kui nad puutuvad kokku närvisüsteemi elektrilise signaaliga. Elektrivool stimuleerib keemilisi reaktsioone. Need põhjustavad lihaste kokkutõmbumist. Väliseid elektrisignaale kasutatakse sageli lihaste aktiivsuse kunstlikuks stimuleerimiseks.
Juhtivus
Mõnes aines liiguvad elektronid välise elektrivälja mõjul vabam alt kui teistes. Sellistel ainetel on väidetav alt hea juhtivus. Neid nimetatakse dirigentideks. Nende hulka kuuluvad enamik metalle, kuumutatud gaase ja mõningaid vedelikke. Õhk, kumm, õli, polüetüleen ja klaas on halvad elektrijuhid. Neid nimetatakse dielektrikuteks ja neid kasutatakse heade juhtide isoleerimiseks. Ideaalseid isolaatoreid (absoluutselt mittejuhtivaid) pole olemas. Teatud tingimustel saab elektrone eemaldada mis tahes aatomist. Neid tingimusi on aga tavaliselt nii raske täita, et praktilisest seisukohast võib selliseid aineid pidada elektrit mittejuhtivateks.
Tutvudes sellise teadusega nagu füüsika (jaotis "Elekter"), saame teada, et on olemas spetsiaalne ainete rühm. Need on pooljuhid. Need käituvad osaliselt dielektrikutena ja osaliselt juhtidena. Nende hulka kuuluvad eelkõige: germaanium, räni, vaskoksiid. Oma omaduste tõttu leiab pooljuht palju rakendusi. Näiteks võib see toimida elektriklapina: nagu jalgrattarehvi ventiil, seevõimaldab laengutel liikuda ainult ühes suunas. Selliseid seadmeid nimetatakse alalditeks. Neid kasutatakse nii miniraadiodes kui ka suurtes elektrijaamades vahelduvvoolu alalisvooluks teisendamiseks.
Kuumus on molekulide või aatomite kaootiline liikumise vorm ja temperatuur on selle liikumise intensiivsuse mõõt (enamikus metallides muutub temperatuuri langedes elektronide liikumine vabamaks). See tähendab, et takistus elektronide vabale liikumisele väheneb temperatuuri langedes. Teisisõnu suureneb metallide juhtivus.
Ülijuhtivus
Mõnes aines kaob väga madalal temperatuuril vastupanu elektronide voolule täielikult ja elektronid, olles hakanud liikuma, jätkavad seda lõputult. Seda nähtust nimetatakse ülijuhtivuseks. Temperatuuridel, mis on paar kraadi üle absoluutse nulli (-273 °C), täheldatakse seda sellistes metallides nagu tina, plii, alumiinium ja nioobium.
Van de Graaffi generaatorid
Kooli õppekava sisaldab erinevaid katseid elektriga. Generaatorite tüüpe on palju, millest ühest tahaksime üksikasjalikum alt rääkida. Van de Graaffi generaatorit kasutatakse ülikõrgete pingete tootmiseks. Kui mahutisse asetada positiivseid ioone sisaldav ese, siis viimase sisepinnale tekivad elektronid ja välispinnale sama palju positiivseid ioone. Kui nüüd puudutada laetud objektiga sisepinda, siis kõik vabad elektronid lähevad sellele üle. Väljaspositiivsed laengud jäävad alles.
Van de Graaffi generaatoris kantakse allika positiivsed ioonid metallsfääri sees olevale konveierilindile. Lint on ühendatud sfääri sisepinnaga kammi kujul oleva juhi abil. Elektronid voolavad sfääri sisepinn alt alla. Selle välisküljele ilmuvad positiivsed ioonid. Efekti saab tugevdada kahe generaatori abil.
Elektrivool
Kooli füüsikakursus sisaldab ka sellist asja nagu elektrivool. Mis see on? Elektrivool on tingitud elektrilaengute liikumisest. Kui akuga ühendatud elektrilamp on sisse lülitatud, liigub vool läbi juhtme aku ühest poolusest lampi, seejärel läbi selle karvade, põhjustades selle helendamist, ja läbi teise juhtme tagasi aku teisele poolusele.. Kui lülitit keerata, siis ahel avaneb – vooluvool peatub ja lamp kustub.
Elektronide liikumine
Vooluvool on enamikul juhtudel elektronide korrapärane liikumine metallis, mis toimib juhina. Kõigis juhtides ja mõnes muus aines toimub alati mingi juhuslik liikumine, isegi kui voolu ei voola. Aine elektronid võivad olla suhteliselt vabad või tugev alt seotud. Headel juhtidel on vabad elektronid, mis võivad ringi liikuda. Kuid kehvades juhtides või isolaatorites on enamik neist osakestest piisav alt tugev alt seotud aatomitega, mis takistab nende liikumist.
Mõnikord on elektronide liikumine teatud suunas tekitatud juhis loomulikult või kunstlikult. Seda voolu nimetatakse elektrivooluks. Seda mõõdetakse amprites (A). Voolukandjatena võivad toimida ka ioonid (gaasides või lahustes) ja "augud" (elektronide puudumine teatud tüüpi pooljuhtides). Viimased käituvad nagu positiivselt laetud elektrivoolukandjad. Elektronide ühes suunas liikuma panemiseks on vaja teatud jõudu või teine. Looduses võivad selle allikad olla: kokkupuude päikesevalgusega, magnetmõjud ja keemilised reaktsioonid. Mõnda neist kasutatakse elektri tootmiseks. Tavaliselt on selleks: magnetefekte kasutav generaator ja element (aku), mille toime on tingitud keemilistele reaktsioonidele. Mõlemad seadmed, tekitades elektromotoorjõu (EMF), panevad elektronid vooluahelas ühes suunas liikuma. EMF väärtust mõõdetakse voltides (V). Need on elektri põhiühikud.
EMF-i suurus ja voolu tugevus on omavahel seotud, nagu rõhk ja vool vedelikus. Veetorud täidetakse alati teatud rõhuga veega, kuid vesi hakkab voolama alles siis, kui kraan lahti keeratakse.
Samamoodi saab elektriahela ühendada EMF-i allikaga, kuid vool ei liigu selles enne, kui on loodud tee elektronide liikumiseks. See võib olla näiteks elektrilamp või tolmuimeja, siinne lüliti mängib kraani rolli, mis "vabastab" voolu.
Suhe praeguse japinge
Kui pinge ahelas suureneb, suureneb ka vool. Füüsikakursust õppides saame teada, et elektriahelad koosnevad mitmest erinevast sektsioonist: tavaliselt lülitist, juhtmetest ja elektrit tarbivast seadmest. Kõik need omavahel ühendatuna tekitavad takistuse elektrivoolule, mis (konstantse temperatuuri eeldusel) nende komponentide puhul ajas ei muutu, vaid on igaühe puhul erinev. Seega, kui lambipirnile ja rauale rakendatakse sama pinget, on elektronide voog igas seadmes erinev, kuna nende takistused on erinevad. Seetõttu ei määra vooluahela teatud osa läbiva voolu tugevus mitte ainult pinge, vaid ka juhtide ja seadmete takistuse järgi.
Ohi seadus
Teaduses nagu füüsika mõõdetakse elektritakistuse väärtust oomides (Ohm). Elekter (valemid, definitsioonid, katsed) on lai teema. Me ei tuleta keerulisi valemeid. Esmaseks teemaga tutvumiseks piisab eelpool öeldust. Üks valem on siiski väärt tuletamist. Ta on üsna lihtne. Iga juhtme või juhtmete ja seadmete süsteemi puhul on pinge, voolu ja takistuse vaheline seos antud valemiga: pinge=vool x takistus. See on Ohmi seaduse matemaatiline väljend, mis sai nime George Ohmi (1787–1854) järgi, kes määras esmakordselt nende kolme parameetri vahelise seose.
Elektri füüsika on väga huvitav teadusharu. Oleme käsitlenud ainult sellega seotud põhimõisteid. Kas sa teadsidMis on elekter ja kuidas seda toodetakse? Loodame, et see teave on teile kasulik.
