La fisica dell'elettricità è qualcosa con cui ognuno di noi deve fare i conti. Nell'articolo considereremo i concetti di base ad esso associati.
Cos'è l'elettricità? Per chi non lo sapesse, è associato a un lampo o all'energia che alimenta la TV e la lavatrice. Sa che i treni elettrici utilizzano energia elettrica. Cos' altro può dire? Le linee elettriche gli ricordano la nostra dipendenza dall'elettricità. Qualcuno può fare qualche altro esempio.
Tuttavia, molti altri fenomeni, non così ovvi, ma quotidiani sono collegati all'elettricità. La fisica ci presenta tutti loro. Iniziamo a studiare l'elettricità (compiti, definizioni e formule) a scuola. E impariamo molte cose interessanti. Si scopre che un cuore che batte, un atleta che corre, un bambino che dorme e un pesce che nuota generano tutti energia elettrica.
Elettroni e protoni
Definiamo i concetti di base. Dal punto di vista di uno scienziato, la fisica dell'elettricità è associata al movimento di elettroni e altre particelle cariche in varie sostanze. Pertanto, la comprensione scientifica della natura del fenomeno che ci interessa dipende dal livello di conoscenza degli atomi e delle loro particelle subatomiche costituenti. Il minuscolo elettrone è la chiave per questa comprensione. Gli atomi di qualsiasi sostanza contengono uno o più elettroni che si muovono in varie orbite attorno al nucleo, proprio come i pianeti ruotano attorno al sole. Di solito il numero di elettroni in un atomo è uguale al numero di protoni nel nucleo. Tuttavia, i protoni, essendo molto più pesanti degli elettroni, possono essere considerati come se fossero fissati al centro dell'atomo. Questo modello estremamente semplificato dell'atomo è sufficiente per spiegare le basi di un fenomeno come la fisica dell'elettricità.
Cos' altro devi sapere? Elettroni e protoni hanno la stessa carica elettrica (ma di segno diverso), quindi sono attratti l'uno dall' altro. La carica di un protone è positiva e quella di un elettrone è negativa. Un atomo che ha più o meno elettroni del solito è chiamato ione. Se non ce ne sono abbastanza in un atomo, viene chiamato ione positivo. Se ne contiene un eccesso, viene chiamato ione negativo.
Quando un elettrone lascia un atomo, acquisisce una carica positiva. Un elettrone, privato del suo opposto - un protone, si sposta su un altro atomo o ritorna a quello precedente.
Perché gli elettroni lasciano gli atomi?
Ciò è dovuto a diversi motivi. Il più generale è che sotto l'influenza di un impulso di luce o di qualche elettrone esterno, un elettrone che si muove in un atomo può essere buttato fuori dalla sua orbita. Il calore fa vibrare gli atomi più velocemente. Ciò significa che gli elettroni possono volare fuori dal loro atomo. Nelle reazioni chimiche, si spostano anche dall'atomo aatomo.
Un buon esempio della relazione tra attività chimica ed elettrica è fornito dai nostri muscoli. Le loro fibre si contraggono se esposte a un segnale elettrico dal sistema nervoso. La corrente elettrica stimola le reazioni chimiche. Portano alla contrazione muscolare. I segnali elettrici esterni sono spesso usati per stimolare artificialmente l'attività muscolare.
Conduttività
In alcune sostanze, gli elettroni sotto l'azione di un campo elettrico esterno si muovono più liberamente che in altre. Si dice che tali sostanze abbiano una buona conduttività. Si chiamano conduttori. Questi includono la maggior parte dei metalli, gas riscaldati e alcuni liquidi. Aria, gomma, olio, polietilene e vetro sono cattivi conduttori di elettricità. Sono chiamati dielettrici e sono usati per isolare buoni conduttori. Non esistono isolanti ideali (assolutamente non conduttivi). In determinate condizioni, gli elettroni possono essere rimossi da qualsiasi atomo. Tuttavia, queste condizioni sono generalmente così difficili da soddisfare che, da un punto di vista pratico, tali sostanze possono essere considerate non conduttive.
Facendo conoscenza con una scienza come la fisica (sezione "Elettricità"), apprendiamo che esiste un gruppo speciale di sostanze. Questi sono semiconduttori. Si comportano in parte come dielettrici e in parte come conduttori. Questi includono, in particolare: germanio, silicio, ossido di rame. Grazie alle sue proprietà, il semiconduttore trova molte applicazioni. Ad esempio, può fungere da valvola elettrica: come una valvola per pneumatici di bicicletta, essoconsente alle cariche di muoversi in una sola direzione. Tali dispositivi sono chiamati raddrizzatori. Sono utilizzati nelle radio miniaturizzate e nelle grandi centrali elettriche per convertire AC in DC.
Il calore è una forma caotica di movimento di molecole o atomi e la temperatura è una misura dell'intensità di questo movimento (nella maggior parte dei metalli, al diminuire della temperatura, il movimento degli elettroni diventa più libero). Ciò significa che la resistenza al libero movimento degli elettroni diminuisce al diminuire della temperatura. In altre parole, la conduttività dei metalli aumenta.
Superconduttività
In alcune sostanze a temperature molto basse, la resistenza al flusso di elettroni scompare completamente, e gli elettroni, avendo iniziato a muoversi, la continuano indefinitamente. Questo fenomeno è chiamato superconduttività. A temperature di pochi gradi sopra lo zero assoluto (-273 °C), si osserva in metalli come stagno, piombo, alluminio e niobio.
Generatori Van de Graaff
Il curriculum scolastico include vari esperimenti con l'elettricità. Esistono molti tipi di generatori, di cui uno vorremmo parlare in modo più dettagliato. Il generatore Van de Graaff viene utilizzato per produrre altissime tensioni. Se un oggetto contenente un eccesso di ioni positivi viene posizionato all'interno di un contenitore, gli elettroni appariranno sulla superficie interna di quest'ultimo e lo stesso numero di ioni positivi apparirà sulla superficie esterna. Se ora tocchiamo la superficie interna con un oggetto carico, tutti gli elettroni liberi gli passeranno. All'esternole cariche positive rimarranno.
In un generatore Van de Graaff, gli ioni positivi provenienti da una sorgente vengono applicati a un nastro trasportatore all'interno di una sfera di metallo. Il nastro è collegato alla superficie interna della sfera con l'aiuto di un conduttore a forma di pettine. Gli elettroni defluiscono dalla superficie interna della sfera. Gli ioni positivi compaiono sul suo lato esterno. L'effetto può essere migliorato utilizzando due generatori.
Corrente elettrica
Il corso di fisica della scuola include anche qualcosa come la corrente elettrica. Che cos'è? La corrente elettrica è dovuta al movimento delle cariche elettriche. Quando una lampada elettrica collegata a una batteria viene accesa, la corrente scorre attraverso un filo da un polo della batteria alla lampada, quindi attraverso i suoi capelli, facendola brillare, e torna attraverso il secondo filo all' altro polo della batteria. Se si ruota l'interruttore, il circuito si apre - il flusso di corrente si interrompe e la lampada si spegne.
Movimento degli elettroni
La corrente nella maggior parte dei casi è un movimento ordinato di elettroni in un metallo che funge da conduttore. In tutti i conduttori e in alcune altre sostanze c'è sempre un movimento casuale in corso, anche se non c'è corrente che scorre. Gli elettroni nella materia possono essere relativamente liberi o fortemente legati. I buoni conduttori hanno elettroni liberi che possono muoversi. Ma nei cattivi conduttori, o isolanti, la maggior parte di queste particelle è sufficientemente connessa con gli atomi, il che ne impedisce il movimento.
A volte il movimento degli elettroni in una certa direzione viene creato naturalmente o artificialmente in un conduttore. Questo flusso è chiamato corrente elettrica. Si misura in ampere (A). Anche ioni (nei gas o soluzioni) e "buchi" (mancanza di elettroni in alcuni tipi di semiconduttori) possono fungere da portatori di corrente. Questi ultimi si comportano come portatori di corrente elettrica caricati positivamente. È necessaria una certa forza per far muovere gli elettroni in una direzione o un' altra In natura le sue sorgenti possono essere: esposizione alla luce solare, effetti magnetici e reazioni chimiche. Alcune di esse sono utilizzate per generare elettricità. Di solito per questo scopo sono: un generatore che utilizza effetti magnetici, e una cella (batteria) la cui azione è dovuta alle reazioni chimiche. Entrambi i dispositivi, creando una forza elettromotrice (EMF), fanno sì che gli elettroni si muovano in una direzione attraverso il circuito. Il valore EMF è misurato in volt (V). Queste sono le unità di base dell'elettricità.
L'intensità dell'EMF e la forza della corrente sono interconnesse, come la pressione e il flusso in un liquido. I tubi dell'acqua sono sempre pieni d'acqua a una certa pressione, ma l'acqua inizia a scorrere solo quando il rubinetto è aperto.
Allo stesso modo, un circuito elettrico può essere collegato a una sorgente di campi elettromagnetici, ma la corrente non scorrerà in esso finché non verrà creato un percorso per il movimento degli elettroni. Può essere, ad esempio, una lampada elettrica o un aspirapolvere, l'interruttore qui svolge il ruolo di un rubinetto che "rilascia" corrente.
La relazione tra corrente evoltaggio
All'aumentare della tensione nel circuito, aumenta anche la corrente. Studiando un corso di fisica, apprendiamo che i circuiti elettrici sono costituiti da diverse sezioni: solitamente un interruttore, conduttori e un dispositivo che consuma elettricità. Tutti loro, collegati tra loro, creano una resistenza alla corrente elettrica, che (assumendo una temperatura costante) per questi componenti non cambia nel tempo, ma è diversa per ciascuno di essi. Pertanto, se viene applicata la stessa tensione a una lampadina e a un ferro, il flusso di elettroni in ciascuno dei dispositivi sarà diverso, poiché le loro resistenze sono diverse. Pertanto, la forza della corrente che scorre attraverso una determinata sezione del circuito è determinata non solo dalla tensione, ma anche dalla resistenza di conduttori e dispositivi.
Legge di Ohm
Il valore della resistenza elettrica è misurato in ohm (Ohm) in una scienza come la fisica. L'elettricità (formule, definizioni, esperimenti) è un argomento vasto. Non deriveremo formule complesse. Per la prima conoscenza dell'argomento è sufficiente quanto detto sopra. Tuttavia, vale ancora la pena derivare una formula. Lei è abbastanza semplice. Per qualsiasi conduttore o sistema di conduttori e dispositivi, la relazione tra tensione, corrente e resistenza è data dalla formula: tensione=corrente x resistenza. Questa è l'espressione matematica della legge di Ohm, dal nome di George Ohm (1787-1854), che per primo stabilì la relazione tra questi tre parametri.
La fisica dell'elettricità è una branca della scienza molto interessante. Abbiamo considerato solo i concetti di base ad esso associati. Lo sapevateChe cos'è l'elettricità e come viene generata? Ci auguriamo che queste informazioni ti siano utili.
