La física de l'electricitat és una cosa amb la qual cadascú de nos altres ha de fer front. A l'article tindrem en compte els conceptes bàsics associats.
Què és l'electricitat? Per a una persona no iniciada, s'associa amb un llamp o amb l'energia que alimenta el televisor i la rentadora. Sap que els trens elèctrics utilitzen energia elèctrica. Què més pot dir? Les línies elèctriques li recorden la nostra dependència de l'electricitat. Algú pot donar alguns exemples més.
No obstant això, molts altres fenòmens, no tan evidents, però quotidians, estan connectats amb l'electricitat. La física ens presenta a tots ells. Comencem a estudiar electricitat (tasques, definicions i fórmules) a l'escola. I aprenem moltes coses interessants. Resulta que un cor que batega, un atleta que corre, un nadó adormit i un peix nedant generen energia elèctrica.
Electrons i protons
Definim els conceptes bàsics. Des del punt de vista d'un científic, la física de l'electricitat s'associa amb el moviment d'electrons i altres partícules carregades en diverses substàncies. Per tant, la comprensió científica de la naturalesa del fenomen que ens interessa depèn del nivell de coneixement sobre els àtoms i les partícules subatòmiques que els constitueixen. El petit electró és la clau d'aquesta comprensió. Els àtoms de qualsevol substància contenen un o més electrons que es mouen en diverses òrbites al voltant del nucli, igual que els planetes giren al voltant del sol. Normalment, el nombre d'electrons d'un àtom és igual al nombre de protons del nucli. Tanmateix, els protons, sent molt més pesats que els electrons, es poden considerar com si estiguessin fixats al centre de l'àtom. Aquest model extremadament simplificat de l'àtom és suficient per explicar els fonaments d'un fenomen com la física de l'electricitat.
Què més necessites saber? Els electrons i els protons tenen la mateixa càrrega elèctrica (però signe diferent), de manera que s'atreuen els uns als altres. La càrrega d'un protó és positiva i la d'un electró és negativa. Un àtom que té més o menys electrons dels habituals s'anomena ió. Si no n'hi ha prou en un àtom, s'anomena ió positiu. Si en conté un excés, s'anomena ió negatiu.
Quan un electró surt d'un àtom, adquireix una mica de càrrega positiva. Un electró, privat del seu contrari, un protó, es mou a un altre àtom o torna a l'anterior.
Per què els electrons deixen àtoms?
Això es deu a diversos motius. El més general és que sota la influència d'un pols de llum o d'algun electró extern, un electró que es mou en un àtom pot ser expulsat de la seva òrbita. La calor fa que els àtoms vibrin més ràpidament. Això vol dir que els electrons poden sortir volant del seu àtom. En les reaccions químiques, també es mouen d'àtom aatom.
Un bon exemple de la relació entre l'activitat química i elèctrica el proporcionen els nostres músculs. Les seves fibres es contrauen quan s'exposen a un senyal elèctric del sistema nerviós. El corrent elèctric estimula les reaccions químiques. Provoquen la contracció muscular. Sovint s'utilitzen senyals elèctrics externs per estimular artificialment l'activitat muscular.
Conductivitat
En algunes substàncies, els electrons sota l'acció d'un camp elèctric extern es mouen més lliurement que en altres. Es diu que aquestes substàncies tenen una bona conductivitat. S'anomenen conductors. Aquests inclouen la majoria de metalls, gasos escalfats i alguns líquids. L'aire, el cautxú, l'oli, el polietilè i el vidre són mals conductors de l'electricitat. S'anomenen dielèctrics i s'utilitzen per aïllar bons conductors. Els aïllants ideals (absolutament no conductors) no existeixen. En determinades condicions, els electrons es poden eliminar de qualsevol àtom. Tanmateix, aquestes condicions solen ser tan difícils de complir que, des d'un punt de vista pràctic, aquestes substàncies es poden considerar no conductores.
En familiaritzar-nos amb una ciència com la física (secció "Electricitat"), aprenem que hi ha un grup especial de substàncies. Aquests són semiconductors. Es comporten en part com a dielèctrics i en part com a conductors. Aquests inclouen, en particular: germani, silici, òxid de coure. A causa de les seves propietats, el semiconductor troba moltes aplicacions. Per exemple, pot servir com a vàlvula elèctrica: com una vàlvula de pneumàtic de bicicleta, aixòpermet que les càrregues es moguin només en una direcció. Aquests dispositius s'anomenen rectificadors. S'utilitzen en ràdios en miniatura, així com en grans centrals elèctriques per convertir CA en CC.
La calor és una forma caòtica de moviment de molècules o àtoms, i la temperatura és una mesura de la intensitat d'aquest moviment (en la majoria dels metalls, amb la disminució de la temperatura, el moviment dels electrons es fa més lliure). Això vol dir que la resistència al lliure moviment dels electrons disminueix amb la disminució de la temperatura. En altres paraules, la conductivitat dels metalls augmenta.
Superconductivitat
En algunes substàncies a temperatures molt baixes, la resistència al flux d'electrons desapareix completament, i els electrons, havent començat a moure's, la continuen indefinidament. Aquest fenomen s'anomena superconductivitat. A temperatures uns quants graus per sobre del zero absolut (-273 °C), s'observa en metalls com l'estany, el plom, l'alumini i el niobi.
Generos Van de Graaff
El currículum escolar inclou diversos experiments amb electricitat. Hi ha molts tipus de generadors, un dels quals ens agradaria parlar amb més detall. El generador Van de Graaff s'utilitza per produir tensions ultra altes. Si un objecte que conté un excés d'ions positius es col·loca dins d'un recipient, llavors apareixeran electrons a la superfície interior d'aquest, i apareixeran el mateix nombre d'ions positius a la superfície exterior. Si ara toquem la superfície interior amb un objecte carregat, tots els electrons lliures hi passaran. A l'exteriorles càrregues positives es mantindran.
En un generador Van de Graaff, els ions positius d'una font s'apliquen a una cinta transportadora dins d'una esfera metàl·lica. La cinta es connecta a la superfície interior de l'esfera amb l'ajuda d'un conductor en forma de pinta. Els electrons flueixen des de la superfície interna de l'esfera. Els ions positius apareixen al seu costat exterior. L'efecte es pot millorar utilitzant dos generadors.
Corrent elèctric
El curs de física de l'escola també inclou coses com ara el corrent elèctric. Què es? El corrent elèctric és degut al moviment de les càrregues elèctriques. Quan s'encén una làmpada elèctrica connectada a una bateria, el corrent flueix a través d'un cable des d'un pol de la bateria fins a la làmpada, després pel seu cabell, fent-lo brillar, i torna a través del segon cable fins a l' altre pol de la bateria.. Si es gira l'interruptor, el circuit s'obrirà; el flux de corrent s'aturarà i el llum s'apagarà.
Moviment d'electrons
El corrent en la majoria dels casos és un moviment ordenat d'electrons en un metall que serveix de conductor. En tots els conductors i en algunes altres substàncies sempre hi ha algun moviment aleatori, fins i tot si no hi ha corrent. Els electrons de la matèria poden estar relativament lliures o fortament lligats. Els bons conductors tenen electrons lliures que es poden moure. Però en mals conductors, o aïllants, la majoria d'aquestes partícules estan prou connectades amb els àtoms, cosa que impedeix el seu moviment.
De vegades, el moviment dels electrons en una determinada direcció es crea de manera natural o artificial en un conductor. Aquest flux s'anomena corrent elèctric. Es mesura en amperes (A). Els ions (en gasos o solucions) i els "forats" (manca d'electrons en alguns tipus de semiconductors) també poden servir com a portadors de corrent. Aquests últims es comporten com a portadors de corrent elèctric amb càrrega positiva. Es necessita una mica de força perquè els electrons es moguin en una direcció o A la natura les seves fonts poden ser: exposició a la llum solar, efectes magnètics i reaccions químiques. Algunes d'elles s'utilitzen per generar electricitat. Acostumen a ser per a aquesta finalitat: un generador que utilitza efectes magnètics, i una cèl·lula (bateria) l'acció de la qual es deu a reaccions químiques. Ambdós dispositius, que creen una força electromotriu (EMF), fan que els electrons es moguin en una direcció a través del circuit. El valor EMF es mesura en volts (V). Aquestes són les unitats bàsiques de l'electricitat.
La magnitud de l'EMF i la força del corrent estan interconnectades, com la pressió i el flux en un líquid. Les canonades d'aigua sempre s'omplen d'aigua a una pressió determinada, però l'aigua només comença a fluir quan s'obre l'aixeta.
De la mateixa manera, un circuit elèctric es pot connectar a una font d'EMF, però el corrent no hi fluirà fins que no es creï un camí perquè els electrons es moguin. Pot ser, per exemple, un llum elèctric o una aspiradora, l'interruptor aquí fa el paper d'una aixeta que "allibera" corrent.
La relació entre l'actual itensió
A mesura que augmenta la tensió al circuit, també ho fa el corrent. Estudiant un curs de física, aprenem que els circuits elèctrics consten de diverses seccions diferents: normalment un interruptor, conductors i un dispositiu que consumeix electricitat. Tots ells, connectats entre ells, creen una resistència al corrent elèctric, que (suposant una temperatura constant) per a aquests components no canvia amb el temps, sinó que és diferent per a cadascun d'ells. Per tant, si s'aplica la mateixa tensió a una bombeta i a una planxa, el flux d'electrons en cadascun dels dispositius serà diferent, ja que les seves resistències són diferents. Per tant, la força del corrent que circula per una determinada secció del circuit està determinada no només per la tensió, sinó també per la resistència dels conductors i dispositius.
Llei d'Ohm
El valor de la resistència elèctrica es mesura en ohms (Ohm) en una ciència com la física. L'electricitat (fórmules, definicions, experiments) és un tema ampli. No derivarem fórmules complexes. Per al primer coneixement del tema, n'hi ha prou amb el que s'ha dit anteriorment. Tanmateix, encara val la pena derivar una fórmula. Ella és bastant senzilla. Per a qualsevol conductor o sistema de conductors i dispositius, la relació entre tensió, corrent i resistència ve donada per la fórmula: tensió=corrent x resistència. Aquesta és l'expressió matemàtica de la llei d'Ohm, que porta el nom de George Ohm (1787-1854), qui va establir per primer cop la relació entre aquests tres paràmetres.
La física de l'electricitat és una branca de la ciència molt interessant. Només hem considerat els conceptes bàsics associats a ell. Ho saviesQuè és l'electricitat i com es genera? Esperem que aquesta informació us sigui útil.
