A física da eletricidade é algo com que cada um de nós tem que lidar. No artigo, consideraremos os conceitos básicos associados a ele.
O que é eletricidade? Para uma pessoa não iniciada, está associada a um relâmpago ou à energia que alimenta a TV e a máquina de lavar. Ele sabe que os trens elétricos usam energia elétrica. O que mais ele pode dizer? As linhas de energia o lembram de nossa dependência da eletricidade. Alguém pode dar alguns outros exemplos.
No entanto, muitos outros, não tão óbvios, mas fenômenos cotidianos estão ligados à eletricidade. A física nos apresenta a todos eles. Começamos a estudar eletricidade (tarefas, definições e fórmulas) na escola. E aprendemos muitas coisas interessantes. Acontece que um coração batendo, um atleta correndo, um bebê dormindo e um peixe nadando geram energia elétrica.
Elétrons e prótons
Vamos definir os conceitos básicos. Do ponto de vista de um cientista, a física da eletricidade está associada ao movimento de elétrons e outras partículas carregadas em várias substâncias. Portanto, a compreensão científica da natureza do fenômeno que nos interessa depende do nível de conhecimento sobre os átomos e suas partículas subatômicas constituintes. O minúsculo elétron é a chave para essa compreensão. Os átomos de qualquer substância contêm um ou mais elétrons que se movem em várias órbitas ao redor do núcleo, assim como os planetas giram em torno do sol. Normalmente, o número de elétrons em um átomo é igual ao número de prótons no núcleo. No entanto, os prótons, sendo muito mais pesados que os elétrons, podem ser considerados como se estivessem fixos no centro do átomo. Este modelo extremamente simplificado do átomo é suficiente para explicar o básico de um fenômeno como a física da eletricidade.
O que mais você precisa saber? Elétrons e prótons têm a mesma carga elétrica (mas sinal diferente), então eles são atraídos um pelo outro. A carga de um próton é positiva e a de um elétron é negativa. Um átomo que tem mais ou menos elétrons do que o normal é chamado de íon. Se não houver o suficiente deles em um átomo, ele é chamado de íon positivo. Se ele contém um excesso deles, então é chamado de íon negativo.
Quando um elétron deixa um átomo, ele adquire alguma carga positiva. Um elétron, privado de seu oposto - um próton, ou se move para outro átomo ou retorna ao anterior.
Por que os elétrons deixam átomos?
Isso se deve a vários motivos. A mais geral é que, sob a influência de um pulso de luz ou de algum elétron externo, um elétron movendo-se em um átomo pode ser expulso de sua órbita. O calor faz os átomos vibrarem mais rápido. Isso significa que os elétrons podem voar para fora de seu átomo. Nas reações químicas, eles também se movem do átomo para oátomo.
Um bom exemplo da relação entre atividade química e elétrica é fornecido por nossos músculos. Suas fibras se contraem quando expostas a um sinal elétrico do sistema nervoso. A corrente elétrica estimula reações químicas. Eles levam à contração muscular. Sinais elétricos externos são frequentemente usados para estimular artificialmente a atividade muscular.
Condutividade
Em algumas substâncias, os elétrons sob a ação de um campo elétrico externo se movem mais livremente do que em outras. Diz-se que tais substâncias têm boa condutividade. São chamados de condutores. Estes incluem a maioria dos metais, gases aquecidos e alguns líquidos. Ar, borracha, óleo, polietileno e vidro são maus condutores de eletricidade. Eles são chamados de dielétricos e são usados para isolar bons condutores. Isoladores ideais (absolutamente não condutores) não existem. Sob certas condições, os elétrons podem ser removidos de qualquer átomo. No entanto, essas condições geralmente são tão difíceis de atender que, do ponto de vista prático, tais substâncias podem ser consideradas não condutoras.
Conhecendo uma ciência como a física (seção "Eletricidade"), aprendemos que existe um grupo especial de substâncias. Estes são semicondutores. Eles se comportam em parte como dielétricos e em parte como condutores. Estes incluem, em particular: germânio, silício, óxido de cobre. Devido às suas propriedades, o semicondutor encontra muitas aplicações. Por exemplo, pode servir como uma válvula elétrica: como uma válvula de pneu de bicicleta, elapermite que as cargas se movam em apenas uma direção. Tais dispositivos são chamados de retificadores. Eles são usados em rádios em miniatura, bem como em grandes usinas de energia para converter CA em CC.
O calor é uma forma caótica de movimento de moléculas ou átomos, e a temperatura é uma medida da intensidade desse movimento (na maioria dos metais, com a diminuição da temperatura, o movimento dos elétrons se torna mais livre). Isso significa que a resistência ao movimento livre dos elétrons diminui com a diminuição da temperatura. Em outras palavras, a condutividade dos metais aumenta.
Supercondutividade
Em algumas substâncias a temperaturas muito baixas, a resistência ao fluxo de elétrons desaparece completamente, e os elétrons, tendo começado a se mover, continuam indefinidamente. Esse fenômeno é chamado de supercondutividade. Em temperaturas alguns graus acima do zero absoluto (-273 °C), é observado em metais como estanho, chumbo, alumínio e nióbio.
Geradores Van de Graaff
O currículo escolar inclui vários experimentos com eletricidade. Existem muitos tipos de geradores, um dos quais gostaríamos de falar com mais detalhes. O gerador Van de Graaff é usado para produzir tensões ultra- altas. Se um objeto contendo um excesso de íons positivos for colocado dentro de um recipiente, os elétrons aparecerão na superfície interna do último e o mesmo número de íons positivos aparecerá na superfície externa. Se agora tocarmos a superfície interna com um objeto carregado, todos os elétrons livres passarão para ele. No lado de foracargas positivas permanecerão.
Em um gerador Van de Graaff, íons positivos de uma fonte são aplicados a uma correia transportadora dentro de uma esfera de metal. A fita é conectada à superfície interna da esfera com a ajuda de um condutor na forma de um pente. Os elétrons fluem para baixo da superfície interna da esfera. Os íons positivos aparecem em seu lado externo. O efeito pode ser aprimorado usando dois geradores.
Corrente elétrica
O curso de física da escola também inclui algo como corrente elétrica. O que é isso? A corrente elétrica é devido ao movimento de cargas elétricas. Quando uma lâmpada elétrica conectada a uma bateria é ligada, a corrente flui através de um fio de um pólo da bateria para a lâmpada, depois através de seu cabelo, fazendo com que ele brilhe, e de volta através do segundo fio para o outro pólo da bateria. Se o interruptor for acionado, o circuito será aberto - o fluxo de corrente será interrompido e a lâmpada se apagará.
Movimento de elétrons
A corrente na maioria dos casos é um movimento ordenado de elétrons em um metal que serve como condutor. Em todos os condutores e algumas outras substâncias há sempre algum movimento aleatório acontecendo, mesmo que não haja corrente fluindo. Os elétrons na matéria podem ser relativamente livres ou fortemente ligados. Bons condutores têm elétrons livres que podem se mover. Mas em maus condutores, ou isolantes, a maioria dessas partículas está fortemente conectada com átomos, o que impede seu movimento.
Às vezes o movimento dos elétrons em uma determinada direção é criado natural ou artificialmente em um condutor. Esse fluxo é chamado de corrente elétrica. É medido em amperes (A). Íons (em gases ou soluções) e “buracos” (f alta de elétrons em alguns tipos de semicondutores) também podem servir como portadores de corrente. Estes últimos se comportam como portadores de corrente elétrica carregados positivamente. Na natureza suas fontes podem ser: exposição à luz solar, efeitos magnéticos e reações químicas. Algumas delas são utilizadas para gerar eletricidade. a reações químicas. Ambos os dispositivos, criando uma força eletromotriz (CEM), fazem com que os elétrons se movam em uma direção através do circuito. O valor de FEM é medido em volts (V). Estas são as unidades básicas de eletricidade.
A magnitude do EMF e a força da corrente estão interconectadas, como pressão e fluxo em um líquido. Os canos de água estão sempre cheios de água a uma certa pressão, mas a água só começa a fluir quando a torneira é aberta.
Da mesma forma, um circuito elétrico pode ser conectado a uma fonte de EMF, mas a corrente não fluirá nele até que um caminho seja criado para os elétrons se moverem. Pode ser, digamos, uma lâmpada elétrica ou um aspirador de pó, o interruptor aqui faz o papel de uma torneira que “libera” a corrente.
A relação entre corrente etensão
À medida que a tensão no circuito aumenta, a corrente também aumenta. Estudando um curso de física, aprendemos que os circuitos elétricos consistem em várias seções diferentes: geralmente um interruptor, condutores e um dispositivo que consome eletricidade. Todos eles, conectados entre si, criam uma resistência à corrente elétrica, que (assumindo uma temperatura constante) para esses componentes não muda com o tempo, mas é diferente para cada um deles. Portanto, se a mesma voltagem for aplicada a uma lâmpada e a um ferro, o fluxo de elétrons em cada um dos dispositivos será diferente, pois suas resistências são diferentes. Portanto, a força da corrente que flui através de uma determinada seção do circuito é determinada não apenas pela tensão, mas também pela resistência dos condutores e dispositivos.
Lei de Ohm
O valor da resistência elétrica é medido em ohms (Ohm) em uma ciência como a física. A eletricidade (fórmulas, definições, experimentos) é um tema vasto. Não vamos derivar fórmulas complexas. Para o primeiro contato com o tema, o que foi dito acima é suficiente. No entanto, uma fórmula ainda vale a pena derivar. Ela é bem descomplicada. Para qualquer condutor ou sistema de condutores e dispositivos, a relação entre tensão, corrente e resistência é dada pela fórmula: tensão=corrente x resistência. Esta é a expressão matemática da lei de Ohm, em homenagem a George Ohm (1787-1854), que primeiro estabeleceu a relação entre esses três parâmetros.
A física da eletricidade é um ramo muito interessante da ciência. Consideramos apenas os conceitos básicos associados a ele. Você sabiaO que é eletricidade e como ela é gerada? Esperamos que essas informações sejam úteis.
