מהי התנועה המכוונת של חלקיקים טעונים? עבור רבים זה תחום לא מובן, אבל למעשה הכל מאוד פשוט. לכן, כשהם מדברים על תנועה מכוונת של חלקיקים טעונים, הם מתכוונים לזרם. הבה נבחן את המאפיינים והניסוחים העיקריים שלו, כמו גם נשקול בעיות אבטחה בעת העבודה איתו.
מידע כללי
התחל עם הגדרה. בזרם חשמלי הכוונה תמיד לתנועה מסודרת (מכוונת) של חלקיקים טעונים, המתבצעת בהשפעת שדה חשמלי. איזה סוג של חפצים ניתן לשקול במקרה זה? חלקיקים פירושם אלקטרונים, יונים, פרוטונים, חורים. חשוב גם לדעת מה החוזק הנוכחי. זהו מספר החלקיקים הטעונים שזורמים בחתך הרוחב של המוליך ליחידת זמן.
טבע התופעה
כל החומרים הפיזיקליים מורכבים ממולקולות שנוצרות מאטומים. הם גם לא החומר הסופי, כי יש להם יסודות (גרעין ואלקטרונים שמסתובבים סביבו). כל התגובות הכימיות מלוות בתנועה של חלקיקים. לדוגמה, בהשתתפות אלקטרונים, חלק מהאטומים יחוו את המחסור שלהם, בעוד שאחרים יחוו עודף. במקרה זה, לחומרים יש מטענים הפוכים. אם המגע שלהם מתרחש, אז האלקטרונים מאחד נוטים לעבור לשני.
טבע פיזי כזה של חלקיקים יסודיים מסביר את מהות הזרם החשמלי. תנועה כיוונית זו של חלקיקים טעונים תימשך עד שהערכים ישתוו. במקרה זה, התגובה של שינויים היא שרשרת. במילים אחרות, במקום האלקטרון שהלך, בא אחד אחר במקומו. חלקיקים של האטום השכן משמשים להחלפה. אבל גם שם השרשרת לא מסתיימת. אלקטרון יכול להגיע גם לאטום הקיצוני, למשל, מהקוטב השלילי של מקור הזרם הזורם.
דוגמה למצב כזה היא סוללה. מהצד השלילי של המוליך, האלקטרונים עוברים לקוטב החיובי של המקור. כאשר כל החלקיקים ברכיב הנגוע שלילי נגמרים, הזרם מפסיק. במקרה זה, אומרים שהסוללה מתה. מהי מהירות התנועה המכוונת של חלקיקים טעונים הנעים בדרך זו? לענות על שאלה זו אינו קל כפי שהוא עשוי להיראות במבט ראשון.
תפקיד הלחץ
למה המושג הזה משמש? מתח הוא מאפיין של שדה חשמלי, שהוא הפרש הפוטנציאלים בין שתי נקודות שנמצאות בתוכו. לרבים זה עשוי להיראות מבלבל. כשמדובר בתנועה מכוונת (מסודרת) של חלקיקים טעונים, אז אתה צריך להבין את המתח.
בוא נדמיין שיש לנו מנצח פשוט. זה עשוי להיות חוט עשוי מתכת, כגון נחושת או אלומיניום. במקרה שלנו, זה לא כל כך חשוב. המסה של אלקטרון היא 9.10938215(45)×10-31kg. זה אומר שזה די חומרי. אבל מתכת המוליך מוצקה. איך, אם כן, אלקטרונים יכולים לזרום דרכו?
למה יכול להיות קיים במוצרי מתכת
בואו נפנה ליסודות הכימיה, שלכל אחד מאיתנו הייתה הזדמנות ללמוד בבית הספר. אם מספר האלקטרונים בחומר שווה למספר הפרוטונים, אזי הנייטרליות של היסוד מובטחת. בהתבסס על החוק התקופתי של מנדלייב, נקבע באיזה חומר יש לטפל. זה תלוי במספר הפרוטונים והנייטרונים. אי אפשר להתעלם מההבדל הגדול בין המסות של הגרעין לאלקטרונים. אם הם יוסרו, משקל האטום יישאר כמעט ללא שינוי.
לדוגמה, המסה של פרוטון גדולה בערך ב-1836 מערכו של אלקטרון. אבל החלקיקים המיקרוסקופיים האלה חשובים מאוד, מכיוון שהם יכולים בקלות לעזוב אטומים מסוימים ולהצטרף לאחרים. יחד עם זאת, ירידה או עלייה במספרם מובילה ללשנות את המטען של האטום. אם ניקח בחשבון אטום בודד, אז מספר האלקטרונים שלו תמיד יהיה משתנה. הם כל הזמן עוזבים וחוזרים. זה נובע מתנועה תרמית ואובדן אנרגיה.
ספציפיות כימית של תופעה פיזיקלית
כאשר יש תנועה מכוונת של חלקיקים טעונים חשמלית, האם המסה האטומית לא אובדת? האם הרכב המנצח משתנה? זוהי תפיסה שגויה חשובה מאוד שמבלבלת רבים. התשובה במקרה זה היא שלילית בלבד. הסיבה לכך היא שהיסודות הכימיים נקבעים לא לפי המסה האטומית שלהם, אלא לפי מספר הפרוטונים שנמצאים בגרעין. נוכחות או היעדר אלקטרונים/נייטרונים אינם ממלאים תפקיד במקרה זה. בפועל, זה נראה כך:
- הוסף או חיסור אלקטרונים. מסתבר יון.
- הוסף או חיסור נויטרונים. מסתבר שהוא איזוטופ.
היסוד הכימי אינו משתנה. אבל עם פרוטונים, המצב שונה. אם זה רק אחד, אז יש לנו מימן. שני פרוטונים - ואנחנו מדברים על הליום. שלושת החלקיקים הם ליתיום. וכו. מי שמעוניין בהמשך יכול להסתכל בטבלה המחזורית. זכרו: למרות שזרם עובר דרך מוליך אלף פעמים, ההרכב הכימי שלו לא ישתנה. אבל אולי אחרת.
אלקטרוליטים ונקודות מעניינות אחרות
המוזרות של האלקטרוליטים היא שההרכב הכימי שלהם משתנה. ואז, בהשפעת הנוכחי,אלמנטים אלקטרוליטים. כאשר הפוטנציאל שלהם מוצה, התנועה המכוונת של חלקיקים טעונים תיפסק. מצב זה נובע מכך שנשאי מטען באלקטרוליטים הם יונים.
בנוסף, ישנם יסודות כימיים ללא אלקטרונים כלל. דוגמה תהיה:
- מימן קוסמי אטומי.
- כל החומרים שנמצאים במצב של פלזמה.
- גזים באטמוספרה העליונה (לא רק כדור הארץ, אלא גם כוכבי לכת אחרים שבהם יש מסות אוויר).
- תוכן של מאיצים ומתנגשים.
יש לציין גם שבהשפעת זרם חשמלי, כמה כימיקלים יכולים ממש להתפורר. דוגמה ידועה היא פיוז. איך זה נראה ברמת המיקרו? האלקטרונים הנעים דוחפים את האטומים בדרכם. אם הזרם חזק מאוד, אז סריג הקריסטל של המוליך אינו יכול לעמוד והוא נהרס, והחומר נמס.
חזרה למהירות
קודם לכן, נקודה זו נגעה באופן שטחי. עכשיו בואו נסתכל על זה מקרוב. יש לציין שהמושג של מהירות התנועה המכוונת של חלקיקים טעונים בצורת זרם חשמלי אינו קיים. זה נובע מהעובדה שערכים שונים שזורים זה בזה. אז, שדה חשמלי מתפשט דרך מוליך במהירות הקרובה לתנועת האור, כלומר כ-300,000 קילומטרים לשנייה.
תחת השפעתו, כל האלקטרונים מתחילים לנוע. אבל המהירות שלהםקטן מאוד. זה בערך 0.007 מילימטרים לשנייה. במקביל, הם גם ממהרים באקראי בתנועה תרמית. במקרה של פרוטונים וניוטרונים המצב שונה. הם גדולים מדי בשביל שאותם אירועים יקרו להם. ככלל, אין צורך לדבר על מהירותם קרובה לערך האור.
פרמטרים פיזיים
עכשיו בואו נסתכל מהי התנועה של חלקיקים טעונים בשדה חשמלי מנקודת מבט פיזיקלית. לשם כך, בואו נדמיין שיש לנו קופסת קרטון שמכילה 12 בקבוקי משקה מוגז. במקביל יש ניסיון להציב שם מכולה נוספת. בוא נניח שזה הצליח. אבל הקופסה שרדה בקושי. כשאתה מנסה להכניס בקבוק נוסף, הוא נשבר, וכל המיכלים נושרים החוצה.
ניתן להשוות את התיבה המדוברת לחתך רוחב של מוליך. ככל שהפרמטר הזה גבוה יותר (חוט עבה יותר), כך הוא יכול לספק יותר זרם. זה קובע איזה נפח יכולה להיות לתנועה המכוונת של חלקיקים טעונים. במקרה שלנו, קופסה המכילה בין אחד לשנים עשר בקבוקים יכולה בקלות למלא את ייעודה (היא לא תתפוצץ). באנלוגיה, אנו יכולים לומר שהמוליך לא יישרף.
אם תחרוג מהערך המצוין, האובייקט ייכשל. במקרה של מוליך, התנגדות תבוא לידי ביטוי. חוק אוהם מתאר היטב את התנועה המכוונת של חלקיקים טעונים חשמלית.
קשר בין פרמטרים פיזיים שונים
לקופסהמהדוגמה שלנו, אתה יכול לשים עוד אחד. במקרה זה, לא 12, אלא ניתן להניח עד 24 בקבוקים ליחידת שטח. אנחנו מוסיפים עוד אחד - ויש שלושים ושש כאלה. אחת מהקופסאות יכולה להיחשב כיחידה פיזית, בדומה למתח.
ככל שהוא רחב יותר (ובכך מפחית את ההתנגדות), ניתן להניח יותר בקבוקים (שבדוגמה שלנו מחליפים את הזרם). על ידי הגדלת ערימת הקופסאות, ניתן למקם מכולות נוספות ליחידת שטח. במקרה זה, הכוח עולה. זה לא הורס את התיבה (מוליך). הנה תקציר של האנלוגיה הזו:
- המספר הכולל של בקבוקים מגדיל את הכוח.
- מספר המיכלים בקופסה מציין את החוזק הנוכחי.
- מספר הקופסאות בגובה מאפשר לשפוט את המתח.
- רוחב הקופסה נותן מושג לגבי ההתנגדות.
סכנות אפשריות
כבר דנו בכך שהתנועה המכוונת של חלקיקים טעונים נקראת זרם. יש לציין כי תופעה זו עלולה להיות מסוכנת לבריאות האדם ואף לחיים. הנה סיכום של תכונות הזרם החשמלי:
- מספק חימום של המוליך שדרכו הוא זורם. אם רשת החשמל הביתית עמוסה יתר על המידה, הבידוד ייחרך בהדרגה ויתפורר. כתוצאה מכך, קיימת אפשרות לקצר חשמלי, וזה מסוכן מאוד.
- זרם חשמלי, כשהוא זורם דרך מכשירי חשמל וחוטים ביתיים, פוגשעמידות של אלמנטים היוצרים חומרים. לכן, הוא בוחר את הנתיב בעל הערך המינימלי עבור פרמטר זה.
- אם מתרחש קצר חשמלי, עוצמת הזרם עולה בחדות. זה משחרר כמות משמעותית של חום. זה יכול להמיס מתכת.
- עלול להתרחש קצר חשמלי עקב חדירת לחות. במקרים שנדונו קודם לכן, חפצים קרובים נדלקים, אבל במקרה זה אנשים תמיד סובלים.
- הלם חשמלי טומן בחובו סכנה משמעותית. סביר להניח שזה אפילו קטלני. כאשר זרם חשמלי זורם בגוף האדם, ההתנגדות של הרקמות מופחתת מאוד. הם מתחילים להתחמם. במקרה זה, תאים נהרסים וקצות העצבים מתים.
בעיות אבטחה
כדי להימנע מחשיפה לזרם חשמלי, עליך להשתמש בציוד מגן מיוחד. העבודה צריכה להתבצע בכפפות גומי באמצעות מחצלת מאותו חומר, מוטות פריקה, וכן התקני הארקה למקומות עבודה וציוד.
מתגי מעגלים עם הגנות שונות הוכחו כטובים כמכשיר שיכול להציל חיים של אדם.
כמו כן, אסור לשכוח את אמצעי הזהירות הבסיסיים בזמן העבודה. אם מתרחשת שריפה בה מעורבים ציוד חשמלי, ניתן להשתמש רק במטפי כיבוי פחמן דו חמצני ואבקה. האחרונים מציגים את התוצאה הטובה ביותר במאבק באש, אבל לא תמיד ניתן לשחזר ציוד מכוסה באבק.
מסקנה
בעזרת דוגמאות המובנות לכל קורא, גילינו שהתנועה המכוונת של חלקיקים טעונים נקראת זרם חשמלי. זוהי תופעה מעניינת מאוד, חשובה מעמדות הפיזיקה והכימיה כאחד. זרם חשמלי הוא עוזר בלתי נלאה לאדם. עם זאת, יש לטפל בזה בזהירות. המאמר דן בנושאי אבטחה שצריך לשים אליהם לב אם אין רצון למות.
