Цахилгааны физик бол бидний хүн нэг бүрийн шийдвэрлэх ёстой зүйл юм. Нийтлэлд бид үүнтэй холбоотой үндсэн ойлголтуудыг авч үзэх болно.
Цахилгаан гэж юу вэ? Санаачлаагүй хүний хувьд энэ нь цахилгаан цахих эсвэл зурагт, угаалгын машиныг тэжээх энергитэй холбоотой байдаг. Тэр цахилгаан галт тэрэг цахилгаан эрчим хүч хэрэглэдэг гэдгийг мэддэг. Тэр өөр юу хэлж чадах вэ? Цахилгааны шугам нь түүнд бидний цахилгаанаас хамааралтай байдгийг сануулж байна. Хэн нэгэн өөр хэдэн жишээ хэлж болно.
Гэсэн хэдий ч бусад олон, тийм ч тод биш боловч өдөр тутмын үзэгдэл цахилгаантай холбоотой байдаг. Физик биднийг бүгдийг нь танилцуулдаг. Бид сургуульд цахилгаан эрчим хүчийг (даалгавар, тодорхойлолт, томъёо) судалж эхэлдэг. Мөн бид маш олон сонирхолтой зүйлийг сурдаг. Зогсож буй зүрх, гүйж буй тамирчин, унтаж буй хүүхэд, усанд сэлэх загас бүгд цахилгаан эрчим хүч үүсгэдэг нь харагдаж байна.
Электрон ба протон
Үндсэн ойлголтуудыг тодорхойлъё. Эрдэмтдийн үзэж байгаагаар цахилгааны физик нь янз бүрийн бодис дахь электронууд болон бусад цэнэглэгдсэн хэсгүүдийн хөдөлгөөнтэй холбоотой байдаг. Тиймээс бидний сонирхож буй үзэгдлийн мөн чанарыг шинжлэх ухааны үүднээс ойлгох нь атомууд болон тэдгээрийн бүрдүүлэгч субатомын бөөмсийн талаарх мэдлэгийн түвшингээс хамаардаг. Өчүүхэн электрон бол энэ ойлголтын түлхүүр юм. Аливаа бодисын атом нь гаригууд нарыг тойрон эргэдэгтэй адил цөмийн эргэн тойронд янз бүрийн тойрог замд хөдөлдөг нэг буюу хэд хэдэн электрон агуулдаг. Ихэвчлэн атом дахь электронуудын тоо цөм дэх протоны тоотой тэнцүү байдаг. Гэсэн хэдий ч протонууд электронуудаас хамаагүй хүнд байдаг тул атомын төвд бэхлэгдсэн гэж үзэж болно. Атомын энэхүү туйлын хялбаршуулсан загвар нь цахилгааны физик гэх мэт үзэгдлийн үндсийг тайлбарлахад хангалттай.
Та өөр юу мэдэх хэрэгтэй вэ? Электрон ба протон нь ижил цахилгаан цэнэгтэй (гэхдээ өөр тэмдэгтэй) тул бие биедээ татагддаг. Протоны цэнэг эерэг, электроны цэнэг сөрөг байна. Ердийнхөөс их эсвэл бага электронтой атомыг ион гэж нэрлэдэг. Хэрэв атомд тэдгээр нь хангалттай биш байвал эерэг ион гэж нэрлэдэг. Хэрэв тэдгээрийн илүүдэл байвал сөрөг ион гэж нэрлэдэг.
Электрон атомаас гарахад тодорхой хэмжээний эерэг цэнэг авдаг. Эсрэг тал болох протоноо алдсан электрон өөр атом руу шилжинэ, эсвэл өмнөх атом руугаа буцна.
Электрон яагаад атомыг орхидог вэ?
Энэ нь хэд хэдэн шалтгаанаас үүдэлтэй. Хамгийн ерөнхий нь гэрлийн импульс эсвэл зарим гадаад электроны нөлөөн дор атомд хөдөлж буй электрон тойрог замаасаа гарч болно. Дулаан нь атомуудыг илүү хурдан чичиргээ болгодог. Энэ нь электронууд атомаасаа нисч чадна гэсэн үг юм. Химийн урвалын хувьд тэд атомаас нөгөө рүү шилждэгатом.
Химийн болон цахилгаан үйл ажиллагааны хоорондын хамаарлын сайн жишээг булчингууд өгдөг. Мэдрэлийн системийн цахилгаан дохионы нөлөөгөөр тэдний утас агшиж байдаг. Цахилгаан гүйдэл нь химийн урвалыг өдөөдөг. Тэд булчингийн агшилтанд хүргэдэг. Булчингийн үйл ажиллагааг зохиомлоор өдөөхөд гадны цахилгаан дохиог ихэвчлэн ашигладаг.
Дамжуулах чадвар
Зарим бодист гадны цахилгаан орны нөлөөгөөр электронууд бусадтай харьцуулахад илүү чөлөөтэй хөдөлдөг. Ийм бодисыг сайн дамжуулах чадвартай гэдэг. Тэднийг дамжуулагч гэж нэрлэдэг. Эдгээрт ихэнх металл, халсан хий, зарим шингэн орно. Агаар, резин, тос, полиэтилен, шил нь цахилгааныг муу дамжуулдаг. Тэдгээрийг диэлектрик гэж нэрлэдэг бөгөөд сайн дамжуулагчийг тусгаарлахад ашигладаг. Тохиромжтой тусгаарлагч (ямар ч цахилгаан дамжуулах чадваргүй) байдаггүй. Тодорхой нөхцөлд электроныг ямар ч атомаас салгаж болно. Гэсэн хэдий ч эдгээр нөхцлийг хангахад ихэвчлэн маш хэцүү байдаг тул практикийн үүднээс авч үзвэл ийм бодисыг цахилгаан дамжуулах чадваргүй гэж үзэж болно.
Физик гэх мэт шинжлэх ухаантай ("Цахилгаан" хэсэг) танилцсанаар бид тусгай бүлэг бодис байдгийг олж мэдсэн. Эдгээр нь хагас дамжуулагч юм. Тэд нэг хэсэг нь диэлектрик, нөгөө хэсэг нь дамжуулагчийн үүрэг гүйцэтгэдэг. Үүнд, ялангуяа германи, цахиур, зэсийн исэл орно. Түүний шинж чанараас шалтгаалан хагас дамжуулагч нь олон хэрэглээг олдог. Жишээлбэл, энэ нь цахилгаан хавхлагын үүрэг гүйцэтгэдэг: дугуйны дугуйны хавхлага шигцэнэгийг зөвхөн нэг чиглэлд шилжүүлэх боломжийг олгодог. Ийм төхөөрөмжийг Шулуутгагч гэж нэрлэдэг. Тэдгээрийг жижиг радио болон том цахилгаан станцуудад хувьсах гүйдлийг тогтмол гүйдэл болгон хувиргахад ашигладаг.
Дулаан нь молекулууд эсвэл атомуудын хөдөлгөөний эмх замбараагүй хэлбэр бөгөөд температур нь энэ хөдөлгөөний эрчмийг хэмждэг (ихэнх металлын температур буурах тусам электронуудын хөдөлгөөн илүү чөлөөтэй болдог). Энэ нь электронуудын чөлөөт хөдөлгөөний эсэргүүцэл температур буурах тусам буурдаг гэсэн үг юм. Өөрөөр хэлбэл металлын дамжуулах чанар нэмэгддэг.
Хэт дамжуулалт
Зарим бодисуудад маш бага температурт электронуудын урсгалын эсэргүүцэл бүрмөсөн алга болж, электронууд хөдөлж эхэлснээр үүнийг хязгааргүй үргэлжлүүлдэг. Энэ үзэгдлийг хэт дамжуулагч гэж нэрлэдэг. Үнэмлэхүй тэгээс хэдхэн хэмээс дээш (-273 °C) температурт цагаан тугалга, хар тугалга, хөнгөн цагаан, ниобий зэрэг металлуудад ажиглагддаг.
Van de Graaff генератор
Сургуулийн сургалтын хөтөлбөрт цахилгаантай холбоотой янз бүрийн туршилтууд багтсан. Олон төрлийн генераторууд байдаг бөгөөд тэдгээрийн нэгийг нь бид илүү дэлгэрэнгүй ярихыг хүсч байна. Ван де Граффын генераторыг хэт өндөр хүчдэл үйлдвэрлэхэд ашигладаг. Хэрэв илүүдэл эерэг ион агуулсан объектыг саванд хийвэл түүний дотоод гадаргуу дээр электронууд гарч ирэх ба гаднах гадаргуу дээр ижил тооны эерэг ионууд гарч ирнэ. Хэрэв бид одоо дотоод гадаргууд цэнэгтэй объекттой хүрвэл бүх чөлөөт электронууд түүн рүү шилжих болно. Гадна талдэерэг төлбөрүүд хэвээр үлдэнэ.
Ван де Граф үүсгүүрт эх үүсвэрээс эерэг ионуудыг металл бөмбөрцөг доторх туузан дамжуурга руу хийнэ. Соронзон хальс нь сам хэлбэрээр дамжуулагчийн тусламжтайгаар бөмбөрцгийн дотоод гадаргуутай холбогддог. Бөмбөрцгийн дотоод гадаргуугаас электронууд доошоо урсдаг. Түүний гадна талд эерэг ионууд гарч ирдэг. Хоёр генератор ашиглан үр нөлөөг нэмэгдүүлэх боломжтой.
Цахилгаан гүйдэл
Сургуулийн физикийн хичээлд цахилгаан гүйдэл гэх мэт зүйл бас багтдаг. Энэ юу вэ? Цахилгаан гүйдэл нь цахилгаан цэнэгийн хөдөлгөөнөөс үүдэлтэй. Зайтай холбогдсон цахилгаан чийдэнг асаахад гүйдэл нь утсаар батерейны нэг туйлаас чийдэн рүү, дараа нь үсээр дамжин урсаж, гэрэлтэж, хоёр дахь утсаар буцаж зайны нөгөө туйл руу гүйдэг.. Шилжүүлэгчийг эргүүлсэн тохиолдолд хэлхээ нээгдэнэ - гүйдлийн урсгал зогсч, гэрэл унтарна.
Электронуудын хөдөлгөөн
Ихэнх тохиолдолд гүйдэл нь дамжуулагчийн үүрэг гүйцэтгэдэг металл дахь электронуудын дараалсан хөдөлгөөн юм. Бүх дамжуулагч болон бусад зарим бодисуудад гүйдэл байхгүй байсан ч санамсаргүй хөдөлгөөн үргэлж явагддаг. Матери дахь электронууд харьцангуй чөлөөтэй эсвэл хүчтэй холбоотой байж болно. Сайн дамжуулагч нь чөлөөтэй хөдөлж чаддаг электронуудтай байдаг. Гэхдээ муу дамжуулагч буюу тусгаарлагчийн хувьд эдгээр хэсгүүдийн ихэнх нь атомуудтай хангалттай хүчтэй холбогддог бөгөөд энэ нь тэдний хөдөлгөөнд саад болдог.
Заримдаа тодорхой чиглэлд электронуудын хөдөлгөөнийг дамжуулагч дотор байгалийн болон зохиомлоор үүсгэдэг. Энэ урсгалыг цахилгаан гүйдэл гэж нэрлэдэг. Үүнийг ампераар (A) хэмждэг. Ионууд (хий эсвэл уусмал дахь) ба "нүх" (зарим төрлийн хагас дамжуулагчийн электрон дутагдал) нь мөн гүйдэл зөөгчөөр үйлчилж болно. Сүүлийнх нь эерэг цэнэгтэй цахилгаан гүйдэл зөөгч шиг ажилладаг. Электроныг нэг чиглэлд хөдөлгөхөд тодорхой хүч шаардлагатай. Байгалийн хувьд түүний эх үүсвэр нь нарны гэрэл, соронзон нөлөө, химийн урвал байж болно. Тэдгээрийн заримыг цахилгаан үүсгэхэд ашигладаг. Ихэвчлэн энэ зорилгоор: соронзон нөлөөг ашигладаг генератор, үйл ажиллагааны улмаас үүссэн үүр (батарей) юм. химийн урвалд орно. Цахилгаан хөдөлгөх хүчийг (EMF) үүсгэсэн хоёр төхөөрөмж нь электронуудыг хэлхээгээр нэг чиглэлд хөдөлгөдөг. EMF утгыг вольтоор (V) хэмждэг. Эдгээр нь цахилгааны үндсэн нэгж юм.
EMF-ийн хэмжээ ба гүйдлийн хүч нь шингэн дэх даралт ба урсгалтай адил харилцан уялдаатай байдаг. Ус дамжуулах хоолой нь тодорхой даралтаар үргэлж усаар дүүрдэг боловч усны цоргыг асаахад л ус урсаж эхэлдэг.
Үүнтэй адил цахилгаан хэлхээг EMF-ийн эх үүсвэрт холбож болох боловч электронууд шилжих зам үүсэх хүртэл гүйдэл гүйдэлд орохгүй. Энэ нь цахилгаан чийдэн эсвэл тоос сорогч байж болно, энд байгаа унтраалга нь гүйдлийг "гаргадаг" цоргоны үүргийг гүйцэтгэдэг.
Одоогийн ба хоорондын хамааралхүчдэл
Хэлхээний хүчдэл нэмэгдэхийн хэрээр гүйдэл нэмэгдэнэ. Физикийн хичээлийг судлахдаа бид цахилгаан хэлхээ нь хэд хэдэн өөр хэсгүүдээс бүрддэг болохыг олж мэдсэн: ихэвчлэн унтраалга, дамжуулагч, цахилгаан зарцуулдаг төхөөрөмж. Тэдгээр нь бүгд хоорондоо холбогдсон нь цахилгаан гүйдлийн эсэргүүцлийг үүсгэдэг бөгөөд эдгээр бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хувьд (тогтмол температур гэж үзвэл) цаг хугацааны явцад өөрчлөгддөггүй, гэхдээ тус бүрдээ өөр өөр байдаг. Тиймээс, хэрэв гэрлийн чийдэн ба индүүнд ижил хүчдэл хэрэглэвэл тэдгээрийн эсэргүүцэл нь өөр өөр байдаг тул төхөөрөмж тус бүрийн электронуудын урсгал өөр өөр байх болно. Иймд хэлхээний тодорхой хэсгээр урсах гүйдлийн хүчийг зөвхөн хүчдэлээр бус дамжуулагч ба төхөөрөмжүүдийн эсэргүүцлээр тодорхойлно.
Омын хууль
Физик гэх мэт шинжлэх ухаанд цахилгаан эсэргүүцлийн утгыг омоор (Ом) хэмждэг. Цахилгаан эрчим хүч (томьёо, тодорхойлолт, туршилт) нь өргөн хүрээний сэдэв юм. Бид нарийн төвөгтэй томъёо гаргахгүй. Сэдэвтэй анх танилцахын тулд дээр дурдсан зүйлс хангалттай. Гэсэн хэдий ч нэг томъёог гаргаж авах нь үнэ цэнэтэй хэвээр байна. Тэр нэлээд төвөггүй. Аливаа дамжуулагч эсвэл системийн дамжуулагч ба төхөөрөмжүүдийн хувьд хүчдэл, гүйдэл ба эсэргүүцлийн хоорондын хамаарлыг дараах томъёогоор тодорхойлно: хүчдэл=гүйдэл x эсэргүүцэл. Энэ бол эдгээр гурван параметрийн хоорондын хамаарлыг анх тогтоосон Жорж Ом (1787-1854) нэрээр нэрлэгдсэн Ом хуулийн математик илэрхийлэл юм.
Цахилгааны физик бол шинжлэх ухааны маш сонирхолтой салбар юм. Бид зөвхөн түүнтэй холбоотой үндсэн ойлголтуудыг авч үзсэн. Та мэдсэн үүЦахилгаан гэж юу вэ, түүнийг хэрхэн үйлдвэрлэдэг вэ? Энэ мэдээлэл танд хэрэг болно гэж найдаж байна.
