Що собою являє спрямований рух заряджених частинок? Для багатьох це незрозуміла сфера, але насправді все дуже просто. Так, коли говорять про спрямований рух заряджених частинок, то мають на увазі струм. Давайте розберемося в його основних характеристиках і формулюваннях, а також розглянемо питання безпеки при роботі з ним.
Загальна інформація
Почати слід з визначення. Під електричним струмом завжди розуміється упорядкований (спрямований) рух заряджених частинок, що здійснюється під дією електричного поля. Які саме об’єкти можуть розглядатися в даному випадку? Під частками увазі електрони, іони, протони, дірки. Важливо також знати, що собою являє сила струму. Так позначається кількість заряджених частинок, які протікають через поперечний переріз провідника за одиницю часу.
Природа явища
Всі фізичні речовини складаються з молекул, які формуються з атомів. Вони також не є кінцевим матеріалом, тому що мають у собі елементи (ядро і обертаються навколо нього електрони). Всі хімічні реакції супроводжуються рухом частинок. Наприклад, за участю електронів одні атоми будуть відчувати їхню нестачу, а інші – надлишок. У такому разі речовини мають різнойменними зарядами. Якщо відбудеться їх контакт, то електрони з одного будуть прагнути перейти в інше.
Така фізична природа елементарних частинок пояснює суть електричного струму. Це направлений рух заряджених частинок буде відбуватися до тих пір, поки не відбудеться вирівнювання значень. При цьому реакція змін є ланцюговий. Іншими словами, замість пішов електрона на його місце приходить інший. Для заміни використовуються частки сусіднього атома. Але і на цьому розмова не закінчується. До крайнього атому також може прийти електрон, наприклад, від негативного полюса джерела протікаючого струму.
Як приклад такої ситуації можна навести батарейку. З негативної частини провідника електрони переміщаються на позитивний полюс джерела. Коли всі частинки негативно зараженому компоненті закінчуються, то струм припиняється. В такому випадку кажуть, що батарейка “села”. Яка швидкість спрямованого руху заряджених частинок, що переміщаються таким чином? Дати відповідь на це питання не так легко, як може здатися на перший погляд.
Роль напруги
Для чого використовується це поняття? Напругою називають характеристику електричного поля, яка є різницею потенціалів двох точок, що знаходяться в ньому всередині. Багатьом це може здатися не дуже зрозумілим. Коли мова заходить про надіслане (упорядкований) рух заряджених частинок, то розбиратися в напрузі потрібно.
Уявімо, що у нас є простий провідник. Таким може бути дріт, зроблена з металу, наприклад, міді або алюмінію. В нашому випадку це не так важливо. Маса електрона становить 9,10938215(45)×10-31кг. Це означає, що він є цілком матеріальним. Але ж метал провідника твердий. Як же в такому випадку на нього можуть протікати електрони?
Чому в металевих виробах може бути струм
Давайте звернемося до основ хімії, які кожен з нас мав можливість вивчати в школі. Якщо число електронів одно в речовині кількості протонів, то забезпечується нейтральність елемента. Грунтуючись на періодичному законі Менделєєва визначається те, з якою речовиною доводиться мати справу. Це залежить від кількості протонів і нейтронів. Не можна обійти увагою і велику різницю між масами ядра і електронів. Якщо їх прибрати, то вага атома практично не змінитися.
Наприклад, маса протона приблизно в 1836 більше, ніж значення електрона. Але ці мікроскопічні частинки дуже важливі, адже вони можуть легко покидати одні атоми і приєднуватися до інших. При цьому зменшення або збільшення їх кількості призводить до зміни заряду атома. Якщо розглядати окремо взятий атом, то у нього кількість електронів завжди буде змінним. Вони постійно його покидають і повертаються назад. Це відбувається внаслідок теплового руху і втрати енергії.
Хімічна специфіка фізичного явища
Коли відбувається спрямований рух електрично заряджених частинок, то не втрачається чи атомарна маса? Не змінюється склад провідника? Це дуже важливе оману, яке збиває з пантелику багатьох. Відповідь у цьому випадку тільки негативний. Пов’язано це з тим, що хімічні елементи визначаються не своєю атомарної масою, а кількістю протонів, які є в ядрі. Наявність або відсутність електронів/нейтронів у цьому випадку ролі не грає. На практиці це виглядає таким чином:
- Додаємо або зменшуємо електрони. Виходить іон.
- Додаємо або зменшуємо нейтрони. Виходить ізотоп.
Хімічний елемент при цьому не змінюється. Але з протонами ситуація інша. Якщо він всього один, значить, перед нами водень. Два протона – і мова йде вже про гелії. Три частинки – це літій. І так далі. Кого зацікавило продовження, той може подивитися таблицю Менделєєва. Запам’ятайте: хоч тисячу разів будуть пропускати струм через провідник, його хімічний склад змінюватися не буде. Але можливо інше.
Електроліти та інші цікаві моменти
Особливість електролітів полягає в тому, що змінюється саме їх хімічний склад. Тоді під впливом струму із розчину виділяються елементи електроліту. Коли їх потенціал вичерпається, спрямований рух заряджених частинок припиниться. Така ситуація пов’язана з тим, що носіями зарядів в електролітах є іони.
Крім того, трапляються хімічні елементи взагалі без електронів. В якості прикладу можна навести наступне:
- Атомарний космічний водень.
- Всі речовини, що перебувають у стані плазми.
- Гази у верхніх шарах атмосфери (не тільки Землі, але і інших планет, де є маси повітря).
- Вміст прискорювачів і коллайдерів.
Також слід зазначити, що під дією електричного струму деякі хімічні речовини можуть буквально розсипатися. В якості відомого прикладу можна назвати плавкий запобіжник. Як це виглядає на мікрорівні? Рухомі електрони розштовхують атоми на своєму шляху. Якщо струм дуже сильний, то кристалічна решітка провідника не витримує і руйнується, а речовина розплавляється.
Повертаємося до швидкості
Раніше цей момент поверхнево було порушено. Тепер давайте приділимо йому більш пильну увагу. Слід зазначити, що поняття швидкості направленого руху заряджених частинок у вигляді електричного струму не існує. Це пов’язано з тим, що переплітаються різні величини. Так, по провіднику поширюється електричне поле зі швидкістю, яка близька до руху світла, тобто близько 300 000 кілометрів на секунду.
Під його впливом починають рух всі електрони. Але їх швидкість дуже мала. Вона становить приблизно 0,007 міліметрів в секунду. При цьому вони ще й хаотично кидаються в тепловому русі. У випадку з протонами і нейтронами ситуація інша. Вони занадто великі, щоб з ними відбувалися такі події. Як правило, говорити про їх швидкості, як близькою до значення світла, не доводиться.
Фізичні параметри
Тепер давайте розглянемо, що собою представляє рух заряджених частинок в електричному полі з фізичної точки зору. Для цього представимо, що у нас є картонна коробка, в якій міститься 12 пляшок газованого напою. При цьому є спроба помістити туди ще одну ємність. Припустимо, це вдалося. Але коробка ледве витримала. При спробі засунути ще одну пляшку вона розривається, а всі ємності вивалюються.
Розглядається коробку можна порівняти з поперечним перерізом провідника. Чим цей параметр вище (товще дріт), тим більшу силу струму може забезпечити. Це визначає те, який обсяг може мати спрямований рух заряджених частинок. У нашому випадку коробка, в якій знаходиться від однієї до дванадцяти пляшок, може спокійно виконувати своє пряме призначення (не розірветься). За аналогією можна сказати, що провідник не згорить.
Якщо перевищити зазначену величину, то об’єкт вийде з ладу. У випадку з провідником вступить в дію опір. Дуже добре описує спрямований рух електрично заряджених частинок закон Ома.
Взаємозв’язок різних фізичних параметрів
На коробку з нашого прикладу можна поставити ще одну. В такому разі на одиниці площі можна буде розмістити вже не 12, а цілих 24 пляшки. Додаємо ще одну – і їх вже тридцять шість. Одна з коробок може розглядатися в якості фізичної одиниці, аналогічної напрузі струму.
Чим вона ширше (при цьому зменшується опір), тим більше кількість пляшок (які в нашому прикладі замінюють силу струму) можна розмістити. Збільшуючи штабель коробок, можна розміщувати на одиниці площі додаткові ємності. В такому разі зростає потужність. При цьому не руйнується коробка (провідник). Ось що коротко виходить з цієї аналогії:
- Загальна кількість пляшок збільшує потужність.
- Кількість ємностей в коробці відображає силу струму.
- Кількість ящиків у висоту дозволяє судити про напрузі.
- Ширина коробки дає уявлення про опір.
Можливі небезпеки
Ми вже розібрали, що спрямований рух заряджених частинок називається струмом. Слід зазначити, що дане явище може бути небезпечним для здоров’я і навіть життя людини. Ось короткий перелік властивостей електричного струму:
- Забезпечує нагрівання провідника, по якому він протікає. Якщо побутова електрична мережа перевантажується, то ізоляція поступово обвуглюватися і обсипатися. Внаслідок цього виникає ймовірність короткого замикання, яке є дуже небезпечним.
- Електричний струм, коли він протікає по побутових приладів і проводів, зустрічає опір елементів, що формують матеріали. Тому він вибирає шлях, у якого значення цього параметра є мінімальним.
- Якщо сталося коротке замикання, то сила струму різко зростає. При цьому виділяється значна кількість тепла. Воно може розплавити метал.
- Коротке замикання може відбутися із-за попадання вологи. У розглянутих раніше випадках загоряються розташовані поруч предмети, але в цьому варіанті завжди страждають люди.
- Удар електрикою несе в собі суттєву небезпеку. Цілком вірогідний навіть смертельний результат. Коли електричний струм протікає через організм людини, то сильно зменшується опір тканин. Вони починають нагріватися. При цьому руйнуються клітини і відмирають нервові закінчення.
Питання безпеки
Щоб уникнути впливу електричного струму, необхідно використовувати спеціальні засоби захисту. Роботу слід вести в гумових рукавичках з використанням килимка з цього ж матеріалу, розрядних штанг, а також пристроїв заземлення робочих місць і апаратури.
Автоматичні вимикачі з різною захистом показали себе добре в якості пристрою, яке здатне зберегти життя людини.
Також не слід забувати про елементарну техніку безпеки при роботі. Якщо виникло займання з участю електрообладнання, можна використовувати тільки вуглекислотні та порошкові вогнегасники. Другі показують у боротьбі з вогнем кращий результат, але апаратуру, засипану пилом, не завжди можна відновити.
Висновок
На зрозумілих кожному читачеві прикладах ми з’ясували, що впорядковане спрямований рух заряджених частинок називається електричним струмом. Це дуже цікаве явище, важливе з позицій фізики та хімії. Електричний струм є невтомним помічником людини. Проте поводитися з ним треба обережно. У статті розглянуті питання безпеки, на які слід звертати увагу, якщо немає бажання загинути.
