Ruch kierunkowy cząstek naładowanych: definicja, charakterystyka, właściwości fizyczne i zastosowania

Czym jest ruch skierowany cząstek naładowanych? Dla wielu osób jest to dziedzina dezorientująca, ale w rzeczywistości jest to bardzo proste. Kiedy ludzie mówią o ukierunkowanym ruchu naładowanych cząstek, zawsze mają na myśli prąd. Zrozummy jego podstawowe cechy i brzmienie, a także przyjrzyjmy się kwestiom bezpieczeństwa podczas pracy z nim.

Informacje ogólne

Zaczynamy od zdefiniowania. Przez prąd elektryczny rozumie się zawsze uporządkowany (ukierunkowany) ruch naładowanych cząstek, który odbywa się pod wpływem działania pola elektrycznego. Jakie obiekty mogą być brane pod uwagę w tym przypadku? Cząstki oznaczają elektrony, jony, protony, dziury. Ważne jest również, aby wiedzieć, jaki jest prąd. Jest to nazwa nadana liczbie naładowanych cząstek, które przepływają przez poprzeczną przekrój poprzeczny przewodnika o czas jednostkowy.

Charakter zjawiska

Wszystkie substancje fizyczne składają się z cząsteczek, które powstają z atomów. Nie są też materiałem skończonym, bo mają pierwiastki (jądro i orbitujące wokół niego elektrony). Wszystkim reakcjom chemicznym towarzyszy ruch cząsteczek. Na przykład, gdy w grę wchodzą elektrony, w niektórych atomach będzie ich brakowało, a w innych będzie ich nadmiar. W tym przypadku substancje mają przeciwne ładunki. Jeśli dojdzie do kontaktu, elektrony z jednego będą miały tendencję do przechodzenia do drugiego.

Ta fizyczna natura cząstek elementarnych wyjaśnia istotę prądu elektrycznego. To jest ruch kierunkowy naładowanych cząstek będą występować do momentu wyrównania wartości. W tym przypadku reakcja zmiany jest reakcją łańcuchową. Innymi słowy, zamiast opuszczać elektron, inny elektron zajmuje jego miejsce. Cząsteczki sąsiedniego atomu są używane do zastępowania. Ale to też nie koniec łańcucha. Elektron może również dotrzeć do najbardziej zewnętrznego atomu, np. z ujemnego bieguna płynącego źródła prądu.

Przykładem tego może być bateria. Z ujemnej części przewodnika elektrony wędrują do dodatniego bieguna źródła. Kiedy wszystkie cząstki w ujemnie naładowanym składniku skończy się, prąd ustaje. W takim przypadku mówi się, że bateria "sat". Jaka jest prędkość kierunkowa ruchu naładowanych cząstek poruszających się w ten sposób? Odpowiedź na to pytanie nie jest tak prosta, jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka.

Napięcie ma do odegrania rolę

Do czego służy to pojęcie?? Napięcie jest cechą pola elektrycznego, które jest różnicą potencjałów między dwoma punktami znajdującymi się w jego wnętrzu. Dla wielu osób może to być niezbyt jasne. Jeśli chodzi o kierunkowy (uporządkowany) ruch naładowanych cząstek, konieczne jest zrozumienie napięcia.

Załóżmy, że mamy najprostszy przewodnik. Może to być drut wykonany z metalu takiego jak miedź czy aluminium. W tym przypadku nie jest to aż tak ważne. Masa elektronu wynosi 9,10938215(45)×10^-31kg. Oznacza to, że jest on dość materialny. Ale metal przewodnika jest stały. Jak zatem mogą przez nią przepływać elektrony??

Dlaczego w wyrobach metalowych może występować prąd

Wróćmy do podstaw chemii, które każdy z nas miał okazję poznać w szkole. Jeśli w danej substancji liczba elektronów jest równa liczbie protonów, to pierwiastek jest obojętny. Na podstawie prawa okresowego Mendelejewa określa, z jaką substancją mamy do czynienia. Zależy to od liczby protonów i neutronów. Nie można pominąć dużej różnicy między masami jądra i elektronu. Jeśli zostaną usunięte, masa atomu nie ulegnie większej zmianie.

Na przykład masa protonu jest o około 1836 większa od masy elektronu. Ale te mikroskopijne cząstki są bardzo ważne, ponieważ mogą łatwo opuścić jeden atom i dołączyć do innego. Zmniejszenie lub zwiększenie liczby elektronów prowadzi do zmiany ładunku atomu. Jeśli rozpatrujemy sam atom, to liczba elektronów w nim jest zawsze zmienna. Ciągle z niego wychodzą i wracają. Wynika to z ruchu termicznego i utraty energii.

Specyfika chemiczna zjawiska fizycznego

Czy w przypadku uporządkowanego ruchu cząstek naładowanych elektrycznie masa atomowa nie ulega zmianie?? Nie zmienia składu przewodnika? Jest to bardzo ważne błędne przekonanie, które myli wiele osób. Odpowiedź w tym przypadku jest tylko negatywna. Dzieje się tak, ponieważ pierwiastki chemiczne nie są definiowane przez ich masę atomową, ale przez liczbę protonów obecnych w jądrze. Obecność lub brak elektronów/neutronów nie ma w tym przypadku znaczenia. W praktyce wygląda to tak:

• Dodawanie lub usuwanie elektronów. Dostajesz jon.
• Dodajemy lub odejmujemy neutrony. Mamy więc izotop.

Pierwiastek chemiczny nie ulega zmianie. Natomiast z protonami sytuacja jest inna. Jeśli jest tylko jeden, mamy wodór. Dwa protony i mówimy o helu. Trzy cząstki to lit. I tak dalej. Jeśli jesteś zainteresowany kontynuacją, możesz zobaczyć tabelę Mendelejewa. Pamiętaj: nawet jeśli przez przewodnik przepłynie tysiąc razy prąd, jego skład chemiczny nie zmieni się. Ale to nie jest możliwe.

Elektrolity i inne ciekawe punkty

Osobliwością elektrolitów jest to, że to ich skład chemiczny zmienia się. Następnie pod wpływem prądu z roztworu uwalniane są elementy elektrolitu. Gdy ich potencjał zostanie wyczerpany, kierunkowy ruch naładowanych cząstek ustanie. Sytuacja ta wynika z faktu, że nośnikami ładunku w elektrolitach są jony.

Ponadto istnieją pierwiastki chemiczne, które w ogóle nie posiadają elektronów. Jako przykład rozważ następujące zagadnienie:

• Atomowy wodór kosmiczny.
• Wszystkie substancje w stanie plazmy.
• Gazy w górnej atmosferze (nie tylko na Ziemi, ale i na innych planetach z masami powietrza).
• Zawartość akceleratorów i zderzaków.

Warto również zauważyć, że niektóre substancje chemiczne mogą dosłownie roztrzaskać się pod wpływem prądu elektrycznego. Dobrze znanym przykładem jest bezpiecznik. Jak to wygląda na poziomie mikro? Poruszające się elektrony popychają atomy na swojej drodze. Jeśli prąd jest bardzo silny, siatka krystaliczna przewodnika nie może go wytrzymać i kruszy się, a substancja topi się.

Powrót do prędkości

Wcześniej ten punkt był poruszany powierzchownie. Teraz skupmy się na tym bardziej szczegółowo. Należy zauważyć, że nie istnieje pojęcie prędkości ruchu kierunkowego cząstek naładowanych w postaci prądu elektrycznego. Dzieje się tak dlatego, że różne wielkości są ze sobą powiązane. Na przykład, pole elektryczne rozchodzi się w przewodniku z prędkością zbliżoną do prędkości światła, czyli około 300 000 kilometrów na sekundę.

To powoduje, że wszystkie elektrony poruszają się. Ale ich prędkość jest bardzo mała. To około 0,007 milimetra na sekundę. A także chaotycznie miotają się w ruchu termicznym. Inaczej sytuacja wygląda w przypadku protonów i neutronów. Są za duże, żeby zrobić to samo. Z reguły nie możemy mówić o ich prędkości jako zbliżonej do prędkości światła.

Parametry fizyczne

Zastanówmy się teraz, jaki jest ruch naładowanych cząstek w polu elektrycznym z fizycznego punktu widzenia. Aby to zrobić, wyobraźmy sobie, że mamy karton, w którym mieści się 12 butelek napoju gazowanego. Jest próba wstawienia tam kolejnego kontenera. Załóżmy, że jest to możliwe. Ale pudełko ledwo się mieściło. Przy próbie włożenia kolejnej butelki pęka i wszystkie pojemniki wypadają.

Omawiane pudełko można porównać do pola przekroju poprzecznego przewodnika. Im wyższa wartość (im grubszy przewód), tym większy prąd może dostarczyć. To określa, który tom może mieć ukierunkowany przepływ naładowanych cząstek. W naszym przypadku skrzynka, w której mieści się od jednej do dwunastu butelek, może spokojnie spełniać swoje przeznaczenie (nie stłucze się). Przez analogię możemy powiedzieć, że przewodnik nie wypali się.

Jeśli wartość ta zostanie przekroczona, obiekt nie powiedzie się. W przypadku przewodnika w grę wchodzi opór. Prawo Ohma jest bardzo dobre w opisie ruchu kierunkowego cząstek naładowanych elektrycznie.

Zależność pomiędzy poszczególnymi parametrami fizycznymi

Na pudełku z naszego przykładu możemy umieścić kolejny. W takim przypadku obszar jednostkowy mógłby zawierać nie 12, ale całe 24 butelki. Dodaj jeszcze jeden i jest ich trzydzieści sześć. Jedno z pól może być traktowane jako jednostka fizyczna podobna do napięcia prądu.

Im jest ona szersza (im mniejszy opór), tym więcej butelek (które w naszym przykładzie zastępują prąd) można umieścić. Poprzez zwiększenie stosu skrzynek można umieścić dodatkowe pojemniki na jednostce powierzchni. W tym przypadku moc wzrasta. Puszka (przewodnik) nie ulega zniszczeniu. Oto co w skrócie wynika z tej analogii:

• Całkowita liczba butelek zwiększa moc.
• Liczba kondensatorów w polu reprezentuje natężenie prądu.
• Liczba pól w wysokości pozwala na ocenę napięcia.
• Szerokość pola daje wskazówkę co do oporu.

Możliwe zagrożenia

Ustaliliśmy już, że kierunkowy ruch naładowanych cząstek nazywamy prądem. Należy zaznaczyć, że zjawisko to może być niebezpieczne dla zdrowie a nawet ludzkie życie. Oto krótka lista właściwości prądu elektrycznego:

• Dostarcza ciepło do przewodnika, przez który przepływa. Jeśli domowa sieć elektryczna jest przeciążona, izolacja będzie się stopniowo zwęglać i kruszyć. Konsekwencją tego jest możliwość wystąpienia zwarcia, które jest bardzo niebezpieczne.
• Prąd elektryczny, przepływając przez urządzenia i przewody, napotyka na opór elementów tworzących materiały. Wybiera więc trasę o najmniejszej możliwej wartości tego parametru.
• W przypadku zwarcia natężenie prądu szybko wzrasta. Wydziela się znaczna ilość ciepła. Może stopić metal.
• Zwarcie może być spowodowane przez wilgoć. W poprzednio omawianych przypadkach płoną pobliskie obiekty, jednak w tym wariancie zawsze cierpią ludzie.
• Porażenie prądem elektrycznym wiąże się z dużym ryzykiem. Prawdopodobne są nawet ofiary śmiertelne. Gdy przez ciało człowieka przepływa prąd elektryczny, opór tkanek ulega znacznemu zmniejszeniu. Zaczynają się rozgrzewać. Niszczy komórki i zabija zakończenia nerwowe.

Kwestie bezpieczeństwa

Aby uniknąć narażenia na prąd elektryczny, należy stosować specjalne wyposażenie ochronne. Prace należy wykonywać w rękawicach gumowych, macie z tego samego materiału, prętach odprowadzających oraz urządzeniach uziemiających miejsca pracy i aparaty.

Wyłączniki z różnymi rodzajami zabezpieczeń okazały się być urządzeniem ratującym życie.

Nie należy również zapominać o elementarnym instrukcje bezpieczeństwa w pracy. W przypadku pożaru urządzeń elektrycznych należy stosować wyłącznie dwutlenek węgla i Gaśnice proszkowe. Te ostatnie lepiej sprawdzają się w przypadku pożaru, ale sprzęt pokryty kurzem nie zawsze można odzyskać.

Wniosek

Ustaliliśmy, posługując się przykładami łatwymi do zrozumienia dla wszystkich czytelników, że dobrze uporządkowany, ukierunkowany przepływ naładowanych cząstek nazywamy prądem elektrycznym. To bardzo ciekawe zjawisko, ważne zarówno w fizyce, jak i w chemii. Prąd elektryczny jest niestrudzonym pomocnikiem człowieka. Należy jednak obchodzić się z nim ostrożnie. W artykule poruszono kwestie bezpieczeństwa, które należy wziąć pod uwagę, jeśli nie życzenie śmierci.