การเคลื่อนที่โดยตรงของอนุภาคที่มีประจุคืออะไร? สำหรับหลาย ๆ คน นี่เป็นพื้นที่ที่เข้าใจยาก แต่จริงๆ แล้วทุกอย่างง่ายมาก ดังนั้น เมื่อพูดถึงการเคลื่อนที่โดยตรงของอนุภาคที่มีประจุ พวกมันหมายถึงกระแส มาดูคุณสมบัติหลักและสูตรของมันกัน รวมถึงพิจารณาปัญหาด้านความปลอดภัยเมื่อใช้งานกัน
ข้อมูลทั่วไป
เริ่มต้นด้วยคำจำกัดความ โดยกระแสไฟฟ้ามักจะหมายถึงการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุตามคำสั่ง (โดยตรง) ซึ่งดำเนินการภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า ในกรณีนี้สามารถพิจารณาวัตถุประเภทใดได้บ้าง อนุภาค หมายถึง อิเล็กตรอน ไอออน โปรตอน รู สิ่งสำคัญคือต้องรู้ว่าจุดแข็งในปัจจุบันคืออะไร นี่คือจำนวนอนุภาคที่มีประจุซึ่งไหลผ่านหน้าตัดของตัวนำต่อหน่วยเวลา
ธรรมชาติของปรากฏการณ์
สารทางกายภาพทั้งหมดประกอบด้วยโมเลกุลที่เกิดจากอะตอม พวกมันไม่ใช่วัสดุสุดท้าย เพราะมีองค์ประกอบ (นิวเคลียสและอิเล็กตรอนหมุนรอบมัน) ปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดมาพร้อมกับการเคลื่อนที่ของอนุภาค ตัวอย่างเช่น ด้วยการมีส่วนร่วมของอิเล็กตรอน อะตอมบางตัวจะประสบกับความบกพร่อง ในขณะที่อะตอมอื่นๆ จะประสบกับส่วนเกิน ในกรณีนี้สารจะมีประจุตรงข้ามกัน หากเกิดการสัมผัสกัน อิเล็คตรอนจากตัวหนึ่งก็จะเคลื่อนเข้าหากัน
ลักษณะทางกายภาพของอนุภาคมูลฐานดังกล่าวอธิบายสาระสำคัญของกระแสไฟฟ้า การเคลื่อนที่ตามทิศทางของอนุภาคที่มีประจุจะดำเนินต่อไปจนกว่าค่าจะเท่ากัน ในกรณีนี้ ปฏิกิริยาของการเปลี่ยนแปลงคือลูกโซ่ กล่าวอีกนัยหนึ่ง แทนที่อิเล็กตรอนที่จากไป อิเล็กตรอนจะเข้ามาแทนที่ ใช้อนุภาคของอะตอมที่อยู่ใกล้เคียงเพื่อทดแทน แต่โซ่ไม่ได้จบเพียงแค่นั้น อิเล็กตรอนสามารถมาถึงอะตอมสุดขั้วได้ เช่น จากขั้วลบของแหล่งกำเนิดกระแส
ตัวอย่างสถานการณ์ดังกล่าวคือแบตเตอรี่ จากด้านลบของตัวนำ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วบวกของแหล่งกำเนิด เมื่ออนุภาคทั้งหมดในองค์ประกอบที่ติดไวรัสในเชิงลบหมดลง กระแสไฟจะหยุดลง ในกรณีนี้ แสดงว่าแบตเตอรี่หมด ความเร็วของการเคลื่อนที่โดยตรงของอนุภาคที่มีประจุในลักษณะนี้คืออะไร? การตอบคำถามนี้ไม่ง่ายอย่างที่คิดในแวบแรก
บทบาทของความเครียด
แนวคิดนี้ใช้ทำอะไร? แรงดันไฟฟ้าเป็นลักษณะของสนามไฟฟ้า ซึ่งเป็นความต่างศักย์ระหว่างจุดสองจุดที่อยู่ภายใน หลายคนอาจดูสับสน เมื่อพูดถึงการเคลื่อนที่ (สั่ง) ของอนุภาคที่มีประจุ คุณต้องเข้าใจแรงดันไฟฟ้า
ลองนึกภาพว่าเรามีวาทยกรง่ายๆ นี่อาจเป็นลวดที่ทำจากโลหะ เช่น ทองแดงหรืออลูมิเนียม ในกรณีของเราสิ่งนี้ไม่สำคัญ มวลของอิเล็กตรอนเท่ากับ 9.10938215(45)×10-31kg ซึ่งหมายความว่ามันเป็นวัสดุที่ค่อนข้าง แต่โลหะตัวนำนั้นแข็ง แล้วอิเล็กตรอนจะไหลผ่านได้อย่างไร
ทำไมผลิตภัณฑ์โลหะถึงเป็นปัจจุบันได้
มาดูพื้นฐานเคมีที่เราแต่ละคนเคยมีโอกาสเรียนในโรงเรียนกันบ้าง หากจำนวนอิเล็กตรอนในสารเท่ากับจำนวนโปรตอนก็จะรับประกันความเป็นกลางขององค์ประกอบ ตามกฎเป็นระยะของ Mendeleev ได้กำหนดว่าสารใดจะต้องได้รับการจัดการ ขึ้นอยู่กับจำนวนของโปรตอนและนิวตรอน เป็นไปไม่ได้ที่จะเพิกเฉยต่อความแตกต่างอย่างมากระหว่างมวลของนิวเคลียสและอิเล็กตรอน หากถอดออก น้ำหนักของอะตอมจะไม่เปลี่ยนแปลงในทางปฏิบัติ
ตัวอย่างเช่น มวลของโปรตอนมีค่ามากกว่าค่าอิเล็กตรอนประมาณ 1836 แต่อนุภาคขนาดเล็กมากเหล่านี้มีความสำคัญมาก เพราะสามารถทิ้งอะตอมบางส่วนและรวมเข้ากับอะตอมอื่นๆ ได้อย่างง่ายดาย ในเวลาเดียวกัน จำนวนที่ลดลงหรือเพิ่มขึ้นนำไปสู่เพื่อเปลี่ยนประจุของอะตอม หากเราพิจารณาอะตอมเดียว จำนวนอิเล็กตรอนของมันก็จะแปรผันได้เสมอ พวกเขากำลังจากไปและกลับมาอย่างต่อเนื่อง นี่เป็นเพราะการเคลื่อนที่ของความร้อนและการสูญเสียพลังงาน
ความจำเพาะทางเคมีของปรากฏการณ์ทางกายภาพ
เมื่อมีการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าโดยตรง มวลอะตอมจะไม่สูญหายไปใช่หรือไม่? องค์ประกอบของตัวนำเปลี่ยนแปลงหรือไม่? นี่เป็นความเข้าใจผิดที่สำคัญมากที่ทำให้หลายคนสับสน คำตอบในกรณีนี้เป็นเพียงเชิงลบ นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าองค์ประกอบทางเคมีไม่ได้ถูกกำหนดโดยมวลอะตอมของพวกมัน แต่โดยจำนวนของโปรตอนที่อยู่ในนิวเคลียส การมีหรือไม่มีอิเล็กตรอน/นิวตรอนไม่มีบทบาทในกรณีนี้ ในทางปฏิบัติ จะมีลักษณะดังนี้:
- บวกหรือลบอิเล็กตรอน กลายเป็นไอออน
- บวกหรือลบนิวตรอน กลายเป็นไอโซโทป
ธาตุเคมีไม่เปลี่ยนแปลง แต่สำหรับโปรตอน สถานการณ์จะแตกต่างออกไป ถ้ามันเป็นเพียงหนึ่ง เราก็มีไฮโดรเจน โปรตอนสองตัว - และเรากำลังพูดถึงฮีเลียม อนุภาคทั้งสามคือลิเธียม เป็นต้น ผู้ที่สนใจในความต่อเนื่องสามารถดูตารางธาตุ ข้อควรจำ: แม้ว่ากระแสจะไหลผ่านตัวนำเป็นพันๆ ครั้ง แต่องค์ประกอบทางเคมีของกระแสไฟฟ้าก็จะไม่เปลี่ยนแปลง แต่บางทีอาจจะเป็นอย่างอื่น
อิเล็กโทรไลต์และจุดที่น่าสนใจอื่นๆ
ลักษณะเฉพาะของอิเล็กโทรไลต์คือองค์ประกอบทางเคมีของอิเล็กโทรไลต์ที่เปลี่ยนไป จากนั้นภายใต้อิทธิพลของกระแสองค์ประกอบอิเล็กโทรไลต์ เมื่อศักยภาพของพวกมันหมดลง การเคลื่อนที่โดยตรงของอนุภาคที่มีประจุจะหยุดลง สถานการณ์นี้เกิดจากการที่ตัวพาประจุในอิเล็กโทรไลต์เป็นไอออน
นอกจากนี้ยังมีองค์ประกอบทางเคมีที่ไม่มีอิเล็กตรอนเลย ตัวอย่างจะเป็น:
- อะตอมไฮโดรเจนคอสมิก
- สารทั้งหมดที่อยู่ในสถานะพลาสม่า
- ก๊าซในชั้นบรรยากาศชั้นบน (ไม่เพียงแต่โลก แต่ยังรวมถึงดาวเคราะห์ดวงอื่นที่มีมวลอากาศด้วย)
- เนื้อหาของคันเร่งและตัวชน
ควรสังเกตด้วยว่าภายใต้อิทธิพลของกระแสไฟฟ้า สารเคมีบางชนิดสามารถสลายได้อย่างแท้จริง ตัวอย่างที่รู้จักกันดีคือฟิวส์ มีลักษณะอย่างไรในระดับไมโคร? อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผลักอะตอมในเส้นทางของพวกมัน หากกระแสไฟแรงมาก ผลึกขัดแตะของตัวนำจะไม่สามารถต้านทานและถูกทำลายได้ และสารจะหลอมละลาย
กลับสู่ความเร็ว
ก่อนหน้านี้ ประเด็นนี้ถูกกล่าวถึงอย่างผิวเผิน ตอนนี้เรามาดูกันดีกว่า ควรสังเกตว่าไม่มีแนวคิดเรื่องความเร็วของการเคลื่อนที่โดยตรงของอนุภาคที่มีประจุในรูปของกระแสไฟฟ้า นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าค่านิยมต่างกัน ดังนั้นสนามไฟฟ้าจะแพร่กระจายผ่านตัวนำไฟฟ้าด้วยความเร็วที่ใกล้เคียงกับการเคลื่อนที่ของแสง นั่นคือ ประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที
ภายใต้อิทธิพลของมัน อิเล็กตรอนทั้งหมดเริ่มเคลื่อนที่ แต่ความเร็วของพวกเขาขนาดเล็กมาก. มีค่าประมาณ 0.007 มิลลิเมตรต่อวินาที ในเวลาเดียวกัน พวกมันก็สุ่มวิ่งไปในการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน ในกรณีของโปรตอนและนิวตรอน สถานการณ์จะแตกต่างกัน มันใหญ่เกินไปสำหรับเหตุการณ์เดียวกันที่จะเกิดขึ้นกับพวกเขา ตามกฎแล้วไม่จำเป็นต้องพูดถึงความเร็วใกล้เคียงกับค่าแสง
พารามิเตอร์ทางกายภาพ
ตอนนี้เรามาดูกันว่าการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุในสนามไฟฟ้าเป็นอย่างไรจากมุมมองทางกายภาพ การทำเช่นนี้ สมมติว่าเรามีกล่องกระดาษแข็งที่บรรจุเครื่องดื่มอัดลม 12 ขวด ในเวลาเดียวกัน มีความพยายามที่จะวางภาชนะอื่นที่นั่น สมมุติว่ามันทำสำเร็จ แต่กล่องแทบไม่รอด เมื่อคุณลองใส่อีกขวดหนึ่งเข้าไป มันแตก และภาชนะทั้งหมดหลุดออกมา
กล่องที่เป็นปัญหาสามารถเปรียบเทียบได้กับหน้าตัดของตัวนำ ยิ่งพารามิเตอร์นี้สูง (ลวดหนาขึ้น) ยิ่งสามารถจ่ายกระแสไฟได้มากเท่านั้น สิ่งนี้กำหนดปริมาตรที่การเคลื่อนที่โดยตรงของอนุภาคที่มีประจุสามารถมีได้ ในกรณีของเรา กล่องที่บรรจุขวดตั้งแต่หนึ่งถึงสิบสองขวดสามารถบรรลุวัตถุประสงค์ที่ต้องการได้อย่างง่ายดาย (มันจะไม่แตก) โดยการเปรียบเทียบ เราสามารถพูดได้ว่าตัวนำจะไม่ไหม้
ถ้าคุณเกินค่าที่ระบุ วัตถุจะล้มเหลว ในกรณีของตัวนำ การต่อต้านจะเข้ามามีบทบาท กฎของโอห์มอธิบายการเคลื่อนที่โดยตรงของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าได้อย่างดี
ความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์ทางกายภาพต่างๆ
ต่อกล่องจากตัวอย่างของเรา คุณสามารถใส่อีกอันได้ ในกรณีนี้ไม่ใช่ 12 ขวด แต่สามารถวางขวดได้มากถึง 24 ขวดต่อหน่วยพื้นที่ เราเพิ่มอีกแล้ว - และมีสามสิบหกคน กล่องหนึ่งถือได้ว่าเป็นหน่วยทางกายภาพ คล้ายกับแรงดันไฟฟ้า
ยิ่งกว้าง (ทำให้ความต้านทานลดลง) ยิ่งสามารถวางขวดได้มากขึ้น (ซึ่งในตัวอย่างของเราแทนที่กระแส) โดยการเพิ่มกองกล่อง คุณสามารถวางคอนเทนเนอร์เพิ่มเติมต่อหน่วยพื้นที่ ในกรณีนี้พลังจะเพิ่มขึ้น สิ่งนี้ไม่ทำลายกล่อง (ตัวนำ) นี่คือบทสรุปของการเปรียบเทียบนี้:
- จำนวนขวดทั้งหมดเพิ่มพลัง
- จำนวนตู้คอนเทนเนอร์ในกล่องบ่งบอกถึงความแข็งแกร่งในปัจจุบัน
- จำนวนกล่องในความสูงให้คุณตัดสินแรงดันไฟได้
- ความกว้างของกล่องแสดงถึงแนวต้าน
อันตรายที่อาจเกิดขึ้น
เราได้พูดคุยกันแล้วว่าการเคลื่อนที่โดยตรงของอนุภาคที่มีประจุเรียกว่ากระแส ควรสังเกตว่าปรากฏการณ์นี้อาจเป็นอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์และแม้กระทั่งชีวิต นี่คือบทสรุปคุณสมบัติของกระแสไฟฟ้า:
- ให้ความร้อนแก่ตัวนำไฟฟ้าที่ไหลผ่าน หากเครือข่ายไฟฟ้าในครัวเรือนมีมากเกินไป ฉนวนจะค่อยๆ ไหม้เกรียมและพังทลาย เป็นผลให้มีความเป็นไปได้ที่จะเกิดไฟฟ้าลัดวงจรซึ่งเป็นอันตรายมาก
- กระแสไฟเมื่อไหลผ่านเครื่องใช้ในครัวเรือนและสายไฟมาบรรจบกันความต้านทานของวัสดุขึ้นรูปองค์ประกอบ ดังนั้นจึงเลือกเส้นทางที่มีค่าต่ำสุดสำหรับพารามิเตอร์นี้
- หากเกิดไฟฟ้าลัดวงจร ความแรงของกระแสจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ปล่อยความร้อนออกมาเป็นจำนวนมาก หลอมโลหะได้
- ไฟฟ้าลัดวงจรอาจเกิดขึ้นเนื่องจากความชื้นเข้า ในกรณีที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ วัตถุที่อยู่ใกล้เคียงจะสว่างขึ้น แต่ในกรณีนี้ ผู้คนมักต้องทนทุกข์ทรมาน
- ไฟฟ้าช็อตมีอันตรายร้ายแรง มีโอกาสถึงขั้นเสียชีวิตได้เลยทีเดียว เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านร่างกายมนุษย์ ความต้านทานของเนื้อเยื่อจะลดลงอย่างมาก พวกเขาเริ่มร้อนขึ้น ในกรณีนี้ เซลล์จะถูกทำลายและปลายประสาทตาย
ปัญหาด้านความปลอดภัย
เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ถูกกระแสไฟฟ้า คุณต้องใช้อุปกรณ์ป้องกันพิเศษ ถุงมือยางควรใช้วัสดุชนิดเดียวกัน แท่งระบาย และอุปกรณ์ต่อสายดินสำหรับสถานที่ทำงานและอุปกรณ์
สวิตช์วงจรที่มีการป้องกันต่างๆ ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าดีในฐานะอุปกรณ์ที่ช่วยชีวิตคนได้
อย่าลืมข้อควรระวังเพื่อความปลอดภัยขั้นพื้นฐานในการทำงาน หากเกิดเพลิงไหม้ที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ไฟฟ้า สามารถใช้เฉพาะถังดับเพลิงคาร์บอนไดออกไซด์และผงดับเพลิงเท่านั้น อย่างหลังแสดงให้เห็นผลลัพธ์ที่ดีที่สุดในการต่อสู้กับไฟ แต่อุปกรณ์ที่ปกคลุมไปด้วยฝุ่นไม่สามารถกู้คืนได้ตลอดเวลา
สรุป
จากการใช้ตัวอย่างที่ผู้อ่านทุกคนเข้าใจได้ เราพบว่าการเคลื่อนที่ตามคำสั่งของอนุภาคที่มีประจุนั้นเรียกว่ากระแสไฟฟ้า นี่เป็นปรากฏการณ์ที่น่าสนใจมาก ที่สำคัญจากตำแหน่งทั้งฟิสิกส์และเคมี กระแสไฟฟ้าเป็นผู้ช่วยที่ไม่รู้จักเหน็ดเหนื่อยของมนุษย์ อย่างไรก็ตาม มันจะต้องได้รับการดูแลเอาใจใส่ บทความกล่าวถึงปัญหาด้านความปลอดภัยที่ควรให้ความสนใจหากไม่มีความปรารถนาที่จะตาย
