ฟิสิกส์ของไฟฟ้าเป็นสิ่งที่เราทุกคนต้องเผชิญ ในบทความเราจะพิจารณาแนวคิดพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกัน
ไฟฟ้าคืออะไร? สำหรับคนที่ไม่ได้ฝึกหัดจะเกี่ยวข้องกับแสงแฟลชหรือพลังงานที่ป้อนทีวีและเครื่องซักผ้า เขารู้ว่ารถไฟฟ้าใช้พลังงานไฟฟ้า เขาจะพูดอะไรได้อีก สายไฟทำให้เขานึกถึงการพึ่งพาไฟฟ้าของเรา ใครก็ได้ช่วยยกตัวอย่างอีกหน่อย
อย่างไรก็ตาม ยังมีอีกหลายสิ่งที่ไม่ชัดเจนนัก แต่ปรากฏการณ์ในชีวิตประจำวันเกี่ยวข้องกับไฟฟ้า ฟิสิกส์แนะนำเราให้รู้จักกับพวกเขาทั้งหมด เราเริ่มเรียนไฟฟ้า (งาน คำจำกัดความ และสูตร) ที่โรงเรียน และเราได้เรียนรู้สิ่งที่น่าสนใจมากมาย ปรากฎว่าหัวใจเต้น นักกีฬาที่กำลังวิ่ง ทารกที่กำลังหลับ และปลาว่ายน้ำล้วนสร้างพลังงานไฟฟ้า
อิเล็กตรอนและโปรตอน
มานิยามแนวคิดพื้นฐานกัน จากมุมมองของนักวิทยาศาสตร์ ฟิสิกส์ของไฟฟ้าเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและอนุภาคที่มีประจุอื่นๆ ในสารต่างๆ ดังนั้น ความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับธรรมชาติของปรากฏการณ์ที่เราสนใจจึงขึ้นอยู่กับระดับความรู้เกี่ยวกับอะตอมและอนุภาคย่อยของอะตอมอิเล็กตรอนขนาดเล็กเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจนี้ อะตอมของสารใดๆ ประกอบด้วยอิเล็กตรอนตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไปที่เคลื่อนที่ในวงโคจรต่างๆ รอบนิวเคลียส เช่นเดียวกับที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ โดยปกติจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมจะเท่ากับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส อย่างไรก็ตาม โปรตอนซึ่งหนักกว่าอิเล็กตรอนมาก ถือได้ว่าจับจ้องอยู่ที่ศูนย์กลางของอะตอม แบบจำลองอะตอมแบบง่ายสุด ๆ นี้เพียงพอที่จะอธิบายพื้นฐานของปรากฏการณ์เช่นฟิสิกส์ของไฟฟ้า
ต้องรู้อะไรอีก? อิเล็กตรอนและโปรตอนมีประจุไฟฟ้าเท่ากัน (แต่มีสัญลักษณ์ต่างกัน) พวกมันจึงถูกดึงดูดเข้าหากัน ประจุของโปรตอนเป็นบวกและของอิเล็กตรอนเป็นลบ อะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากหรือน้อยกว่าปกติเรียกว่าไอออน หากในอะตอมมีไม่เพียงพอก็จะเรียกว่าไอออนบวก หากมีส่วนเกินจะเรียกว่าไอออนลบ
เมื่ออิเล็กตรอนออกจากอะตอม จะได้รับประจุบวก อิเล็กตรอนที่ถูกลิดรอนจากสิ่งที่ตรงกันข้าม - โปรตอน จะเคลื่อนที่ไปยังอะตอมอื่น หรือจะกลับไปเป็นอะตอมก่อนหน้า
ทำไมอิเล็กตรอนถึงออกจากอะตอม
เกิดจากหลายสาเหตุ โดยทั่วไปที่สุดคือภายใต้อิทธิพลของพัลส์แสงหรืออิเล็กตรอนภายนอกบางอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในอะตอมสามารถหลุดออกจากวงโคจรได้ ความร้อนทำให้อะตอมสั่นสะเทือนเร็วขึ้น ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนสามารถบินออกจากอะตอมได้ ในปฏิกิริยาเคมี พวกมันยังย้ายจากอะตอมไปยังอะตอม
ตัวอย่างที่ดีของความสัมพันธ์ระหว่างกิจกรรมทางเคมีและไฟฟ้านั้นมาจากกล้ามเนื้อของเรา เส้นใยของพวกมันหดตัวเมื่อได้รับสัญญาณไฟฟ้าจากระบบประสาท กระแสไฟฟ้ากระตุ้นปฏิกิริยาเคมี พวกเขานำไปสู่การหดตัวของกล้ามเนื้อ สัญญาณไฟฟ้าภายนอกมักใช้เพื่อกระตุ้นการทำงานของกล้ามเนื้อเทียม
การนำ
ในสารบางชนิด อิเล็กตรอนภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าภายนอกจะเคลื่อนที่อย่างอิสระมากกว่าในสารอื่นๆ สารดังกล่าวมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าได้ดี พวกเขาถูกเรียกว่าตัวนำ ซึ่งรวมถึงโลหะส่วนใหญ่ ก๊าซร้อน และของเหลวบางชนิด อากาศ ยาง น้ำมัน โพลิเอทิลีนและแก้วเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดี พวกเขาเรียกว่าไดอิเล็กทริกและใช้สำหรับป้องกันตัวนำไฟฟ้าที่ดี ไม่มีฉนวนในอุดมคติ (ที่ไม่นำไฟฟ้าอย่างแน่นอน) ภายใต้เงื่อนไขบางประการ อิเล็กตรอนสามารถถูกกำจัดออกจากอะตอมใดๆ ก็ได้ อย่างไรก็ตาม เงื่อนไขเหล่านี้มักจะทำได้ยากจน จากมุมมองเชิงปฏิบัติ สารดังกล่าวถือได้ว่าไม่นำไฟฟ้า
ทำความคุ้นเคยกับวิทยาศาสตร์เช่นฟิสิกส์ (หมวด "ไฟฟ้า") เราเรียนรู้ว่ามีกลุ่มของสารพิเศษ เหล่านี้คือเซมิคอนดักเตอร์ พวกมันมีลักษณะเป็นไดอิเล็กทริกและบางส่วนเป็นตัวนำ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง: เจอร์เมเนียม ซิลิกอน คอปเปอร์ออกไซด์ เนื่องจากคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำจึงพบการใช้งานที่หลากหลาย ตัวอย่างเช่น สามารถใช้เป็นวาล์วไฟฟ้า เช่น วาล์วยางรถจักรยาน itยอมให้ประจุเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวเท่านั้น อุปกรณ์ดังกล่าวเรียกว่าวงจรเรียงกระแส ใช้ในวิทยุขนาดเล็กและโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่เพื่อแปลงไฟ AC เป็น DC
ความร้อนเป็นรูปแบบการเคลื่อนที่ของโมเลกุลหรืออะตอมที่วุ่นวาย และอุณหภูมิเป็นตัววัดความเข้มของการเคลื่อนที่นี้ (ในโลหะส่วนใหญ่ เมื่ออุณหภูมิลดลง การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะเป็นอิสระมากขึ้น) ซึ่งหมายความว่าความต้านทานต่อการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอย่างอิสระจะลดลงตามอุณหภูมิที่ลดลง กล่าวอีกนัยหนึ่ง ค่าการนำไฟฟ้าของโลหะเพิ่มขึ้น
ตัวนำยิ่งยวด
ในสารบางชนิดที่อุณหภูมิต่ำมาก ความต้านทานต่อการไหลของอิเล็กตรอนจะหายไปอย่างสมบูรณ์ และอิเล็กตรอนเริ่มเคลื่อนที่ต่อไปอย่างไม่มีกำหนด ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าตัวนำยิ่งยวด ที่อุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ไม่กี่องศา (-273 °C) พบได้ในโลหะ เช่น ดีบุก ตะกั่ว อะลูมิเนียม และไนโอเบียม
เครื่องปั่นไฟ Van de Graaff
หลักสูตรของโรงเรียนประกอบด้วยการทดลองไฟฟ้าต่างๆ เครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีหลายประเภท หนึ่งในนั้นที่เราอยากพูดถึงในรายละเอียดเพิ่มเติม เครื่องกำเนิดไฟฟ้า Van de Graaff ใช้ในการผลิตไฟฟ้าแรงสูงพิเศษ หากวางวัตถุที่มีไอออนบวกมากเกินไปไว้ในภาชนะ อิเล็กตรอนก็จะปรากฏขึ้นที่พื้นผิวด้านในของส่วนหลัง และจำนวนไอออนบวกเท่ากันจะปรากฏบนพื้นผิวด้านนอก หากตอนนี้เราสัมผัสพื้นผิวด้านในด้วยวัตถุที่มีประจุ อิเล็กตรอนอิสระทั้งหมดก็จะผ่านไป ด้านนอกประจุบวกจะยังคงอยู่
ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า Van de Graaff ไอออนบวกจากแหล่งกำเนิดจะถูกนำไปใช้กับสายพานลำเลียงภายในทรงกลมโลหะ เทปเชื่อมต่อกับพื้นผิวด้านในของทรงกลมโดยใช้ตัวนำในรูปแบบของหวี อิเล็กตรอนไหลลงมาจากพื้นผิวด้านในของทรงกลม ไอออนบวกปรากฏที่ด้านนอก สามารถเพิ่มประสิทธิภาพเอฟเฟกต์ได้โดยใช้เครื่องกำเนิดสองตัว
กระแสไฟ
วิชาฟิสิกส์ของโรงเรียนยังรวมถึงเรื่องเช่นกระแสไฟฟ้าด้วย มันคืออะไร? กระแสไฟฟ้าเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า เมื่อเปิดตะเกียงไฟฟ้าที่ต่อกับแบตเตอรี่แล้ว กระแสไฟจะไหลผ่านสายไฟจากขั้วหนึ่งไปยังขั้วของแบตเตอรี่ แล้วไหลผ่านเส้นผมของมัน ทำให้มันเรืองแสง และย้อนกลับผ่านสายที่สองไปยังอีกขั้วหนึ่งของแบตเตอรี่. หากเปิดสวิตช์ วงจรจะเปิดขึ้น - กระแสจะหยุดและไฟดับ
การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน
กระแสในกรณีส่วนใหญ่เป็นการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในโลหะที่ทำหน้าที่เป็นตัวนำ ในตัวนำทั้งหมดและสารอื่นๆ มักจะมีการเคลื่อนไหวแบบสุ่มอยู่เสมอ แม้ว่าจะไม่มีกระแสไหลก็ตาม อิเล็กตรอนในสสารสามารถค่อนข้างอิสระหรือถูกผูกมัดอย่างแน่นหนา ตัวนำที่ดีจะมีอิเล็กตรอนอิสระที่สามารถเคลื่อนที่ไปมาได้ แต่ในตัวนำหรือฉนวนที่ไม่ดี อนุภาคเหล่านี้ส่วนใหญ่เชื่อมต่อกับอะตอมอย่างแน่นหนา ซึ่งป้องกันการเคลื่อนที่ของพวกมัน
บางครั้งการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในทิศทางใดทิศทางหนึ่งถูกสร้างขึ้นโดยธรรมชาติหรือโดยธรรมชาติในตัวนำ กระแสนี้เรียกว่ากระแสไฟฟ้า มีหน่วยวัดเป็นแอมแปร์ (A) ไอออน (ในรูปของก๊าซหรือสารละลาย) และ “รู” (สารกึ่งตัวนำบางชนิดขาดอิเล็กตรอน) ก็สามารถทำหน้าที่เป็นพาหะกระแสได้เช่นกัน ตัวหลังมีลักษณะเหมือนตัวพากระแสไฟฟ้าที่มีประจุบวก จำเป็นต้องมีแรงบางอย่างเพื่อทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวหรือ อื่น ๆ ในธรรมชาติแหล่งที่มาสามารถ: การสัมผัสกับแสงแดดผลกระทบจากแม่เหล็กและปฏิกิริยาเคมีบางส่วนใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าโดยปกติเพื่อจุดประสงค์นี้คือ: เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้เอฟเฟกต์แม่เหล็กและเซลล์ (แบตเตอรี่) ที่มีการกระทำ ต่อปฏิกิริยาเคมี อุปกรณ์ทั้งสองสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวผ่านวงจร ค่า EMF วัดเป็นโวลต์ (V) ซึ่งเป็นหน่วยพื้นฐานของไฟฟ้า
ขนาดของ EMF และความแรงของกระแสเชื่อมต่อกัน เช่น แรงดันและการไหลของของเหลว ท่อน้ำมักจะเต็มไปด้วยน้ำที่แรงดันที่แน่นอน แต่น้ำจะเริ่มไหลเมื่อเปิดก๊อกน้ำเท่านั้น
ในทำนองเดียวกัน วงจรไฟฟ้าสามารถเชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิด EMF ได้ แต่กระแสจะไม่ไหลเข้าไปจนกว่าจะมีการสร้างเส้นทางเพื่อให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปพร้อมกัน อาจเป็นตะเกียงไฟฟ้าหรือเครื่องดูดฝุ่นก็ได้ สวิตช์ที่นี่ทำหน้าที่เป็นก๊อกที่ "ปล่อย" กระแสไฟฟ้า
ความสัมพันธ์ระหว่างปัจจุบันกับแรงดันไฟฟ้า
เมื่อแรงดันในวงจรเพิ่มขึ้น กระแสก็เช่นกัน ในการศึกษาหลักสูตรฟิสิกส์ เราได้เรียนรู้ว่าวงจรไฟฟ้าประกอบด้วยส่วนต่างๆ ที่แตกต่างกัน: โดยปกติคือสวิตช์ ตัวนำ และอุปกรณ์ที่ใช้ไฟฟ้า ทั้งหมดเชื่อมต่อกันทำให้เกิดความต้านทานต่อกระแสไฟฟ้า ซึ่ง (โดยสมมติอุณหภูมิคงที่) สำหรับส่วนประกอบเหล่านี้จะไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา แต่จะแตกต่างกันไปสำหรับแต่ละรายการ ดังนั้น หากใช้แรงดันไฟฟ้าเดียวกันกับหลอดไฟและกับเตารีด การไหลของอิเล็กตรอนในแต่ละอุปกรณ์จะแตกต่างกัน เนื่องจากความต้านทานต่างกัน ดังนั้น ความแรงของกระแสที่ไหลผ่านบางส่วนของวงจรจึงไม่ได้ถูกกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังกำหนดโดยความต้านทานของตัวนำและอุปกรณ์ด้วย
กฎของโอห์ม
ค่าความต้านทานไฟฟ้ามีหน่วยเป็นโอห์ม (โอห์ม) ในวิทยาศาสตร์เช่นฟิสิกส์ ไฟฟ้า (สูตร คำจำกัดความ การทดลอง) เป็นหัวข้อกว้างใหญ่ เราจะไม่ได้มาซึ่งสูตรที่ซับซ้อน สำหรับความคุ้นเคยครั้งแรกกับหัวข้อที่กล่าวมาข้างต้นก็เพียงพอแล้ว อย่างไรก็ตาม สูตรหนึ่งยังคงคุ้มค่าที่จะได้รับ เธอค่อนข้างไม่ซับซ้อน สำหรับตัวนำหรือระบบของตัวนำและอุปกรณ์ใดๆ ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดัน กระแส และความต้านทาน ถูกกำหนดโดยสูตร: แรงดัน=กระแส x ความต้านทาน นี่คือนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ของกฎของโอห์ม ซึ่งตั้งชื่อตามจอร์จ โอห์ม (ค.ศ. 1787-1854) ซึ่งเป็นคนแรกที่กำหนดความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์ทั้งสามนี้
ฟิสิกส์ของไฟฟ้าเป็นสาขาวิทยาศาสตร์ที่น่าสนใจมาก เราได้พิจารณาเฉพาะแนวคิดพื้นฐานที่เกี่ยวข้องเท่านั้น เธอรู้รึเปล่าไฟฟ้าคืออะไรและเกิดขึ้นได้อย่างไร? เราหวังว่าคุณจะพบว่าข้อมูลนี้มีประโยชน์
