Fisika listrik: definisi, eksperimen, satuan pengukuran

Fisika listrik adalah apa yang setiap orang harus hadapi. Dalam artikel tersebut kita akan mempertimbangkan konsep dasar yang terkait dengannya.

Apa itu listrik Bagi orang yang belum tahu, itu terkait dengan kilatan petir atau dengan memberi makan energi TV dan mesin cuci. Dia tahu bahwa kereta listrik menggunakan energi listrik. Apa lagi yang bisa dia katakan? Tentang ketergantungan kita pada listrik, itu mengingatkan pada kabel listrik. Seseorang akan bisa memberikan beberapa contoh lainnya.

Namun, banyak lainnya, tidak begitu jelas, tapi fenomena sehari-hari terhubung dengan listrik. Dengan semua itu kita diperkenalkan oleh fisika. Listrik (tugas, definisi dan rumus) kita mulai belajar di sekolah. Dan kita belajar banyak hal menarik. Ternyata jantung berdebar kencang, atlet yang sedang berlari, anak yang sedang tidur dan ikan mengambang - semuanya menghasilkan energi listrik.

Elektron dan proton

Mari kita definisikan konsep dasarnya. Dari sudut pandang ilmuwan, fisika listrik dikaitkan dengan gerak elektron dan partikel bermuatan lainnya dalam berbagai zat. Oleh karena itu, pemahaman ilmiah tentang sifat fenomena yang menarik bagi kita bergantung pada tingkat pengetahuan tentang atom dan partikel subatomis penyusunnya. Kunci pemahaman ini adalah elektron mungil. Atom dari zat apa pun mengandung satu atau lebih elektron yang bergerak dalam orbit yang berbeda di sekitar nukleus saat planet berputar mengelilingi Matahari. Biasanya jumlah elektron dalam atom sama dengan jumlah proton di dalam nukleus. Namun, proton, yang jauh lebih berat daripada elektron, dapat dianggap tetap di pusat atom. Model atom yang sangat disederhanakan ini cukup cukup untuk menjelaskan dasar-dasar fenomena seperti fisika listrik.

Apa lagi yang perlu saya ketahui? Elektron dan proton memiliki muatan listrik yang sama (tapi berbeda tanda), sehingga saling tertarik satu sama lain. Biaya proton positif, dan muatan elektron negatif. Atom yang memiliki elektron lebih banyak atau lebih sedikit dari biasanya disebut ion. Jika tidak cukup banyak di dalam atom, itu disebut ion positif. Jika mengandung kelebihannya, itu disebut ion negatif.

Ketika sebuah elektron meninggalkan atom, ia memperoleh muatan positif tertentu. Sebuah elektron, tanpa kebalikannya - sebuah proton, bergerak ke atom lain, atau kembali ke yang pertama.

Mengapa elektron meninggalkan atom?

Ada beberapa alasan untuk ini. Yang paling umum adalah bahwa di bawah aksi pulsa ringan atau elektron eksternal, elektron yang bergerak dalam atom dapat terlepas dari orbitnya. Panas menyebabkan atom berosilasi lebih cepat. Ini berarti elektron bisa terbang keluar dari atom mereka. Dalam reaksi kimia, mereka juga bergerak dari atom ke atom.

Contoh bagus dari hubungan antara aktivitas kimia dan listrik memberi kita otot. Serat mereka dikurangi dengan aksi sinyal listrik yang berasal dari sistem saraf. Arus listrik merangsang reaksi kimia. Inilah yang menyebabkan kontraksi otot. Sinyal listrik eksternal sering digunakan untuk merangsang aktivitas otot secara artifisial.

Konduktivitas

Pada beberapa zat, elektron yang berada di bawah aksi medan listrik eksternal bergerak lebih leluasa daripada yang lain. Dikatakan bahwa zat tersebut memiliki konduktivitas yang baik. Mereka disebut konduktor. Ini termasuk kebanyakan logam, gas yang dipanaskan dan beberapa cairan. Udara, karet, minyak, polietilen dan kaca tidak bisa menyalurkan listrik dengan baik. Mereka disebut dielektrik dan digunakan untuk mengisolasi konduktor yang baik. Isolator ideal (benar-benar tidak melakukan arus) tidak ada. Dalam kondisi tertentu, elektron bisa dikeluarkan dari atom manapun. Namun, biasanya kondisi ini sangat sulit untuk dipenuhinya dari sudut pandang praktis, zat semacam itu bisa dianggap non-konduktif.

Berkenalan dengan ilmu seperti fisika (bagian "Listrik"), kita belajar bahwa ada kelompok zat khusus. Ini adalah semikonduktor. Mereka berperilaku sebagian sebagai dielektrik, dan sebagian lagi sebagai konduktor. Ini termasuk, khususnya, germanium, silikon, tembaga oksida. Karena sifatnya, semikonduktor menemukan banyak aplikasi. Misalnya, katup ini bisa berfungsi sebagai katup listrik: seperti katup ban sepeda, ini memungkinkan muatan bergerak hanya dalam satu arah. Perangkat seperti itu disebut rectifiers. Mereka digunakan dalam receiver radio miniatur, dan pada pembangkit listrik besar untuk mengubah AC menjadi DC.

Panas adalah bentuk gerak kacau molekul atau atom, dan suhu adalah ukuran intensitas gerakan ini (untuk sebagian besar logam dengan penurunan suhu, pergerakan elektron menjadi lebih bebas). Ini berarti bahwa perlawanan terhadap pergerakan elektron bebas menurun dengan penurunan suhu. Dengan kata lain, konduktivitas logam meningkat.

Superkonduktivitas

Pada beberapa zat, pada suhu yang sangat rendah, hambatan terhadap aliran elektron hilang sepenuhnya, dan elektron, setelah memulai mosi, teruskan tanpa batas. Fenomena ini disebut superkonduktivitas. Pada suhu beberapa derajat di atas nol mutlak (-273 ° C), diamati pada logam seperti timah, timbal, aluminium, dan niobium.

Generator Van de Graaf

Kurikulum sekolah mencakup berbagai percobaan dengan listrik. Ada beberapa jenis generator, yang kami ingin sampaikan secara lebih rinci. Generator Van de Graaf digunakan untuk menghasilkan tegangan ultrahigh. Jika suatu benda yang mengandung kelebihan ion positif ditempatkan di dalam wadah, maka pada permukaan bagian dalam yang terakhir akan muncul elektron, dan di luar - jumlah ion positif yang sama. Jika sekarang kita menyentuh permukaan bagian dalam benda bermuatan, maka semua elektron bebas akan melewatinya. Di luar, bagaimanapun, biaya positif tetap ada.

Pada generator Van de Graaf, ion positif dari sumber diaplikasikan pada ban berjalan yang lewat di dalam bola logam. Rekaman itu dihubungkan ke permukaan dalam bola melalui konduktor dalam bentuk sisir. Elektron mengalir dari permukaan bagian dalam bola. Di luar, ion positif muncul. Efeknya bisa ditingkatkan dengan menggunakan dua generator.

Arus listrik

Di bidang fisika sekolah ada juga yang namanya arus listrik. Apa itu Arus listrik ini disebabkan oleh pergerakan muatan listrik. Bila lampu listrik yang tersambung ke baterai dinyalakan, arus mengalir sepanjang kabel dari satu kutub baterai ke lampu, lalu melalui rambutnya, menyebabkannya bersinar, dan kembali kembali sepanjang kabel kedua ke kutub lain dari baterai. Jika saklar dinyalakan, sirkuit akan terbuka - arus akan berhenti dan lampu akan padam.

Gerak elektron

Arus dalam kebanyakan kasus adalah gerakan elektron yang dipesan dalam logam yang berfungsi sebagai konduktor. Di semua konduktor dan beberapa zat lainnya, beberapa gerakan acak selalu terjadi, meski arusnya tidak mengalir. Elektron dalam materi bisa relatif bebas atau sangat terikat. Konduktor yang baik memiliki elektron bebas yang bisa bergerak. Tetapi pada konduktor atau insulator yang buruk, sebagian besar partikel ini cukup terhubung erat dengan atom, yang menghambat gerakan mereka.

Terkadang cara alami atau buatan pada konduktor menciptakan pergerakan elektron ke arah tertentu. Aliran ini disebut arus listrik. Hal ini diukur dalam ampere (A). Pembawa arus juga dapat berupa ion (dalam gas atau larutan) dan "lubang" (kekurangan elektron pada jenis semikonduktor tertentu, yang berperilaku sebagai pembawa arus listrik bermuatan positif.) Untuk memaksa elektron bergerak satu arah atau lainnya, diperlukan beberapa kekuatan. Sumbernya bisa berupa: terpapar sinar matahari, efek magnetik dan reaksi kimia, beberapa di antaranya digunakan untuk menghasilkan arus listrik, biasanya untuk tujuan ini: generator yang menggunakan efek magnetik, dan Elemen (baterai), yang aksinya disebabkan oleh reaksi kimia. Dua perangkat ini, menciptakan gaya gerak listrik (MGF), menyebabkan elektron bergerak dalam satu arah sepanjang rangkaian. Besarnya EMF diukur dalam volt (V). Ini adalah unit dasar pengukuran listrik.

Besarnya EMF dan kekuatan arus saling terkait satu sama lain seperti tekanan dan aliran dalam cairan. Pipa air selalu diisi dengan air di bawah tekanan tertentu, tapi air mulai mengalir hanya saat keran dibuka.

Demikian pula, rangkaian listrik dapat dihubungkan ke sumber EMF, namun arus di dalamnya tidak akan mengalir sampai jalur terbentuk dimana elektron dapat bergerak. Bisa jadi, misalnya, lampu listrik atau penyedot debu, peralihan di sini memainkan peran keran yang "memungkinkan" arus.

Hubungan antara arus dan tegangan

Saat tegangan di sirkuit naik, arus juga meningkat. Mempelajari mata pelajaran fisika, kita belajar bahwa rangkaian listrik terdiri dari beberapa bagian yang berbeda: biasanya itu adalah sebuah sakelar, konduktor dan perangkat adalah konsumen listrik. Semuanya, terhubung bersama, menciptakan ketahanan terhadap arus listrik, yang (di bawah kondisi suhu konstan) agar komponen ini tidak berubah seiring waktu, namun masing-masing berbeda. Oleh karena itu, jika voltase yang sama diterapkan pada bola lampu dan setrika, arus elektron di masing-masing instrumen akan berbeda, karena tahanannya berbeda. Akibatnya, arus yang mengalir melalui bagian sirkuit tertentu tidak hanya ditentukan oleh voltase, tetapi juga oleh ketahanan konduktor dan perangkat.

Hukum Ohm

Besarnya hambatan listrik diukur dalam ohm (ohms) dalam ilmu seperti fisika. Listrik (rumus, definisi, eksperimen) adalah topik yang luas. Kami tidak akan mendapatkan formula yang rumit. Untuk kenalan pertama dengan topik tersebut, sudah cukup dikatakan di atas. Namun, satu formula masih layak ditarik. Ini cukup sederhana. Untuk setiap konduktor atau sistem konduktor dan perangkat, hubungan antara tegangan, arus dan hambatan diberikan dengan rumus: tegangan = arus x resistansi. Ini adalah ekspresi matematis hukum Ohm, dinamai George Ohm (1787-1854), yang pertama kali membangun hubungan ketiga parameter ini.

Fisika listrik adalah bagian sains yang sangat menarik. Kami hanya mempertimbangkan konsep dasar yang terkait dengannya. Anda telah belajar tentang listrik apa, bagaimana bentuknya. Kami berharap informasi ini bermanfaat bagi anda.