Հիմնական էլեկտրական մեծություններ․ հոսանք, լարում, հզորություն

Լարման ու էլեկտրական հոսանքի հասկացությունները էլեկտրականության անկյունաքարերն են։ Մենք կստեղծենք այս հիմնական էլեկտրական մեծությունների մեր առաջին մտավոր մոդելները։ Կխոսենք նաև հզորության մասին, որն ի հայտ է գալիս, երբ լարումն ու էլեկտրական հոսանքը գործում են միասին։

Էլեկտրականություն հասկացությունն առաջացել է բնությունն ուսումնասիրելիս։ Մարդիկ նկատել են, որ մարմինների միջև կա գրավիտացիայի նման մի ուժ, որն ազդում է հեռավորության վրա։ Այս ուժի աղբյուրն անվանել են լիցք։ Շատ ուշագրավ փաստ է այն, որ էլեկտրական ուժն ուժեղ է, այն շատ ավելի մեծ է գրավիտացիոն ուժից։ Սակայն, ի տարբերություն գրավիտացիայի, գոյություն ունեն երկու տեսակի էլեկտրական լիցքեր։ Հականուն լիցքերն իրար ձգում են, իսկ նույնանուն լիցքերը՝ վանում։ Գրավիտացիայում կա միայն մեկ տեսակի փոխազդեցություն։ Այն միշտ ձգողական է, երբեք՝ վանողական։

էլեկտրական հաղորդիչները կազմված են ատոմներից, որոնց արտաքին, կամ վալենտական, էլեկտրոնները թույլ են կապված միջուկի հետ, ինչպես ցույց է տրված ստորև բերված պղնձի ատոմի նկարում։ Վալենտական էլեկտրոնները, ի տարբերություն միջուկին ավելի ուժեղ կապված էլեկտրոնների, կարող են մի ատոմից ցատկել մյուսի վրա՝ առաջացնելով էլեկտրոնների խումբ, որոնցից ոչ մեկը չի ասոցացվում որևէ կոնկրետ ատոմի հետ։ Շատ փոքր էլեկտրական ուժը կարող է ստիպել այդ էլեկտրոնների խմբին շարժվել։ Պղինձը, ոսկին, արծաթն ու ալյումինը լավ հաղորդիչներ են։ Լավ հաղորդիչ է նաև աղաջուրը։

Գոյություն ունեն նաև թույլ հաղորդիչներ։ Վոլֆրամը, որն օգտագործվում է էլեկտրական լամպի թելերի համար, ադամանդի տեսքով ածխածինը համեմատաբար թույլ հաղորդիչներ են, քանի որ նրանց էլեկտրոններն ավելի քիչ են հակված տեղաշարժվելու։

Էլեկտրական մեկուսիչները (դիէլեկտրիկները) այնպիսի նյութեր են, որոնց ատոմների արտաքին էլեկտրոններն ամուր կապված են միջուկի հետ։ Համեմատաբար թույլ էլեկտրական ուժերն ի վիճակի չեն պոկել այս էլեկտրոններին։ Ատոմի շուրջ էլեկտրական ամպերը ձգվում կամ սեղմվում են, երբ էլեկտրական ուժ է կիրառվում։ Սակայն էլեկտրոնները չեն պոկվում։ Ապակին, պլաստմասը, քարը և օդը դիէլեկտրիկներ են։ Այնուամենայնիվ, նույնիսկ դիէլեկտրիկներից կարելի է պոկել էլեկտրոններ, եթե կիրառվող էլէեկտրական ուժը բավականին մեծ լինի։ Այս երևույթը կոչվում է դիէլեկտրիկի բևեռացում։ Այն է տեղի ունենում օդի մոլեկուլներում, երբ կայծ է առաջանում։

Կիսահաղորդիչներն այնպիսի նյութեր են, որոնք իրենց հատկություններով գտնվում են դիէլեկտրիկների և հաղորդիչների արանքում։ Սովորաբար դրանք իրենց պահում են որպես դիէլեկտրիկներ, սակայն որոշակի հանգամանքներում դառնում են հաղորդիչներ։ Առավել հայտնի կիսահաղորդիչ է Սիլիցիումը ($14$‍ ատոմային թիվ)։ Սիլիցիումի հաղորդիչ և դիէլեկտրիկ հատկությունները վերահսկելու մեր կարողությունը թույլ է տալիս ստեղծել այնպիսի ժամանակակից գիտական հրաշքներ, ինչպիսիք են համակագիչն ու բջջային հեռախոսը։ Թե ինչպես են աշխատում կիսահաղորդիչները ատոմային մակարդակում, բացատրվում է քվանտային մեխանիկայի տեսությունով։

Լիցքավորված մասնիկների ուղղորդված շարժումը կոչվում է Էլեկտրական հոսանք ։

Մի քանի դիտարկում էլեկտրական հոսանքի մասին

Երբ միավոր ժամանակում հաղորդչի հատույթով լիցք է անցնում, առաջանում է էլեկտրական հոսանք։ Պատկերացնենք հաղորդչի հատույթը լայնական է։ Կանգնենք հատույթի մոտ և հաշվենք անցած լիցքերի քանակը։ Նշենք մեկ վայրկյանում լայնական հատույթով անցած լիցքերի թիվը։ Դրական էլեկտրական հոսանքի ուղղությունն այն ուղղությունն է, որով կշարժվեր դրական լիցքը։

Քանի որ հոսանքի ուժը տվյալ ժամանակամիջոցում հաղորդչի լայնական հատույթով անցած լիցքի քանակն է, ապա մաթեմատիկորեն այն կարելի է արտահայտել հետևյալ հավասարմամբ.

Այն հոսանքի ուժն է մակերևույթին։

Ի՞նչն է հոսում մետաղի մեջ։ Քանի որ էլետրոններն ազատ շաժվում են մետաղների մեջ, ապա դրանք են ձևավորում մետաղներում էլեկտրական հոսանքը։ Մետաղների դրական ատոմները ֆիքսված են իրենց տեղերում և ներդրում չունեն էլեկտրական հոսանքում։ Չնայած էլեկտրոններն ունեն բացասական լիցք և բոլոր էլեկտրական շղթաներում նրանք են էլեկտրական հոսանք ձևավորողները, սակայն դեռևս սահմանում ենք դրական էլեկտրական հոսանքի ուղղություն, որպես այնպիսի ուղղություն, որով դրական լիցքը կշարժվեր։ Սա շատ հին պատմական սահմանում է։

Հնարավո՞ր է էլեկտրական հոսանքը պայմանավորված դրական լիցքավորված մասնիկների ուղղորդված շարժմամբ։ Այո։ Կան բազմաթիվ օրինակներ։Աղաջրի մեջ էլեկտրական հոսանքը պայմանավորված է և՛ դրական, և՛ բացասական լիցքավորված մասնիկների ուղղորդված շարժմամբ։ Եթե սովորական կերակրի աղը լուծենք ջրի մեջ, այն լավ հաղորդիչ կդառնա։ Կերակրի աղը նատրիումի քլորիդ է, NaCl։ Այն տրոհվում է ջրում ազատ լողացող $N{a}^{+}$‍-ի և $C{l}^{-}$‍-ի իոնների։ Երկու իոններն էլ ազդվում են էլեկտրական ուժի կողմից և շարժվում են աղաջրի լուծույթում հակառակ ուղղություններով։ Այս դեպքում էլեկտրական հոսանքը ոչ թե էլեկտրոնների ուղղորդված շարժումն է, այլ ատոմների՝ դրական և բացասական իոնների։ Մեր մարմնում էլեկտրական հոսանքը պայմանավորված է դրական և բացասական իոնների շարժմամբ։ Այս դեպքում էլ հոսանքի սահմանումը նույնն է. այն տրված ժամանակում անցած լիցքի քանակն է։

Ո՞րն է էլեկտրական հոսանքի առաջացման պատճառը։ Լիցքավորված մասնիկներին շարժման մեջ են դնում էլեկտրական և մագնիսական ուժերը։ Այս ուժերը ստեղծվում են էլեկտրական և մագնիսական դաշտերի կողմից, որոնք էլ իրենց հերթին առաջանում են այլ լիցքերի տեղակայման և շարժման հետևանքով։

Ո՞րն է հոսանքի արագությունը։ Ընդունված չէ խոսել էլեկտրական հոսանքի արագության մասին։ "Ինչքա՞ն արագ է հոսանքը հոսում" հարցին պատասխանելու համար պետք է հասկանանք շատ խճճված ֆիզիկական երևույթ, որը միշտ չէ, որ կարևոր է։ Ավելի հաճախ, մենք պատասխանում ենք "Ի՞նչ քանակությամբ հոսանք է հոսում" լրիվ ժամանակամիջոցում հարցին։

Ինչպե՞ս պետք է խոսել էլեկտրական հոսանքի մասին։ Երբ քննարկում ենք հոսանքի ուժը, կիրառում ենք միջով և մեջ արտահայտությունները։ Ասում ենք՝ հոսանքի ուժն անցնում է ռեզիստորի միջով, հոանք կա հաղորդալարի մեջ։ Սխալ է ասել՝ «հոսանք մետաղալարի երկայնքով»։

Լարման հասկացության մասին նախնական պատկերացում ստանալու համար դիտարկենք դրա անալոգը։

$m$‍ զանգվածով մարմնի համար, $h$‍ բարձրության փոփոխությունը բերում է պոտենցիալ էներգիայի փոփոխության $\mathrm{\Delta }U=mg\mathrm{\Delta }h$‍։

Լիցքավորված $q$‍ մասնիկի համար, $V$‍ լարումը համեմատական է պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությանը $\mathrm{\Delta }U=qV$‍։

Էլեկտրական շղթայում լարումը $g\cdot \mathrm{\Delta }h$‍ արտադրյալի համարժեքն է, որտեղ $g$‍-ն ազատ անկման արագացումն է, իսկ $\mathrm{\Delta }h$‍-ը՝ բարձրության փոփոխությունը։

Բլրի գագաթին գտնվող գնդակը գլորվում է ներքև։ Կես ճանապարհն անցնելուց հետո, այն կորցրնում է իր պոտենցիալ էներգիայի կեսը։

Էլեկտրական շղթայի լարման "բլրի" գագաթում գտնվող էլեկտրոնը շարժվում է "զառիթափով վար"։ Ճանապարհին կատարելով աշխատանք՝ այն կորցնում է իր պոտենցիալ էներգիան։ Երբ էլեկտրոնն անցնում է իր ճանապարհի մեկ երկրորը, այն կորցնում կամ ծախսում է իր պոտենցիալ էներգիայի կեսը։

Թե՛ Էլեկտրոնի, թե՛ գնդակի համար բլրով ներքև շարժումն ինքնաբերաբար է։ Գնդակն ու էլեկտրոնը ինքնուրույն շարժվում են դեպի ավելի փոքր էներգիայով վիճակ։Դեպի ներքև ճանապարհին գնդակը կարող է հանդիպել խոչընդոտների (օրինակ՝ ծառի) և հարվածելով դրանց՝ հետ ցատկել։ Մետաղալարերի միջով կարող ենք ուղղորդել էլեկտրոններ և ստիպել նրանց հոսել էլեկտրական բաղադրիչների միջով (էլեկտրական շղթայի էսքիզ)՝ ճանապարհին կատարելով հետաքրքիր բաներ։

Մաթեմատիկորեն երկու կետերի միջև լարումը կարող ենք արտահայտել որպես լիցքի կրած էներգիայի փոփոխություն։

Դա լարման ինտուիտիվ նկարագրությունն է։

Հզորությունը ժամանակի ընթացքում էներգիայի ($\text{U}$‍) փոխակերպման կամ փոխանցման արագությունն է։ Հոսանքի հզորությունը չափում ենք ջոուլ/վայրկյան միավորներով, որը հայտնի է նաև որպես վատտ։

($1\text{վատտ}=1\text{ջոուլ}/\text{վայրկյան}$‍)

Էլեկտրական շղթան ի վիճակի է տեղափոխել հզորություն։ Հոսանքի ուժը լիցքավորված մասնիկների հոսքի արագությունն է, իսկ լարումը՝ միավոր լիցքի տեղափոխած էներգիան։ Այս սահմանումները տեղադրենք հզորության բանաձևի մեջ.

Էլեկտրական հզորությունը հավասար է հոսանքի ուժի և լարման արտադրյալին՝ վատտ միավորներով։

Հոսանքի ուժի և լարման այս մոդելները թույլ կտան մեզ ուսումնասիրել բոլոր տեսակի հետաքրքիր էլեկտրական շղթաները։

Եթե ցանկանում ենք իմանալ ավելին, քան լարման այս ինտուիտիվ նկարագրությունը, ապա կարող եք կարդալ հետևյալ էլեկտրական պոտենցիալ և լարում ավելի մաթեմատիկական նկարագրությունը։