Me çfarë shpejtësie kalon rryma elektrike nëpër tela? Me çfarë shpejtësie lëviz elektroni?

Një pyetje e parëndësishme, nëse jo retorike, apo jo? Të gjithë kemi studiuar fizikë në shkollë dhe mbajmë mend mirë se shpejtësia e rrymës elektrike në një përcjellës është e barabartë me shpejtësinë e përhapjes së pjesës së përparme të një valë elektromagnetike, domethënë e barabartë me shpejtësinë e dritës. Por në të njëjtat mësime të fizikës, na u treguan një sërë eksperimentesh interesante ku mund t'i shihnim vetë. Le të kujtojmë të paktën eksperimentet e jashtëzakonshme me një makinë elektrofore, ebonit, magnet të përhershëm, etj. Por eksperimentet për matjen e shpejtësisë së rrymës elektrike nuk u shfaqën as në universitet, duke përmendur mungesën e pajisjeve të nevojshme dhe kompleksitetin e këtyre eksperimenteve. Gjatë dekadave të fundit, shkenca e aplikuar ka bërë një hap të madh përpara, dhe tani shumë amatorë kanë pajisje në shtëpi që as laboratorët shkencorë nuk i ëndërronin disa dekada më parë. Prandaj, ka ardhur koha që të fillojmë të tregojmë përvojë në matjen e shpejtësisë së rrymës elektrike, në mënyrë që pyetja të mbyllet një herë e përgjithmonë në traditat më të mira të fizikës. Kjo do të thotë, jo në nivelin e matematikës së hipotezave dhe postulateve, por në nivelin e eksperimenteve dhe eksperimenteve të thjeshta që janë të kuptueshme për të gjithë.
Thelbi i eksperimentit për të matur shpejtësinë e rrymës elektrike është i thjeshtë deri në turp. Le të marrim një tel me një gjatësi të caktuar, në rastin tonë 40 metra, lidhim me të një gjenerator sinjali me frekuencë të lartë dhe një oshiloskop me dy rreze, përkatësisht një rreze në fillim të telit dhe tjetra në fund të tij. Kjo është e gjitha. Koha që i duhet një rryme elektrike për të kaluar nëpër një tel 40 metra të gjatë është rreth 160 nanosekonda. Është në këtë kohë që ne duhet të shohim një zhvendosje në oshiloskopin midis dy rrezeve. Le të shohim tani se çfarë shohim në praktikë

Kjo do të thotë, siç e kemi parë, nuk ka asnjë vonesë prej 160 nanosekonda në rastin tonë. Dhe ishte në rastin tonë që ne nuk ishim në gjendje të masnim shpejtësinë e rrymës elektrike, sepse rezultoi të ishte disa radhë më i madh dhe nuk mund të matet me instrumente të tillë. Ndoshta telat tanë ishin nanoteknologji e avancuar, ose rryma jonë elektrike thjesht nuk e dinte se duhej të qëndronte për 160 nanosekonda në tel? Por është ajo që është ...
Shumica e njerëzve e lidhin energjinë elektrike me vetëtimën që nga fëmijëria, duke çuar në keqkuptimin se elektronet dhe energjia elektrike udhëtojnë me shpejtësinë e dritës. Ose pothuajse. Ndërsa është e vërtetë që një valë elektromagnetike e energjisë udhëton nëpër një përcjellës me 50 deri në 99 përqind të shpejtësisë së dritës, është e rëndësishme të kuptohet se vetë elektronet lëvizin shumë ngadalë, jo më shpejt se disa centimetra në sekondë.
Po kështu, kur dëgjoni një tingull nga 300 metra larg, presioni i ajrit në veshin tuaj nuk shkaktohet nga molekulat që largohen nga burimi, por nga një valë ngjeshjeje që rrjedh dhe ndikon në të gjitha molekulat e ajrit midis jush.
Energjia elektrike ka masë ose peshë zero
Meqenëse elektriciteti nuk mund të shihet me sy të lirë, është e lehtë të supozohet se energjia elektrike është thjesht energji që rrjedh nga pika A në pikën B dhe nuk ka masë apo peshë. Në njëfarë kuptimi kjo është e vërtetë: një rrymë elektrike - si një lumë - nuk ka masë ose peshë. Megjithatë, energjia elektrike nuk është vetëm një formë e energjisë së padukshme, ajo është një rrjedhë e grimcave të ngarkuara - elektrone - që kanë masë dhe peshë.
Fatkeqësisht, kjo peshë është krejtësisht e papërfillshme, dhe qarku është rrethor, kështu që nuk do të grumbulloni kurrë shumë elektrone në një vend. Së fundi, rryma e grimcave të ngarkuara lëviz me një shpejtësi prej disa centimetra në sekondë, por më shumë për këtë më vonë.

Burimet e rrymës elektrike janë bateritë, akumulatorët, dinamot, gjeneratorët e llojeve të ndryshme, etj. Ato prodhojnë energji elektrike në kurriz të ndonjë lloji tjetër energjie, p.sh. kimike, mekanike, termike etj. Për rrjedhojë, në rastet me burime të energjisë elektrike. aktuale, ligji i ruajtjes së energjisë mbetet në fuqi.

Çdo burim i rrymës ka vetinë, kur mbyll një qark, të krijojë një fushë elektrike në përcjellës, i cili vepron me një forcë të caktuar në elektronet e lira. Prandaj, ata thonë se çdo burim aktual ka një forcë të caktuar elektromotore (EMF).

Burimet e rrymës elektrike nuk prodhojnë elektrone, por fusha elektrike që ato krijojnë vë në lëvizje elektrone të lira të vendosura në vetë përcjellësit. Në këtë drejtim, çdo burim rryme mund të krahasohet me një pompë që lëviz ujin në një sistem tubash të mbyllur (Fig. 3.3b). Pompa transferon energjinë në turbinë në të njëjtën mënyrë që një bateri transferon energji në një llambë. Natyrisht, në çdo sistem të padegëzuar, sasia e ujit që rrjedh në tuba të trashë dhe të hollë për njësi të kohës është e njëjtë, vetëm përmes tubave të hollë grimcat e ujit lëvizin me shpejtësi më të madhe.

shpejtësia. Për analogji, mund të themi se madhësia e rrymës në një qark elektrik të padegëzuar është e njëjtë kudo, vetëm në përçuesit me diametër më të madh elektronet lëvizin më ngadalë sesa në përçuesit më të hollë.

Shpejtësia e rrymës elektrike

Fusha elektrike udhëton nëpër tela me një shpejtësi prej 300,000 kilometra në sekondë. Kjo shpejtësi është aq e lartë sa në një sekondë fusha mund të rrethojë globin rreth tetë herë!

Shpejtësia e lëvizjes së drejtuar të elektroneve në përcjellës është shumë më e vogël dhe varet nga dendësia e rrymës.

Përgjatë filamentit të nxehtë të një llambë, elektronet lëvizin me shpejtësi 1-2 centimetra në sekondë, ndërsa te kordonët dhe kabllot kjo shpejtësi nuk i kalon 2-3 milimetra në sekondë. Këtu mund të lindë pyetja: pse thonë se shpejtësia e rrymës elektrike është e madhe?

Për ta kuptuar këtë, imagjinoni disa dhjetëra kube të vendosur fort në një vijë të drejtë në një sipërfaqe të lëmuar. Nëse shtyjmë kubin e parë, shtytja do të arrijë në kubin e fundit pothuajse menjëherë, megjithatë, shpejtësia e secilit kub individualisht nuk do të jetë shumë e lartë. Në të njëjtën mënyrë, kur një qark elektrik mbyllet, fusha elektrike përhapet përgjatë përcjellësit me shpejtësi të madhe dhe pothuajse njëkohësisht vë në lëvizje si elektronet e afërta ashtu edhe ato të largëta. Kjo është arsyeja pse përgjithësisht pranohet se rryma elektrike kalon nëpër përcjellës me një shpejtësi prej rreth 300,000 kilometra në sekondë.

Drejtimi i rrymës elektrike

Ne kemi zbuluar tashmë se në metale rryma elektrike shkaktohet nga vetëm një lloj transportuesi i ngarkesës - elektronet. Sidoqoftë, në elektrolitet, rryma elektrike shkaktohet nga elektronet dhe jonet pozitive. Ne shohim një pamje të ngjashme

dhe në gjysmëpërçuesit, ku rryma elektrike shkaktohet nga dy lloje grimcash të ngarkuara: elektronet dhe vrima(vrimat kanë vetitë e grimcave të ngarkuara pozitivisht, sepse ato paraqesin vende në të cilat nuk ka elektrone). Në Fig. Figura 3.4a tregon në mënyrë konvencionale një gjysmëpërçues nëpër të cilin nuk kalon rrymë. Mund të shihet se elektronet dhe vrimat lëvizin rastësisht në drejtime të ndryshme për shkak të dridhjeve termike. Nëse gjysmëpërçuesi është i lidhur me një burim aktual, atëherë lind një fushë elektrike dhe vrimat fillojnë të lëvizin në drejtim të fushës, dhe elektronet – drejt fushës(Fig. 3.4 b).

Edhe në shekullin e kaluar u pranua Me drejtimin e rrymës elektrike kuptojmë drejtimin e lëvizjes së ngarkesave të ngarkuara pozitivisht(në atë kohë ata nuk e dinin ende se rryma në metale shkaktohet vetëm nga elektronet). Sipas traditës, ky rregull është ruajtur deri më sot. Prandaj, sipas këtij rregulli, drejtimi i rrymës në metale e kundërt me drejtimin e lëvizjes së elektroneve. Prandaj, rryma në qarkun e jashtëm rrjedh në drejtim nga poli pozitiv në atë negativ.

Leksioni 4. Fusha elektrike

Një person ekziston në një fushë gravitacionale, të cilën ai, në parim, nuk mund ta eliminojë. Një fushë elektrike mund të krijohet dhe shkatërrohet në eksperimente të thjeshta. Prandaj, është e mundur që fusha elektrike të studiohet eksperimentalisht në një nivel shumë më të thellë sesa fusha gravitacionale. Në fakt, koncepti i përgjithshëm i një fushe fizike formohet në mendjet e studentëve pikërisht kur studiojnë fushën elektrike.

Elektrostatika merret me fushat elektrike të krijuara nga ngarkesat e palëvizshme. Fushat e tilla që nuk ndryshojnë me kalimin e kohës quhen elektrostatike. Por, pasi kanë zotëruar konceptin e një fushe elektrostatike, studentët së shpejti duhet të zotërojnë konceptet e fushave elektrike stacionare, vorbullave elektrike dhe elektromagnetike. Prandaj, tashmë në elektrostatikë është e nevojshme njohja e studentëve me fushat që nuk janë elektrostatike.

Kjo është gjithashtu e nevojshme sepse në elektrostatikën reale nuk merret asnjëherë me ngarkesa që nuk ndryshojnë me kalimin e kohës. Në të vërtetë, gjatë elektrifikimit, ngarkesat ndahen dhe rriten, elektrometrat e ngarkuar shkarkohen gradualisht, ngarkesat kalojnë nëpër përcjellës dhe lëvizin së bashku me trupat e ngarkuar. Prandaj, kur studiojmë elektrostatikën, është i nevojshëm kuptimi fillestar si i rrymës elektrike ashtu edhe i fushave elektrike alternative.

Por gjëja kryesore për të cilën duhet të binden studentët është realiteti i ekzistencës së një fushe elektrike, e cila krijohet nga ngarkesat elektrike dhe transmeton ndërveprimin e tyre dhe që na rrethon të gjithëve për aq sa përdorim energjinë elektrike. Kjo bindje duhet të bazohet në një sistem provash eksperimentale, dhe jo në autoritetin e një teksti ose mësuesi.

4.1. Koncepti i fushës elektrike. Përvoja tregon se një trup i ngarkuar shkakton tërheqje ose zmbrapsje të një trupi tjetër të ngarkuar në distancë. Duke analizuar në mënyrë të paanshme këtë dhe eksperimente të tjera, vështirë se mund të pajtohet me pohimin e çuditshëm se një ngarkesë vepron mbi një tjetër drejtpërdrejt përmes hapësirës boshe. Eksperimentuesi i madh M. Faraday nuk mund të pajtohej me këtë, megjithëse shumë teoricienë të kohës së tij, duke ndjekur I. Njutonin, ishin të bindur për vlefshmërinë e të ashtuquajturit. teoritë e veprimit me rreze të gjatë. Faraday besonte se një ngarkesë gjeneron një lloj të veçantë të lëndës rreth vetes - fushë elektrike, - e cila shtrihet deri në pafundësi dhe ndryshon nga llojet e tjera të materies në atë që është e aftë të veprojë në një ngarkesë tjetër.

Koncepti i një fushe elektrike, si koncepti i një ngarkese, i referohet koncepteve themelore ose themelore fizike dhe nuk mund të përcaktohet zyrtarisht. Ekzistenca e një fushe elektrike konfirmohet nga i gjithë grupi i eksperimenteve elektrodinamike - nuk ka asnjë eksperiment të vetëm që do të kundërshtonte konceptin e një fushe elektrike.

Është e mundur të kryhen eksperimente që tregojnë qartë fushën elektrike të krijuar nga ngarkesat.

Në një enë të sheshtë të mbushur me vaj të trashë, futni dy topa përçues dhe derdhni pluhur jopërçues të lehtë, me rrjedhje të lirë, si bollgur ose flokë të prerë imët. Le të aplikojmë ngarkesa të kundërta për topat.

Në këtë rast, ne do të vëzhgojmë se si grimcat e orientuara fillimisht në mënyrë kaotike rreshtohen në vija që fillojnë nga një ngarkesë dhe mbarojnë në një tjetër. Kështu, në çdo pikë të hapësirës midis dy ngarkesave ekziston një substancë që nuk ekzistonte në mungesë të ngarkesave. Kjo është fusha elektrike. Grimcat rreshtohen sepse mbi to veprojnë forca nga fusha elektrike. Prandaj, linjat ndërmjet elektrodave që përfaqësojnë grimcat quhen linjat e energjisë fushë elektrike.

4.2. Energjia e fushës elektrike. Kur elektrizohet nga fërkimi, presioni ose përmes induksionit elektrostatik, ndryshe nga ngarkesat lindin për shkak të punës mekanike. Kjo do të thotë që për të krijuar një fushë elektrike duhet të punohet. Në një fushë elektrike, trupat e ngarkuar fillojnë të lëvizin dhe të rrotullohen. Prandaj, fusha elektrike është e aftë të kryejë punë. Kështu, Një fushë elektrike ka energji.

Kur trupat e ngarkuar shkarkohen, fusha elektrike zhduket dhe energjia e saj shndërrohet në energji kinetike të ngarkesave lëvizëse. Në metale këto janë elektrone, në lëngje dhe gazra këto janë elektrone dhe jone. Energjia kinetike e ngarkesave shndërrohet në lloje të tjera të energjisë. Për shembull, nëse një shkëndijë elektrike ndodh gjatë një shkarkimi, atëherë energjia e fushës elektrike përfundimisht shndërrohet në mekanike (tingull), termike (ngrohje), dritë (flic).

4.3. Shpejtësia e përhapjes së fushës elektrike. Ekzistenca e një fushe elektrike mund të vërtetohet vetëm eksperimentalisht. Le të vendosen dy trupa të ngarkuar në një distancë nga njëri-tjetri. Le të lëvizim njërën prej tyre në një distancë të shkurtër. Atëherë forca që vepron në trupin e dytë do të ndryshojë, dhe gjithashtu do të lëvizë distancën përkatëse. Nëse fusha elektrike ekziston vërtet, atëherë lëvizja e trupit të dytë duhet të ndodhë pas njëfarë kohe, gjatë së cilës ndryshimi në fushën pranë trupit të parë do të arrijë të dytin.

Eksperimentet me trupa të ngarkuar tregojnë se efekti elektrik i një trupi të ngarkuar në një tjetër ndodh menjëherë. Le të mendojmë për këtë deklaratë. Instant do të thotë në çast, në të njëjtin moment në kohë. Prandaj, intervali kohor ndërmjet lëvizjes së ngarkesës së parë dhe përgjigjes ndaj kësaj lëvizjeje të ngarkesës së dytë duhet të jetë zero. Por asnjë eksperiment i vetëm nuk ju lejon të matni ndonjë periudhë të shkurtër kohore arbitrarisht. Kjo do të thotë se eksperimentet mbi lëvizjen e ngarkesave të cilave iu referuam vërtetojnë vetëm se bashkëveprimi ndodh në një kohë më të vogël se ndjeshmëria e orës ose matësve të tjerë të kohës së përdorur.

Nëse e lëvizni një ngarkesë shumë shpejt dhe e ndikoni atë në një ngarkesë që gjithashtu mund të lëvizë me shpejtësi të madhe, atëherë ndoshta do të jetë e mundur të matet koha e përhapjes së ndërveprimit midis ngarkesave? Por si mund ta bëni karikimin të lëvizë shpejt? Është e qartë se përpjekja për të përdorur lëvizjen mekanike është e padobishme. Le të kujtojmë se kur topat e ngarkuar me ngarkesa të kundërta bashkohen, një shkëndijë kërcen midis tyre dhe topat shkarkohen. Kjo do të thotë që tarifa nga njëra prej tyre kalon te tjetra. Lëvizja e ngarkesës ndodh shumë shpejt.

Duke përdorur këtë vëzhgim, ne do të mbledhim një strukturë eksperimentale të përbërë nga dy çifte identike shufrash përcjellëse me boshllëqe shkarkimi midis tyre. Le t'i ngarkojmë topat metalikë të një palë shufrash me ngarkesa + q Dhe - q dhe le të fillojmë t'i afrojmë ato. Sapo një shkëndijë kërcen midis topave, një shkëndijë e vogël shfaqet midis topave dhe në dipolin e dytë! Nga kjo rrjedh se lëvizja e shpejtë e ngarkesave në një pikë të hapësirës shkakton një lëvizje përkatëse të ngarkesave në një pikë tjetër.

Duket se nuk kemi mësuar asgjë të re. Por kjo nuk është kështu: ngarkesat në eksperimentin në diskutim lëvizin aq shpejt sa është e mundur të matet koha e nevojshme për një ndryshim në gjendjen elektrike për t'u përhapur në një distancë të caktuar. Matje të tilla do të bëhen më vonë, në përfundim të studimit të elektrodinamikës. Tani, duke parë përpara, thjesht mund t'u thuash studentëve se ata do të japin vlerën e shpejtësisë së transmetimit të gjendjes elektrike Me= 3 10 8 m/s.

Pra, fusha elektrike ekziston vërtet sepse, siç tregon eksperimenti, ajo ka energji dhe ndryshimet e saj përhapen në hapësirë ​​me një shpejtësi të kufizuar të barabartë me shpejtësinë e dritës në vakum.

Është kureshtare që eksperimenti i përshkruar u krye për herë të parë nga fizikani italian L. Galvani në agimin e studimit sistematik të fenomeneve të elektrodinamikës. Vërtetë, në vend të hendekut të dytë të shkarkimit, ai përdori një këmbë të përgatitur bretkose, e cila kontraktohej sa herë që një shkëndijë hidhej midis topave të hendekut të parë të shkarkimit. Rreth 100 vjet më vonë, praktikisht të njëjtat eksperimente u përsëritën nga fizikani gjerman G. Hertz. Por ai tashmë zotëronte një teori të zhvilluar të proceseve elektrodinamike, e cila u krijua nga K. Maxwell, i cili u mbështet në "Kërkimet Eksperimentale mbi Energjinë Elektrike" nga M. Faraday. Ishte Hertz i cili ishte i pari që provoi eksperimentalisht se një shqetësim i fushës elektrike përhapet në hapësirë ​​në formën e një valë elektromagnetike dhe mati shpejtësinë e kësaj përhapjeje, e cila përkonte me shpejtësinë e dritës në vakum.

4.4. Parimi i mbivendosjes së fushave elektrike. Sipas konceptit të fushës, një ngarkesë elektrike vepron mbi një ngarkesë tjetër pikërisht përmes një fushe elektrike. Fusha e njërës ngarkesë vepron në tjetrën dhe fusha e ngarkesës së dytë vepron në të parën. Kështu ndodh ndërveprimi i dy ngarkesave. Në këtë rast, vetë fushat nuk ndërveprojnë: fusha e ngarkesës së parë mbetet e njëjtë sikur të mos kishte ngarkesë të dytë. Fushat elektrike të ngarkesave thjesht mbivendosen mbi njëra-tjetrën në mënyrë që fusha që rezulton të jetë shuma e fushave përbërëse. Ky është thelbi Parimi i mbivendosjes së fushave elektrike(nga lat. mbivendosje– mbivendosje).

Parimi i mbivendosjes duhet kuptuar si më poshtë: fusha elektrike e një ngarkese nuk ka ndikim në fushat e ngarkesave të tjera, dhe fushat e ngarkesave të tjera nuk kanë ndikim në fushën e një ngarkese të caktuar, kështu që fusha elektrike që rezulton është një mbivendosje e thjeshtë, ose shuma e fushave elektrike prodhuar nga të gjitha akuzat.

Hulumtimi 4.1. Treguesi i pikës së fushës elektrostatike

Informacion.Është i përshtatshëm për të studiuar fushat elektrostatike duke përdorur tregues që lejojnë që dikush të vlerësojë drejtimin dhe madhësinë e forcës Kulomb në çdo pikë të fushës. Treguesi më i thjeshtë i pikës është një trup përçues i dritës i pezulluar në një fije. Më parë, rekomandohej përdorimi i bërthamës së një dege plaku për të bërë një top të lehtë. Aktualisht, këshillohet zëvendësimi i manaferrës me shkumë polistireni. Zgjidhje të tjera për problemin janë gjithashtu të mundshme.

Ushtrimi. Zhvilloni një dizajn dhe bëni një tregues të thjeshtë të fushës elektrostatike. Përcaktoni ndjeshmërinë e tij në mënyrë eksperimentale.

Opsioni i ekzekutimit. Fryni një top gome nga një copë gome nga një tullumbace për fëmijë 1 1-2 cm në diametër Lidheni topin me një fije mëndafshi ose najloni 2 , e cila është e filetuar përmes një tubi polietileni 3 dhe mbërthejeni me një kunj druri 4 . Fërkojeni sipërfaqen e topit në një shkëlqim metalik karakteristik me pluhur grafiti nga plumbi i një lapsi të butë.

Ngarkoni topin nga një shkop eboniti i fërkuar me lesh, një burim piezoelektrik ose një makinë elektrofore. Fusni treguesin në fushën e ngarkesës sferike dhe vlerësoni ndjeshmërinë e treguesit bazuar në madhësinë e forcës vepruese (shih studimin 3.5).

Studimi 4.2. Studimi i fushave elektrostatike

Ushtrimi. Duke përdorur një tregues pikësh, ekzaminoni fushat elektrostatike të trupave të ndryshëm të ngarkuar.

Opsioni i ekzekutimit. Nga figura është e qartë se si, duke përdorur një tregues pikësh, mund të studioni fushën e një fletë pleksiglas ose shkumë plastike të elektrizuar nga fërkimi.

Në mënyrë të ngjashme, ju mund të studioni fushën e një topi të ngarkuar të një elektroskopi, ndryshimin në këtë fushë kur trupi i pajisjes është i tokëzuar, fushën e dy topave të ngarkuar ndryshe dhe në mënyrë të ngjashme, fushën e një pllake metalike të ngarkuar, etj. Studime të tilla ofrojnë një imazh vizual të fushave elektrostatike në situata të ndryshme.

Si shembull, figura tregon sekuencën e demonstrimit të efektit mbrojtës të një përcjellësi të tokëzuar.

Së pari, ata tregojnë se fusha elektrike ekziston në të dy anët e dielektrikut të elektrizuar (Fig. A). Pastaj një fletë e madhe metalike futet në hendekun midis trupit të ngarkuar dhe një prej treguesve duke përdorur një dorezë izoluese; në të njëjtën kohë, treguesi tregon se fusha elektrostatike pas fletës nuk zhduket (Fig. b). Më në fund fleta metalike tokëzohet dhe topi tregues bie menjëherë (Fig. V). Duke hequr tokëzimin e ekranit, ata tregojnë se fusha elektrostatike pas tij është rikthyer.

Studimi 4.3. Treguesi i fushës elektrostatike të dipolit

Informacion. Modelet e mundshme të një treguesi dipoli janë të qarta nga figurat e mëposhtme.

Treguesi bazohet në një tub polietileni të lehtë 1 me një vrimë në mes (mund të marrësh një kashtë). Është i përshtatshëm për të përdorur një kunj shkrimi si bosht rrotullimi 2 , mbi të cilat vihen rruaza 3 duke vepruar si kushineta, dhe mbajtës shkumë 4 . Kunja është ngjitur ose në një stendë 5 , ose në fund të mbajtësit 6 . Në Fig. c tregon një dizajn edhe më të thjeshtë. Në rastin më të thjeshtë, treguesi mund të jetë një rrip letre, i përkulur për së gjati në një kënd dhe i montuar në një gjilpërë në qendër të gravitetit.

Ushtrimi. Zgjidhni dizajnin më të përballueshëm, bëni tregues të dipolit dhe përdorni ato për të studiuar fusha të ndryshme elektrostatike. Shpjegoni pse një tub i pakarikuar është i orientuar në një fushë elektrike.

Opsioni i ekzekutimit. Pasi të keni bërë disa tregues dipolësh të të njëjtit lloj, mund t'i përdorni ato për të vizualizuar fushat me interes për ju.

Studentët do të jenë të interesuar për një punë të tillë, me kusht që eksperimentet me dipole të mos jenë shumë kapriçioze. Dhe kjo mund të ndodhë nëse dizajni i dipolit nuk përpunohet: fërkimi i tepërt në boshtin e rrotullimit do të turbullojë efektin e eksperimenteve. Prandaj, prodhimi i treguesve të dipolit, megjithë thjeshtësinë e tij të dukshme, kërkon përpjekje dhe kujdes.

Ndoshta përdorimi më i mirë i treguesit të dipolit është përdorimi i tij për të shpjeguar fizikën e vizualizimit të fushave elektrike me pluhur të imët dielektrik.

Studimi 4.4. Spektrat e fushës elektrike

Informacion. Grimcat dielektrike në një fushë elektrike tregojnë linjat e forcës dhe në këtë mënyrë e bëjnë fushën të dukshme - vizualizoj e tij. Modelet që rezultojnë të fushave elektrike quhen spektrat.

Ushtrimi. Shpjegoni metodën e vizualizimit të fushave elektrostatike me pluhur dielektrik në mënyrë që thelbi i saj të bëhet i qartë për studentët. Merrni dhe studioni spektrat e fushave të ndryshme elektrike.

Opsioni i ekzekutimit. Për të shpjeguar, përdorni analogjinë midis një grimce individuale pluhuri dhe një treguesi dipol (shih Studimin 4.3). Bëjini studentët të kuptojnë pse grimcat e pluhurit rreshtohen në linja fushore që janë të ndara nga njëra-tjetra. Bëni eksperimente modele me dy tregues dipolësh që mbështesin shpjegimin tuaj.

Për klasën e fizikës së shkollës, industria prodhon pajisje speciale për demonstrimin e spektrave të fushave elektrike. Këto pajisje janë elektroda të veshura me bojë përçuese elektrike në pllaka pleksiglas, mbi të cilat është instaluar një kuvetë e sheshtë që përmban vaj ricini me grimca të varura bollguri. Instrumentet vendosen në kondensatorin e projektorit të sipërm, elektrodat lidhen me një burim të tensionit të lartë dhe fusha e vizualizuar projektohet në një ekran. Është e këshillueshme që nxënësve t'u demonstrohen fushat elektrike të trupave me ngarkesë të kundërt dhe të mundshëm, një rrafsh të ngarkuar dhe dy plane me ngarkesë të kundërt.

Imazhet e vizualizuara të fushave elektrike në ekran janë shumë të bukura dhe informuese, por vetë përvoja e demonstrimit vështirë se mund të konsiderohet e patëmetë, pasi përdor njëkohësisht pajisje që kanë një tension rrjeti prej 220 V dhe një tension të lartë deri në 25 kV.

Prandaj, do të jetë pakrahasueshëm më e dobishme nëse nxënësit e shkollës kryejnë në mënyrë të pavarur kërkime në terren në shtëpi. Për ta bërë këtë, duhet të derdhni pak vaj luledielli në një tigan dhe ta spërkatni sipër me bollgur ose flokë të prerë imët. Pastaj vendosni elektroda metalike të formës së kërkuar në vaj dhe lidhni ato me një burim piezoelektrik. Duke shtypur levën e këtij burimi, studiuesit e rinj do të shohin se si grimcat e pezulluara në vaj do të vizualizojnë fushat elektrike që studiohen.

Në eksperimente individuale, mund të përdorni gjithashtu një kavanoz plastik transparent me një përbërje vizualizimi në terren, duke e vendosur fundin e tij të sheshtë në elektroda të prera nga fletë e trashë alumini.

Studimi 4.5. Ndërtimi i linjave të fushës elektrike

Informacion. D. Maxwell propozoi një mënyrë të thjeshtë për të ndërtuar linjat e forcës të fushave elektrike komplekse. Së pari, vizatohen linja për dy fusha tashmë të njohura. Kur ato kryqëzohen, fitohet një rrjet qelizash katërkëndëshe, në të cilën njëra diagonale është proporcionale me shumën gjeometrike të fuqive të fushës dhe tjetra është në përpjesëtim me ndryshimin e tyre. Duke lidhur qoshet përkatëse të qelizave, linjat totale të forcës së fushës merren në formën e vijave të thyera. Ju mund t'i bëni ato të lëmuara, ose duke zbutur vijat e thyera, ose duke zvogëluar madhësinë e qelizave, për të cilat rritni numrin e linjave origjinale.

Ushtrimi. Bëni rrjete fushash elektrike me ngarkesa dy pikash. Duke përdorur këto rrjete, ndërtoni linja fushore të fushave me ngarkesa identike të kundërta dhe të ngjashme.

Opsioni i ekzekutimit. Krijoni një program kompjuterik që vizaton linja në terren të ngarkesave pika të vendosura në distanca të ndryshme nga njëra-tjetra dhe printoni imazhet që rezultojnë në një printer. Duke përdorur parimin e mbivendosjes, përdorni kthesa të thyera për të përcaktuar linjat e forcës së fushave që rezultojnë. Jepni një bazë teorike për metodën e Maksuellit për ndërtimin e linjave të forcës.

Studimi 4.6. Energjia e fushës elektrike

Informacion. Në mënyrë tipike, në eksperimentet në elektrostatikë, trupat e dritës përdoren për të demonstruar ndërveprimin e ngarkesave. Si rezultat, nxënësit kanë ndjenjën se fusha elektrostatike është një fushë e dobët që nuk është e aftë të bëjë ndonjë punë të rëndësishme.

Problem. A është e mundur të demonstrohet një eksperiment i tillë që do të largonte perceptimin e gabuar të dobësisë së fushës elektrike?

Ushtrimi. Hartoni dhe kryeni një eksperiment të thjeshtë demonstrues që tregon bindshëm se një fushë elektrike ka energji dhe në parim mund të bëjë punë të rëndësishme.

Opsioni i ekzekutimit. Si një burim i fushës elektrike, është i përshtatshëm të përdoret një fletë plastike shkumë e elektrizuar nga fërkimi me një dorashka leshi, për shembull, me madhësi 4 20 40 cm (shih studimin 1.2). Balanconi një dërrasë ose rreze druri deri në 5 m të gjatë në një platformë që rrotullohet lehtësisht, për të cilën mund të përdorni një disk horizontal nga një komplet rrotullimi shkollor. Ju mund të merrni një mbështetje të qetë konveks, për shembull, një top të madh çeliku nga një kushinetë, një top bilardo, etj. Aplikoni një fletë plastike të elektrizuar me shkumë në njërën skaj të tabelës. Në të njëjtën kohë, studentët do të shohin se si një tabelë masive fillon të tërhiqet nga fleta - fusha elektrostatike funksionon!

Përvoja do të jetë edhe më mbresëlënëse nëse pllaka prej druri zëvendësohet me një tub masiv metalik ose profil me përmasa mbresëlënëse.

Një fushë elektrike mund të përdoret për të rrotulluar një objekt të shtrirë në një mbështetje rrotulluese ose për ta kthyer atë në kënde të ndryshme në një drejtim ose në një tjetër. Është e rëndësishme që nxënësit të kuptojnë se sa nga puna bëhet nga fusha elektrike dhe sa nga demonstruesi.

Studimi 4.7. Burimi i tensionit të lartë

Informacion. Studentët nuk janë njohur ende me konceptet e ndryshimit potencial dhe potencial, por tashmë ekziston nevoja për të përdorur një burim rrjeti të tensionit të lartë. Më parë, industria prodhoi një konvertues të tensionit të lartë "Shkarkimi-1" për shkollat. Tani ai është zëvendësuar nga disa burime të reja të tensionit të lartë. Ato sigurojnë tension të rregullueshëm vazhdimisht nga 0 deri në 30 kV, janë të pajisur me një voltmetër analog ose dixhital, një kondensator të tensionit të lartë, një boshllëk shkëndija, përçues lidhës në izolimin e tensionit të lartë me priza, etj. Dalja e këtyre pajisjeve ka tre terminale, secila prej të cilave mund të tokëzohet. Prandaj, burimet e tensionit të lartë mund të ofrojnë potenciale të barabarta me shenjë të kundërt në lidhje me Tokën.

Problem. Si mund t'u tregoni shpejt dhe bindshëm studentëve se një burim i tensionit të lartë krijon të njëjtat fusha elektrostatike që ata kanë parë tashmë se ekzistojnë?

Ushtrimi. Sugjeroni një eksperiment të thjeshtë që tregon se një burim rrjeti me tension të lartë prodhon të njëjtat ngarkesa si ato të marra nga metoda të ndryshme elektrifikimi.

Opsioni i ekzekutimit. Vendosni dy topa identikë metalikë në një distancë nga njëri-tjetri dhe elektrizoni ato në mënyrë që të kenë ngarkesa të barabarta në madhësi dhe të kundërta në shenjë. Fusni një tregues pikë në fushën elektrike (shih Studimin 4.1) dhe shënoni pozicionin e saj. Shkarkoni topat duke i shkurtuar me një përcjellës. Duke përdorur dy përçues të izoluar, lidhni topat me terminalet e burimit të tensionit të lartë dhe rritni gradualisht tensionin në daljen e tij. Në këtë rast, do të zbuloni se treguesi i pikës zë të njëjtin pozicion si në fillim të eksperimentit. Nga kjo rrjedh se një burim i tensionit të lartë është i aftë të krijojë të njëjtën fushë elektrike si fusha që lind me ndonjë nga metodat e elektrifikimit të trupave. Sigurisht, eksperimente të tjera janë të mundshme që vërtetojnë këtë fakt.

Studimi 4.8. Përhapja e fushës elektrike

Informacion.Është thelbësisht e rëndësishme të provohet eksperimentalisht fakti që një fushë elektrike mund të përhapet në hapësirë. Seksioni 4.3 tregon se për këtë, dy dipole të pajisura me çifte topa përçues, ndërmjet të cilëve ndodhin shkarkime elektrike, mund të përdoren si burim dhe tregues i fushës elektrike. Shkarkimi në dipolin marrës është shumë i dobët dhe për këtë arsye i papërshtatshëm për t'u përdorur në një eksperiment stërvitor.

Problem. A është e mundur të përdoret një llambë neoni si një tregues i shkarkimit elektrik në dipolin marrës (shih Studimin 1.4)?

Ushtrimi. Dizenjoni dhe kryeni një eksperiment që tregon bindshëm se një fushë elektrike në ndryshim përhapet në të vërtetë në hapësirë.

Opsioni i ekzekutimit. Kur studioni elektrostatikën, nuk ka nevojë të prezantoni konceptin e një valë elektromagnetike dhe të demonstroni përhapjen e saj në ndonjë distancë të konsiderueshme. Mjafton t'u tregojmë studentëve se ndryshimet në fushën elektrike shtrihen në disa dhjetëra centimetra.

Lidhni një dipol në daljen e burimit të tensionit të lartë - dy copa identike teli alumini të izoluar, me unaza në skajet përballë njëri-tjetrit. Gjatësia e dipolit nuk është kritike (nga 0,5 në 1,0 m). Montoni një dipol me të njëjtën madhësi saktësisht në një vizore plastike, duke vendosur çdo llambë neoni në mes të tij (për shembull, shkruani VMN02).

Kur vendosni eksperimentin, ndizni burimin e tensionit të lartë dhe rrisni tensionin derisa shkëndijat të fillojnë të kërcejnë përmes një hendeku shkarkimi disa milimetra të gjatë në dipolin emetues. Vendoseni dipolin marrës paralel me dipolin emetues në një distancë prej 20-100 cm Në errësirë, do të shihni se me çdo shkarkesë elektrike llamba neoni pulson.

Përvoja tregon se një ngarkesë lëvizëse me shpejtësi (më saktë, e përshpejtuar) në një dipol rrezatues është një burim i një fushe elektrike në ndryshim, e cila përhapet në hapësirë ​​në dipolin marrës dhe bën që ngarkesat të lëvizin në të, gjë që zbulohet nga një llambë neoni.

Kthejeni dipolin marrës pingul me atë që lëshon. Në të njëjtën kohë, llamba neoni ndalon së ndezuri. Nga kjo rrjedh se fusha elektrike përhapet në hapësirë ​​në atë mënyrë që të mos e ndryshojë orientimin e saj.

Studimi 4.9. Dallimi midis një fushe elektrike alternative dhe asaj elektrostatike

Informacion. Ne e dimë se një valë elektromagnetike përhapet në hapësirë ​​nga një burim i fushës elektrike alternative. Megjithatë, studentët do të duhet të zbulojnë në rreth një vit. Sidoqoftë, edhe tani, kur studioni elektrostatikë, këshillohet të kuptoni se një fushë elektrike alternative është dukshëm e ndryshme nga ajo elektrostatike. Për ta bërë këtë, ne mund të përfitojmë nga fakti i njohur: një valë elektromagnetike reflektohet pothuajse plotësisht edhe nga një fletë e hollë përcjellëse, dhe një fushë elektrostatike mund të ekzistojë pas një fletë të tillë.

Problem. Si mund të krahasoni vetitë e fushave elektrike elektrostatike dhe të alternuara në një eksperiment të thjeshtë demonstrues?

Ushtrimi. Duke përdorur një trup të elektrizuar, një fletë duralumini, një elektrometër, një burim energjie me tension të lartë, një dipol emetues dhe një dipol marrës me një llambë neoni, projektoni dhe kryeni një eksperiment të thjeshtë që tregon se një fushë elektrike alternative nuk kalon nëpër një fushë përçuese. fletë, por një fushë elektrike konstante e bën.

Opsioni i ekzekutimit. Sillni një trup të ngarkuar në topin e elektrometrit dhe gjilpëra e tij do të devijojë. Fusni një fletë duralumini midis trupit të ngarkuar dhe topit të elektrometrit, duke e mbajtur atë nga doreza e izolatorit. Në këtë rast, gjilpëra e elektrometrit do të bjerë pak, por ende do të tregojë praninë e një fushe elektrostatike. Shpjegoni këtë fenomen.

Tani bluajeni fletën e duraluminit, të paktën duke e mbajtur me dorë, dhe gjilpëra e elektrometrit do të bjerë menjëherë. Kjo tregon se nuk ka fushë elektrostatike prapa fletës së duraluminit të tokëzuar.

Përvoja tregon se një fletë metalike e pabazuar nuk pengon depërtimin e një fushe elektrostatike përmes saj (krahasoni me rezultatin e studimit 4.2).

Riprodhoni konfigurimin e kërkimit 4.8, ndizni burimin e tensionit të lartë dhe bëni një llambë neoni të shkëlqejë në dipolin marrës gjatë shkarkimeve elektrike në dipolin emetues. Fusni një fletë duralumini të pabazuar në hendekun midis dipoleve emetuese dhe marrëse - shkëlqimi i llambës zhduket menjëherë. Nga kjo rrjedh se një fushë elektrike alternative nuk është në gjendje të kapërcejë një fletë metalike, edhe nëse nuk është e bazuar.

Studimi 4.10. Shpejtësia e përhapjes së fushës elektrike

Informacion. Kur ngarkesat lëvizin, fusha elektrike përhapet jo vetëm në hapësirën e lirë, por edhe përgjatë përcjellësve. Kjo dëshmohet nga eksperimentet mbi ndarjen e ngarkesave në përcjellës për shkak të induksionit elektrostatik.

Problem. Si të vendosni një eksperiment edukativ që tregon qartë shpejtësinë e madhe të përhapjes së një fushe elektrike përgjatë një përcjellësi?

Ushtrimi. Zhvilloni një strukturë demonstrimi që tregon se është në parim e mundur të vlerësohet eksperimentalisht shpejtësia e përhapjes së një fushe elektrike përgjatë një përcjellësi.

Opsioni i ekzekutimit.

Dy elektrometra 3 Dhe 4 vendose pranë saj. Lidhni një tel me një elektrometër 2 rreth një metër i gjatë. Lidhni një tel të izoluar me elektrometrin e dytë 5 disa dhjetëra metra i gjatë (ky tel mund të vendoset në të gjithë klasën dhe madje edhe jashtë saj). Aplikoni një fletë plastike shkumë, të elektrizuar nga fërkimi, në skajet e ekspozuara të telave. 1 . Do të zbuloni se gjilpërat e të dy elektrometrave në këtë rast reagojnë njëkohësisht ndaj ardhjes së fushës elektrike nga plastika e shkumëzuar përmes telave 2 Dhe 5 gjatësi dukshëm të ndryshme.

Kjo tregon se shpejtësia e përhapjes së fushës elektrike është shumë e lartë dhe nuk mund të përcaktohet në eksperimentet primitive. Matjet e bëra më vonë do t'u tregojnë studentëve se është qindra mijëra kilometra në sekondë.

Pyetje dhe detyra për vetëkontroll

1. Cila është metoda optimale për prezantimin dhe formimin e konceptit të fushës elektrike?

2. Si të vërtetohet se një fushë elektrike ka energji?

3. A është e nevojshme të merret parasysh shpejtësia e përhapjes së fushës elektrike në elektrostatikë?

4. Formuloni parimin e mbivendosjes së fushave elektrike.

5. Cilët tregues të fushës elektrostatike ekzistojnë dhe si mund të përdoren në studimet e fushës arsimore?

6. Cili është thelbi i metodës së vizualizimit të fushave elektrostatike me pluhur dielektrik të pezulluar në vaj viskoz?

7. Çfarë preferohet: demonstrimi i spektrave të fushave elektrostatike apo vëzhgimi i tyre në një eksperiment të pavarur nga nxënësit?

8. Cili është thelbi i metodës së Maksuellit për ndërtimin e vijave të forcës së fushave elektrike komplekse?

9. Si të tregohet se fusha elektrike në të vërtetë përhapet në hapësirë?

10. Cili është thelbi i eksperimentit që tregon një shpejtësi jashtëzakonisht të lartë të përhapjes së fushës elektrike përgjatë përcjellësit?

Letërsia

Pesin A.I., Reshetnyak V.G. Teknika të reja për demonstrimin e fushës elektrike. – Fizika në shkollë, 1986, nr.6, f. 67–70.

Pesin A.I., Svistunov A.Yu., Valiev B.M. Eksperiment model për studimin e fushës elektrostatike në një kurs të fizikës shkollore. – Fizika e edukimit, 1999, nr 2, f. 19–28.

Prokazov A.V. Plastika me shkumë në eksperimentet në elektrostatikë. – Fizika e edukimit, 2001, nr 3, f. 4–10.

Sabirzyanov A.A. Ndërtimi i linjave të fushës elektrike. – Fizika e edukimit, 2004, nr 5, f. 27–28.

Shilov V.F. Pajisje fizike të bëra nga një stilolaps. – Fizika edukative, 2000, nr 3, f. 4–7.

Sa është shpejtësia e rrymës në përcjellës? Një pyetje e parëndësishme, nëse jo retorike, apo jo? Të gjithë kemi studiuar fizikë në shkollë dhe mbajmë mend mirë se shpejtësia e rrymës elektrike në një përcjellës është e barabartë me shpejtësinë e përhapjes së pjesës së përparme të një valë elektromagnetike, domethënë e barabartë me shpejtësinë e dritës. Por në të njëjtat mësime të fizikës, na u treguan një sërë eksperimentesh interesante ku mund t'i shihnim vetë. Le të kujtojmë të paktën eksperimentet e jashtëzakonshme me një makinë elektrofore, ebonit, magnet të përhershëm, etj.

Por eksperimentet për matjen e shpejtësisë së rrymës elektrike nuk u shfaqën as në universitet, duke përmendur mungesën e pajisjeve të nevojshme dhe kompleksitetin e këtyre eksperimenteve. Gjatë dekadave të fundit, shkenca e aplikuar ka bërë një hap të madh përpara dhe tani shumë amatorë kanë pajisje në shtëpi që as laboratorët shkencorë nuk i ëndërronin disa dekada më parë. Prandaj, ka ardhur koha që të fillojmë të tregojmë përvojë në matjen e shpejtësisë së rrymës elektrike, në mënyrë që pyetja të mbyllet një herë e përgjithmonë në traditat më të mira të fizikës. Kjo do të thotë, jo në nivelin e matematikës së hipotezave dhe postulateve, por në nivelin e eksperimenteve dhe eksperimenteve të thjeshta që janë të kuptueshme për të gjithë.

Thelbi i eksperimentit për të matur shpejtësinë e rrymës elektrike është i thjeshtë deri në turp. Le të marrim një tel me një gjatësi të caktuar, në rastin tonë 40 metra, lidhim me të një gjenerator sinjali me frekuencë të lartë dhe një oshiloskop me dy rreze, përkatësisht një rreze në fillim të telit dhe tjetra në fund të tij. Kjo është ajo. Koha që i duhet një rryme elektrike për të kaluar nëpër një tel 40 metra të gjatë është rreth 160 nanosekonda. Është në këtë kohë që ne duhet të shohim një zhvendosje në oshiloskop midis dy rrezeve. Le të shohim tani se çfarë shohim në praktikë

Kjo do të thotë, siç e kemi parë, nuk ka asnjë vonesë prej 160 nanosekonda në rastin tonë. Dhe ishte në rastin tonë që ne nuk ishim në gjendje të masnim shpejtësinë e rrymës elektrike, sepse rezultoi të ishte disa radhë më i madh dhe nuk mund të matet me instrumente të tillë. Ndoshta telat tanë ishin nanoteknologji e avancuar, ose rryma jonë elektrike thjesht nuk e dinte se duhej të qëndronte për 160 nanosekonda në tel? Por është ajo që është ...

Pse rryma nuk rrjedh në priza dhe tela me shpejtësinë e dritës? Ose akoma...

Çdo person që kupton fizikën do të thotë se shpejtësia e rrymës elektrike është e barabartë me shpejtësinë e dritës dhe është 300 mijë kilometra në sekondë. Nga njëra anë, ai ka 100% të drejtë, por ka nuanca.

Me dritë, gjithçka është e thjeshtë dhe transparente: shpejtësia e fluturimit të një fotoni është e barabartë me shpejtësinë e përhapjes së një rreze drite. Me elektrone është më e vështirë. Rryma elektrike është shumë e ndryshme nga rrezatimi i dukshëm.

Pse besohet se shpejtësia e fotoneve në vakum dhe shpejtësia e elektroneve në një përcjellës janë të njëjta? Deklarata bazohet në rezultatet aktuale. Në 1888, shkencëtari gjerman Heinrich Hertz zbuloi eksperimentalisht se një valë elektromagnetike udhëton në një vakum po aq shpejt sa drita. Por a mund të themi se elektronet në një përcjellës fluturojnë me shpejtësinë e dritës? Ne duhet të kuptojmë natyrën e energjisë elektrike.

Çfarë është rryma elektrike?

Nga kursi i fizikës shkollore dihet se energjia elektrike është një rrjedhë e elektroneve që lëvizin në mënyrë të rregullt në një përcjellës. Ndërsa nuk ka burim të energjisë elektrike, elektronet lëvizin në mënyrë kaotike në përcjellës, në drejtime të ndryshme. Nëse përmbledhni trajektoret e të gjitha grimcave të ngarkuara, ju merrni zero. Prandaj, një copë metali nuk jep goditje elektrike.

Nëse një objekt metalik është i lidhur me një qark elektrik, të gjitha elektronet në të do të rreshtohen në një zinxhir dhe do të rrjedhin nga një pol në tjetrin. Sa shpejt do të ndodhë riorganizimi? Me shpejtësinë e dritës në vakum. Por kjo nuk do të thotë që elektronet fluturuan nga një pol në tjetrin aq shpejt. Ky është një keqkuptim. Thjesht njerëzit janë mësuar aq shumë me idenë se energjia elektrike udhëton aq shpejt sa drita, saqë nuk mendojnë shumë për detajet.

Keqkuptimet popullore për shpejtësinë e dritës

Një shembull tjetër i një perceptimi të tillë sipërfaqësor është koncepti i natyrës së vetëtimës. Sa njerëz mendojnë se cilat procese fizike ndodhin gjatë një stuhie? Për shembull, sa është shpejtësia e rrufesë? A është e mundur të zbulohet se në çfarë lartësie godet rrufeja inat pa instrumente? Le të merremi me të gjitha këto me radhë.

Dikush mund të thotë se rrufeja godet me shpejtësinë e dritës dhe do të ishte gabim. Një blic i shkaktuar nga një shkarkim gjigant elektrik në atmosferë përhapet kaq shpejt, por vetë rrufeja është shumë më e ngadaltë. Një rrufe nuk është një rreze drite e ngjashme me lazerin, megjithëse është vizualisht e ngjashme. Kjo është një strukturë komplekse në një atmosferë të ngopur me energji elektrike.

Udhëheqësi me shkallë ose kanali kryesor i rrufesë formohet në disa faza. Çdo hap, dhjetëra metra i gjatë, formohet me një shpejtësi prej rreth 100 km/sek përgjatë fijeve të shkarkimit të grimcave të jonizuara. Drejtimi ndryshon në çdo fazë, kështu që rrufeja duket si një vijë sinusale. 100 kilometra në sekondë është e shpejtë, por është shumë larg shpejtësisë së një valë elektromagnetike. Tre mijë herë.

Cili është më i shpejtë: rrufeja apo bubullima?

Kjo pyetje e fëmijëve ka një përgjigje të thjeshtë - rrufeja. Nga e njëjta lëndë e fizikës shkollore dihet se shpejtësia e zërit në ajër është afërsisht 331 m/sek. Pothuajse një milion herë më e ngadaltë se një valë elektromagnetike. Duke e ditur këtë, është e lehtë të kuptohet se si të llogaritet distanca deri në rrufe.

Drita e blicit na arrin në momentin e shkarkimit, por zëri udhëton më gjatë. Mjafton të zbuloni intervalin kohor midis ndezjes dhe bubullimës. Tani ne thjesht llogarisim se sa larg nga ne goditi rrufeja, duke përdorur një formulë të thjeshtë:

L =T × 331

Ku T është koha nga ndezja deri te bubullima, dhe L është distanca nga ne në rrufe në metra.

Për shembull, bubullima goditi 7.2 sekonda pas ndezjes. 331 × 7.2 = 2383. Rezulton se rrufeja ka goditur në një lartësi prej 2 kilometrash 383 metra.

Shpejtësia e një valë elektromagnetike nuk është shpejtësia e rrymës

Tani le të jemi më të vëmendshëm ndaj numrave dhe termave. Duke përdorur shembullin e vetëtimës, ne ishim të bindur se një supozim i vogël i gabuar mund të çojë në gabime të mëdha. Dihet saktësisht se shpejtësia e përhapjes së një valë elektromagnetike është 300,000 kilometra në sekondë. Megjithatë, kjo nuk do të thotë që elektronet në përcjellës lëvizin me të njëjtën shpejtësi.

Le të imagjinojmë se dy skuadra po konkurrojnë për të parë se kush mund ta marrë topin nga njëri skaj i fushës në tjetrin më shpejt. Një parakusht është që çdo anëtar i ekipit të bëjë disa hapa me topin në duar. Një ekip ka pesë persona, dhe tjetri ka një. Pesë prej tyre, të rreshtuar në një zinxhir, do të luajnë një pasim, secili duke bërë disa hapa në drejtim nga fillimi në fund. Një person i vetëm do të duhet të vrapojë të gjithë distancën. Natyrisht, pesë persona do të fitojnë, sepse topi fluturon më shpejt se sa mund të vrapojë një person.

Është e njëjta gjë me energjinë elektrike. Elektronet "vrapojnë" ngadalë (shpejtësia e tyre e grimcave elementare në një rrjedhë të drejtuar llogaritet në milimetra për sekondë), por ata e transferojnë "topin" e ngarkesës tek njëri-tjetri shumë shpejt. Në mungesë të një ndryshimi potencial në skajet e kundërta të përcjellësit, të gjitha elektronet lëvizin në mënyrë kaotike. Kjo është lëvizje termike e pranishme në çdo substancë.

Nëse elektronet lëviznin në tela me shpejtësinë e dritës

Le të imagjinojmë që shpejtësia e elektroneve në një përcjellës është ende afër shpejtësisë së dritës. Në këtë rast, energjia moderne do të ishte e pamundur në formën me të cilën jemi njohur. Nëse elektronet lëviznin përgjatë telave, duke fluturuar 300,000 kilometra në sekondë, do të duhej të zgjidheshin probleme teknike shumë komplekse.

Shpejtësia e përhapjes së rrymës elektrike.. Shpejtësia e lëvizjes së bartësve të ngarkesës në një fushë elektrike.. Çfarë përcakton shpejtësinë e lëvizjes së bartësve të ngarkesës?.. Efekti termik i rrymës..

Kur studiojmë rrymën elektrike, shpesh lindin vështirësi në të kuptuarit e proceseve që ndodhin në nivelin atomik dhe janë të paarritshme për shqisat tona - rryma elektrike nuk mund të shihet, dëgjohet ose preket. Kjo ngre një numër pyetjesh, në veçanti: pse nxehen përcjellësit? Sa është shpejtësia e elektroneve në një përcjellës dhe nga çfarë varet? Pse llamba ndizet pothuajse menjëherë kur shtypim çelësin? Le të përpiqemi ta kuptojmë së bashku dhe t'u përgjigjemi këtyre dhe pyetjeve të tjera që ju interesojnë.

Pse llamba ndizet pothuajse menjëherë?

Para së gjithash, ju duhet të dalloni dhe të mos ngatërroni konceptet « shpejtësia e përhapjes së rrymës elektrike"Dhe" shpejtësia e transportuesve të ngarkesës" - kjo nuk është e njëjta gjë.

Kur flasim për shpejtësinë e përhapjes së rrymës elektrike në një përcjellës, kjo do të thotë shpejtësia e përhapjes së fushës elektrike përgjatë përcjellësit, e cila është afërsisht e barabartë me shpejtësia e dritës (≈ 300,000 km/sek). Sidoqoftë, kjo nuk do të thotë që lëvizja e bartësve të ngarkesës në përcjellës ndodh me këtë shpejtësi të madhe. Aspak.

Lëvizja e bartësve të ngarkesës (në një përcjellës këto janë elektrone të lira) ndodh gjithmonë mjaft ngadalë, me një shpejtësi të zhvendosjes së drejtuar nga fraksionet e një milimetri te disa milimetra në sekondë, pasi ngarkesat elektrike, duke u përplasur me atomet e një lënde, kapërcejnë rezistencën më të madhe ose më të vogël ndaj lëvizjes së tyre në një fushë elektrike.

Por çështja është se ka shumë, shumë elektrone të lira në përcjellës (nëse çdo atom bakri ka një elektron të lirë, atëherë në përcjellës ka aq elektrone të lëvizshëm sa ka edhe atome të bakrit). Elektrone të lira janë në dispozicion kudo në një qark elektrik, duke përfshirë, por pa u kufizuar në, filamentin e një llambë, e cila është pjesë e këtij qarku.
Kur një përcjellës lidhet me një burim energjie elektrike, në të përhapet një fushë elektrike (me një shpejtësi afër shpejtësisë së dritës), e cila fillon të veprojë në të GJITHA elektronet e lira. pothuajse njëkohësisht.

Prandaj ne nuk vërejmë ndonjë vonesë ndërmjet mbylljes së kontakteve të çelësit dhe fillimit të llambës së dritës, e vendosur dhjetëra ose qindra kilometra larg termocentralit. Ata ndezën tensionin, elektronet e lira filluan të lëvizin (në të gjithë qarkun në të njëjtën kohë), transferuan ngarkesë, transferuan energji kinetike në atomet e tungstenit (filament inkandeshent), ky i fundit u nxeh deri në shkëlqim - dhe kështu llamba shkëlqen.

Në rast të rrymës alternative Për të marrë nxehtësinë e kërkuar (fuqia e shpërndarë e filamentit), drejtimi i rrymës nuk ka rëndësi. Elektronet e lira lëkunden në përputhje me ndryshimet në fushën elektrike dhe transferojnë ngarkesën përpara dhe mbrapa. Në këtë rast, elektronet përplasen me atomet e rrjetës së kristalit të tungstenit, duke transferuar energjinë e tyre tek ata. Kjo bën që filamenti i llambës të nxehet dhe të shkëlqejë.

Çfarë përcakton shpejtësinë e lëvizjes së transportuesve të ngarkesës?

Mbi shpejtësinë e transportuesve të ngarkesës gjithashtu ndikon rezistenca e përcjellësit . Një përcjellës i hollë ka më shumë rezistencë, një përcjellës me diametër të madh ka më pak rezistencë. Prandaj, në një përcjellës të hollë, shpejtësia e rrjedhës së elektroneve të lira do të jetë më e madhe se në një përcjellës të trashë (në të njëjtën rrymë).

Materiali i përcjellësit gjithashtu ka rëndësi: në një përçues alumini shpejtësia e rrjedhjes së elektroneve do të jetë më e madhe se në një përçues bakri me të njëjtin seksion tërthor. Kjo do të thotë, ndër të tjera, se e njëjta rrymë do të ngrohë një përcjellës alumini më shumë se një prej bakri.

Efekti termik i rrymës

Elektrone të lira përplasen me jonet e rrjetës kristalore, duke u dhënë atyre në çdo përplasje energji kinetike të fituar gjatë udhëtimit të lirë nën ndikimin e një fushe elektrike. Si rezultat, lëvizja e urdhëruar e elektroneve në një metal mund të konsiderohet si lëvizje uniforme me një shpejtësi të caktuar konstante.
Meqenëse energjia kinetike e elektroneve të fituara nën ndikimin e një fushe elektrike transferohet në jonet e rrjetës kristalore në rast përplasjeje, përcjellësi nxehet kur kalon një rrymë e drejtpërdrejtë.

Në rast të rrymës alternative ndodh i njëjti efekt. Dallimi i vetëm është se elektronet nuk lëvizin në një drejtim, por nën ndikimin e një fushe elektrike alternative ato lëkunden përpara dhe mbrapa në frekuencën e rrjetit (50/60 Hz), duke mbetur praktikisht në vend.
Në këtë rast, elektronet gjithashtu përplasen me atomet e rrjetës kristalore metalike, transferojnë energjinë e tyre kinetike dhe kjo çon në ngrohjen e rrjetës kristalore. Në vlera mjaft të larta të rrymës, një grilë e nxehtë mund të humbasë edhe lidhjet e përhershme (metali do të fillojë të shkrihet).