Elektriskā strāva

- [Lektors] Elektrība, kas iededz

gaismu augšā, izskatās ļoti atšķirīga no zibens spērieniem,

bet patiesībā tie ir līdzīgāki, nekā varētu domāt,

jo abos ir elektriskā strāva.

Sapratīsim, kas ir elektriskā strāva,

kā tā rodas,

kā arī nedaudz uzzināsim par zibeni.

Kas tieši ir elektriskā strāva?

Domā par elektrisko strāvu

kā par summārā lādiņa plūsmu caur noteiktu laukumu.

Lūk, ko es domāju ar summārā lādiņa plūsmu.

Iedomājies, ka tev ir neliels šķērsgriezuma laukums,

caur kuru plūst vienāds daudzums

pozitīvo lādiņu

pa labi un pa kreisi noteiktā laika posmā.

Ievēro, ka plūsma pastāv,

bet nav summārās plūsmas (smejas),

un tāpēc mēs sakām, ka strāva ir 0.

Cits interesants piemērs – kas notiek, ja ir vienāds daudzums

pozitīvo un negatīvo lādiņu, kas plūst

vienā virzienā tajā pašā laikā, teiksim,

atkal caur noteiktu šķērsgriezuma laukumu.

Atkal ievēro, ka lādiņu plūsma pastāv,

bet kopējā plūsma šeit, kopējais lādiņš,

kas plūst, ir 0. (smejas)

Tātad summārais lādiņš joprojām ir 0,

un tāpēc šeit nav elektriskās strāvas.

Labi, kā ir tagad? O, tagad mums ir elektriskā strāva.

Tagad mums ir pozitīvs summārais lādiņš, kas plūst pa labi.

Šeit ir elektriskā strāva.

Tagad mums ir negatīvs summārais lādiņš, kas plūst pa labi.

Mums ir elektriskā strāva. Labi?

Tā ir summārā lādiņa plūsma, bet kā to izmērīt?

Mēs to mērām kā lādiņu daudzumu, kas plūst

caur jebkuru doto šķērsgriezuma laukumu sekundē.

Varat par to domāt kā kuloniem sekundē.

Cik kulonu izplūst sekundē?

Un kulonus sekundē sauc arī par,

tos sauc par ampēriem, labi? Lielais A, ampēri.

Un tikai lai sniegtu tipiskus skaitļus -

jūsu gaisa kondicionieri, sildītāji,

tie patērē 10 līdz 15 ampērus strāvas.

Jūsu griestu ventilators, lampas, televizori - mazāk par

to, apmēram 1 vai 2 ampērus.

Un mazākas shēmas, piemēram, rotaļlietu shēmas

un tamlīdzīgi, tajās būtu vēl mazāk.

Tās būtu ampēra daļas. Bet kā ir ar zibeni?

O! (smejas)

Zibenī var būt desmitiem tūkstošu ampēru.

Labi, kā mēs iegūstam elektrisko strāvu?

Kā mēs radām elektrisko strāvu?

Elektriskajai strāvai mums ir vajadzīgs spriegums.

Tāpat kā, lai liktu bumbai ripot, tev ir nepieciešama

augstuma starpība,

kas rada gravitācijas potenciālu starpību

starp, teiksim, dēļa galiem.

Līdzīgi, ja vajag radīt strāvu vadā,

tev ir nepieciešama elektriskā potenciālu starpība

starp tā galiem.

Kad tev ir elektriskā potenciālu starpība,

vari iegūt strāvu, bet tev arī jāpārliecinās,

ka tur ir lādiņi.

Ka materiālā ir lādiņi, kas var brīvi kustēties.

Ne visiem materiāliem tādi ir, piemēram, stiklam vai plastmasai.

Tiem nav brīvo lādiņu, jo,

ja ieskatās tajos iekšā, tos var modelēt

un teikt - zini ko?

Elektroni šajos atomos ir ļoti cieši saistīti.

Tāpēc nav brīvu elektronu, kas varētu kustēties.

Nav lādiņu, kas varētu kustēties.

Tāpēc, ja tu pieliec spriegumu

tiem, visticamāk, nekādu strāvu neiegūsi.

Mēs šādus materiālus saucam par izolatoriem - stikls,

koks, plastmasa ir izolatoru piemēri.

No otras puses, ja ņem metālus,

no kuriem gatavo vadus, tad redzēsi,

ka ārējie elektroni nav cieši saistīti.

Rezultātā tie var brīvi pārvietoties pa materiālu.

Mēs tos saucam par brīvajiem elektroniem.

Un, tā kā ir pieejami brīvie lādiņi

kustībai, mēs šos materiālus saucam par vadītājiem,

jo, ja tiem pieliek spriegumu,

šie elektroni var kustēties un veidot strāvu.

Tātad, lai būtu elektriskā strāva, ir vajadzīgs

spriegums vadītājā.

Labi, bet kā vispār iegūt spriegumu?

Mazās ķēdēs, kā jūs droši vien jau zināt,

spriegumu nodrošina baterija.

Viens baterijas gals ir ar augstāku potenciālu,

otrs baterijas gals ir ar zemāku potenciālu.

Un, kad to pieslēdz ķēdei, tā nodrošina

potenciālu starpību.

Bet lielākās ķēdēs, piemēram,

mūsu mājās, potenciālu starpību nodrošina

lieli elektriskie ģeneratori mūsu elektrostacijās.

Un, starp citu, zīmējot bateriju ķēdē,

mēs izmantojam ķēdes simbolu, kas izskatās šādi.

Garākā līnija apzīmē pozitīvo polu,

un īsākā, biezākā līnija apzīmē negatīvo polu.

Tā, lai, uzzīmējot šo, mums nebūtu jāzīmē

tāda liela baterija.

Jebkurā gadījumā, lai gan mums ir baterija

šajā ķēdē šobrīd, mums nav strāvas,

mums nav potenciālu starpības spuldzē.

Kāpēc?

Redziet,

tas ir tāpēc, ka ķēde nav noslēgta.

Mēs sakām, ka pa vidu ir gaiss.

Gaiss ir lielisks izolators un

tāpēc šeit nebūs nekādas strāvas.

Lai būtu strāva, mums ir

jānoslēdz ķēde, tas nozīmē, ka jāsavieno šī sprauga,

un te ir slēdzis, šis ir slēdzis.

Ja es aizveru slēdzi

šādi, tagad ķēde ir noslēgta.

Tagad būs potenciālu starpība starp

spuldzes galiem un šeit būs strāva.

Es atvēršu slēdzi.

Elektriskās strāvas nav, ķēde ir pārrauta.

Aizveru slēdzi, būs elektriskā strāva.

Tā kā es salīdzināju lādiņu kustību

ar bumbas ripošanu lejup, mēs to varētu modelēt,

domājot - kad nav sprieguma,

visi lādiņi ir miera stāvoklī, teiksim, elektroni

šeit ir miera stāvoklī, un, kad es noslēdzu ķēdi,

elektroni tagad skaisti kustas.

Bet tas nav ļoti precīzs veids, kā par to domāt,

tas nav labs modelis.

Tā vietā labāks modelis ir - ja ieskatītos

vadā, mēs redzētu, ka elektroni

haotiski kustas, ietriecoties

lietās, jo tiem ir daudz

enerģijas pat tad, kad nav sprieguma.

Tātad tie nav miera stāvoklī, tie

faktiski kustas ļoti lielā ātrumā.

Bet kas notiek, kad mēs aizveram slēdzi?

Kad noslēdzam ķēdi, skatieties,

rodas potenciālu starpība

un tāpēc vadā rodas elektriskais lauks,

šis elektriskais lauks sāk stumt elektronus.

Un skatieties, tagad var redzēt, ka elektroni

lēnām dreifē pa kreisi.

Tieši šī dreifējošā kustība veido strāvu,

un kas liek tiem dreifēt pa kreisi?

Atkal ir dažas analoģijas, kas saka,

ka elektroni stumj viens otru, liekot tiem dreifēt.

Bet tas atkal nav ļoti precīzi.

Labāk par to domāt tā,

ka baterija rada elektrisko lauku.

Vadā tiek radīts elektriskais lauks.

Tieši šis elektriskais lauks izraisa,

tas stumj elektronus, liekot tiem dreifēt

pa kreisi.

Bet pagaidiet, kāpēc es parādīju,

ka elektroni šeit dreifē pa kreisi?

Padomāsim par to.

Viens veids, kā par to domāt - varētu teikt,

ka, hei, elektronus pievelk

baterijas pozitīvais pols un atgrūž

baterijas negatīvais pols, liekot

elektroniem virzīties šurp.

Bet jautājums, kas var rasties -

vadā tas nozīmē, ka elektroni virzās

no zemāka potenciāla uz augstāku potenciālu,

it kā kāptu kalnā.

Kā tam var būt jēga?

Tas ilgu laiku radīja neskaidrības.

Parunāsim par to nedaudz. Labi?

Ja man ir liels pozitīvs lādiņš

un blakus tam es turu ļoti mazu pozitīvu lādiņu

miera stāvoklī, teiksim,

un es to atlaižu, tad mēs zinām, ka tas tiek atgrūsts

un iegūst kinētisko enerģiju šajā virzienā.

Tā kā enerģija saglabājas, mēs varētu jautāt, no kurienes

radās šī kinētiskā enerģija?

Mēs sakām - ā, tai jābūt no potenciālās enerģijas.

Tātad, pārvietojoties no šejienes uz turieni,

sistēmai jāzaudē potenciālā enerģija,

un tāpēc mēs tagad varam teikt, ka, hei,

šis punkts apzīmē augsta potenciāla apgabalu.

Šis punkts apzīmē zema potenciāla apgabalu,

un tas apzīmē lādiņu kustības virzienu lejup.

Ejot no šejienes uz turieni, tā potenciālā enerģija

sāk pārvērsties kinētiskajā enerģijā.

Līdzīgi tam, kas notiek ar šo bumbu, kas ripo lejā.

Bet kā ar negatīvajiem lādiņiem?

Negatīvajiem lādiņiem būs tieši pretēji.

Tos pievilks šis pozitīvais lādiņš.

Tātad tie iegūs kinētisko enerģiju šajā virzienā.

Un negatīvajiem lādiņiem tas ir tieši pretēji -

kad tie virzās no šejienes uz turieni, tas ir virziens,

kurā tie zaudē potenciālo enerģiju

un iegūst kinētisko enerģiju.

Tātad šeit jābūt augstam, šeit zemam,

tam vajadzētu apzīmēt virzienu lejup.

Bet tagad problēma ir - kuru virzienu saukt

par leju lādiņiem?

Mēs varētu teikt, hei, pozitīvajam lādiņam šis ir lejup,

un negatīvajiem lādiņiem šis ir lejup,

bet mēs izlēmām - nē, nē, nē, izmantosim tikai vienu no tiem

kā atskaites punktu un uzskatīsim vienu virzienu

par mūsu faktisko leju.

Tāpēc nolēmām - lai kas notiktu

ar pozitīvu lādiņu, izmantosim pozitīvo lādiņu

kā mūsu atskaites punktu,

un kurā virzienā pozitīvais lādiņš dabiski tiecas

virzīties, mēs sauksim šo virzienu par leju

lādiņiem, ja, lejup potenciālā.

Šī atskaites punkta dēļ

pēc definīcijas pozitīvie lādiņi virzās

lejup pa elektrisko potenciālu.

Negatīvie lādiņi galu galā virzās

augšup pa elektrisko potenciālu, nevis

tāpēc, ka tie burtiski dotos

uz augstākas potenciālās enerģijas apgabalu.

Nē, nē, tie arī virzās uz

zemākas potenciālās enerģijas apgabalu.

Tas ir tikai atskaites punkts, jo mūsu atskaites punkti augstam

un zemam ir izvēlēti, ziniet, no skatpunkta

kas atbilst pozitīvajam lādiņam.

Šī atskaites punkta dēļ,

negatīvie lādiņi virzās augšup pa potenciālu,

tiem ir dabiska tieksme virzīties augšup pa potenciālu.

Vai tam ir jēga?

Un tāpēc elektroniem, kas ir negatīvi lādiņi,

ir dabiska tieksme virzīties augšup pa elektrisko potenciālu.

Tagad pēdējais jautājums, kas mums varētu būt, ir

par strāvas virzienu.

Kāds ir strāvas virziens šeit?

Mēs varētu teikt - hei,

kurā virzienā lādiņi dreifē,

tas arī varētu būt strāvas virziens.

Tas ir dabiskākais veids, kā par to domāt, vai ne?

Tātad elektroni dreifē šajā virzienā.

Tātad teiksim, ka tā ir strāva,

bet atkal ir problēma,

jo mums ir pozitīvie un negatīvie lādiņi.

Atcerieties to piemēru, kur mums bija gan pozitīvie,

gan negatīvie lādiņi, vienādi pozitīvie

un negatīvie lādiņi, kas plūda

caur laukumu, dodot 0 strāvu,

jo summārais lādiņš šeit ir 0.

Ja es teiktu, ka, hei, ziniet,

vienalga, kādā virzienā lādiņi kustas, sauksim

šo virzienu par strāvu, tad man ir problēma.

Jo es varētu teikt, ka pozitīvie lādiņi dod man

strāvu šajā virzienā, negatīvie lādiņi

arī dod man strāvu šajā virzienā,

bet es zinu, ka kopējai strāvai jābūt 0.

Tātad tas nedarbojas, jo ziniet, šie divi,

ja es tos saskaitu, es neiegūstu 0, man vajadzētu iegūt summāro strāvu

pa labi, bet tā nav taisnība.

Es zinu, ka strāvai jābūt 0.

Lai to atrisinātu, mēs nolēmām - hei, ziniet ko?

Kurā virzienā kustas pozitīvie lādiņi, mēs teiksim,

ka tas ir strāvas virziens.

Un negatīvajiem lādiņiem

mēs teiksim, ka strāvas virziens ir pretējs.

Tātad mēs teicām - ja negatīvie lādiņi kustas pa labi,

mēs teiksim, ka strāvas virziens ir pa kreisi.

Un tagad skatieties, tagad kopējā strāva kļūst 0,

jo strāva pa labi un pa kreisi viena otru dzēš.

Tagad tam ir jēga.

Tātad vienošanās

par strāvas virziena izvēli

ir - kurā virzienā virzās pozitīvie lādiņi,

tas ir strāvas virziens.

Ja ir negatīvie lādiņi - pretēji.

Kurā virzienā virzās negatīvie lādiņi, pretēji

tam, tas būs strāvas virziens.

Labi? (smejas)

Tā kā vados tieši elektroni

ir tie, kas vienmēr dreifē, tie ir tie,

kas veido strāvu,

un elektroni ir negatīvi lādētas daļiņas.

Mūsu pieņēmums par strāvu būtu nevis elektronu

plūsmas virziens, bet pretēji elektronu

plūsmas virzienam, tas būtu šādi.

Tātad konvencionālais strāvas virziens, ievērojiet, ir

pretējs elektronu plūsmas virzienam.

Un es jums pateikšu, kas var būt nomācoši,

jo vairumā gadījumu mēs saskarsimies ar elektronu plūsmām.

Tas būs nomācoši, jo

vairumā gadījumu mūsu konvencionālā strāva būs

pretējā virzienā lādiņu faktiskajai kustībai,

lādiņu faktiskajai dreifēšanai.

Bet ir žēl, ka elektroni,

kas ir galvenie lādiņa nesēji

vairumā ķēžu, ir (smejas)

negatīvi lādētas daļiņas.

Un pozitīvie lādiņi mums ir atskaites punkts.

Un tāpēc sākumā tas var šķist nedaudz dīvaini,

bet jūs pieradīsiet, pārāk neuztraucieties.

Tas mūs beidzot noved pie zibens.

Kas tieši ir zibens?

Zibens arī ir elektriskā strāva,

kas nozīmē lādiņu plūsmu.

Bet kā tas notiek?

Un, kas ir vēl svarīgāk, zibens ir lādiņu

plūsma caur gaisu, bet gaiss ir izolators.

Un mēs redzējām, ka izolatori nevada elektrību.

Tātad, kas šeit notiek?

Mēs neiedziļināsimies pārāk daudzās detaļās,

bet izrādās, ka mākoņos parasti ir atdalīti lādiņi.

Tā augšdaļa parasti ir pozitīvi lādēta,

un apakša ir negatīvi lādēta.

Tā kā apakša ir tuvāk

Zemei, negatīvie lādiņi atgrūž Zemes elektronus

no sevis, jo negatīvie atgrūžas.

Un, kad elektroni tiek atgrūsti, zemes

virsma būs lielākoties pozitīvi lādēta.

Pērkona negaisa laikā lādiņi uzkrājas,

jo gaiss ir izolators,

jo šeit nav koronas izlādes,

lādiņi var uzkrāties, un rezultātā

potenciālu starpība kļūst neticami augsta.

Tā var sasniegt miljoniem voltu.

Galu galā notiek tas, ka elektroni

no gaisa molekulu atomiem, piemēram, skābekļa, slāpekļa,

un visa pārējā, faktiski var tikt izrauti.

Un mēs atkal neiedziļināsimies detaļās par to,

kā tas notiek, bet jūs tagad varat iedomāties -

ja elektroni tiek izrauti.

Tagad mums parādās lādiņi.

Tiklīdz mums ir lādētas daļiņas

pa vidu, mums ir vadošs kanāls.

Un, tiklīdz mums ir šis vadošais kanāls,

lādiņi var tikt it kā izgāzti Zemē.

Un tas būtībā ir tas, ko mēs saucam par zibeni.

Zibens rada daudz siltuma.

Tas ir viens no iemesliem, kāpēc tas spīd un to var redzēt.

Bet šis karstums izraisa arī strauju gaisa

izplešanos, liekot gaisam vibrēt.

Un šīs vibrācijas galu galā sasniedz mūsu ausis

pēc kāda laika, un mēs to saucam par pērkonu.

Tātad, skatieties, zibens ir elektriskā strāva, un uzminiet, kas vēl?

Dzirksteļošana, kas dažreiz notiek, tās kaitinošās dzirksteles,

ko saņemam, kad uzlādējamies

un mēģinām pieskarties durvju rokturim, piemēram.

(smejas)

Tas ir ļoti līdzīgi tam, kas notiek zibenī.

Tā ir zibens miniatūra versija.