მარტივი ელექტრული სიდიდეები: დენი, ძაბვა, სიმძლავრე

ძაბვა და დენი ელექტრობის ძირითადი კონცეფციებია. ელექტრობის ამ ძირითადი სიდიდეებისთვის შევქმნით ჩვენს პირველ წარმოსახვით მოდელებს. აგრეთვე, ვილაპარაკებთ სიმძლავრეზე, მოვლენაზე, რომელიც ძაბვისა და დენის ურთიერთქმედებისას წარმოიქმნება.

ელექტრობის კონცეფცია ჩნდება ბუნებაზე დაკვირვებიდან. ჩვენ ვაკვირდებით საგნებს შორის ძალას, რომელიც, გრავიტაციასავით, მანძილზე მოქმედია. ამ ძალის წყაროს ვუწოდეთ მუხტი. შესამჩნევია, რომ ელექტრული ძალა დიდია, გრავიტაციულზე გაცილებით ძლიერი. მაგრამ, გრავიტაციულისგან განსხვავებით, არსებობს ელექტრული მუხტის ორი ტიპი. მუხტის საწინააღმდეგო ტიპები იზიდავენ ერთმანეთს, ერთნაირები კი განიზიდავენ. გრავიტაციას მხოლოდ ერთი ტიპი ახასიათებს: ის მხოლოდ მიიზიდავს და არასდროს განიზიდავს.

გამტარები შედგება ატომებისგან, რომელთა გარე შრის, ანუ სავალენტო, ელექტრონებს აქვთ შედარებით სუსტი ბმა თავის ბირთვთან, როგორც ნაჩვენებია ამ სპილენძის ატომის მოდელის სურათზე. როდესაც რამდენიმე მეტალის ატომი ერთადაა, ისინი სიამოვნებით უზიარებენ ერთმანეთს თავის გარე ელექტრონებს, რითიც ქმნიან ელექტრონების „ჯგუფს", რომელიც არ არის დაკავშირებული რომელიმე კონკრეტულ ბირთვთან. ძალიან პატარა ელექტრულ ძალასაც შეუძლია ამ ელექტრონების ჯგუფის ამოძრავება. სპილენძი, ოქრო, ვერცხლი და ალუმინი კარგი გამტარები არიან. ასევე კარგი გამტარია მარილიანი წყალი.

ასევე არსებობს ცუდი გამტარებიც. ვოლფრამი - მეტალი, რომელიც გამოიყენება ელექტრონათურის ვარვარის ძაფისთვის - და ნახშირბადი - ალმასის ფორმით - შედარებით ცუდი გამტარები არიან, რადგან მათი ელექტრონები ნაკლებად მოძრავია.

დიელექტრიკი ისეთი მასალაა, რომელთა გარე ელექტრონები მჭიდროდ დაბმულია თავის ბირთვზე. სუსტ ელექტრულ ძალას არ შეუძლია ამ ელექტრონების გათავისუფლება. ელექტრული ძალის ზემოქმედებისას ატომის ირგვლივ მყოფი ელექტრონის ღრუბლები იჭიმება და ფორმას იცვლის ამ ძალის საპასუხოდ, მაგრამ ელექტრონები თავის ატომში რჩება. შუშა, პლასტმასა, ქვა და ჰაერი დიელექტრიკებია, თუმცა დიელექტრიკებისთვისაც შესაძლებელია ელექტრული ძალის ისე გაზრდა, რომ მოხდეს ელექტრონების ამოგლეჯვა - ამას გარღვევა ეწოდება. ეს მოვლენა ემართება ჰაერის მოლეკულებს, როდესაც თქვენ ნაპერწკალს ხედავთ.

ნახევარგამტარები არიან გამტარებსა და დიელექტრიკებს შორის. ჩვეულებრივ, ისინი დიელექტრიკებივით იქცევიან, მაგრამ ზოგ შემთხვევაში შეგვიძლია, ავამოქმედოთ ისინი, როგორც გამტარები. ყველაზე ცნობილი ნახევარგამტარია სილიციუმი (ატომური რიცხვი $14$‍). სილიციუმის გამტარობისა და დიელექტრიკობის თვისებების მაღალი სიზუსტით კონტროლი გვაძლევს საშუალებას, შევქმნათ თანამედროვე საოცრებები, როგორებიცაა კომპიუტერი და მობილური ტელეფონები. ნახევარგამტარი მოწყობილობების მოქმედების პრინციპის ატომური დონის დეტალებს კვანტური მექანიკა განსაზღვრავს.

დენი არის მუხტის დინება.

მუხტი მოძრაობს დენში.

დენი არის მუხტების რაოდენობა, რომელიც კვეთს საზღვარს დროის ერთეულოვან ინტერვალში. წარმოიდგინეთ, რომ მავთულში გაატარეთ საზღვარი. მიუახლოვდით საზღვარს და დათვალეთ მასში გამავალი მუხტების რაოდენობა. აღნიშნეთ, რამდენი მუხტი გავიდა ამ საზღვარში ერთი წამის განმავლობაში. ჩვენ მივანიჭებთ დადებით ნიშანს დენს, რომელიც შეესაბამება მიმართულებას, რომლითაც იმოძრავებდა დადებითი მუხტი.

რადგან დენი არის საზღვარში გამავალი მუხტის რაოდენობა დროის ფიქსირებულ შუალედში, მათემატიკურად ის შეიძლება შემდეგი განტოლებით გამოვსახოთ:

ეს არის დენის მოკლე მიმოხილვა.

რა არის დენის გადამტანი მეტალებში? რადგან მეტალებში ელექტრონებს აქვთ თავისუფლად მოძრაობის საშუალება, იქ დენი მოძრავი ელექტრონებისგან შედგება. დადებითი მუხტები ადგილზე რჩება და მათ დენში წვლილი არ შეაქვთ. იმის მიუხედავად, რომ ელექტრონებს აქვთ უარყოფითი მუხტი და ელექტრულ წრედებში ძირითად მუშაობას ისინი ასრულებენ, ჩვენ მაინც განვმარტეთ დადებითი დენი, როგორც მიმართულება, რომლითაც იმოძრავებდა დადებითი მუხტი. ეს არის ძალიან უცნაური ისტორიული შეთანხმება.

შეიძლება, რომ დენის გადამტანი დადებითი მუხტები იყოს? კი. ბევრი მაგალითი არსებობს. მარილიან წყალში დენი გადაეცემა როგორც დადებითი, ასევე უარყოფითი მუხტებით. თუ ჩვენ წყალს დავუმატებთ ჩვეულებრივ სუფრის მარილს, ის კარგი გამტარი იქნება. სუფრის მარილი არის ნატრიუმქლორიდი, NaCl. მარილი წყალში იხსნება თავისუფლად მოტივტივე Na${}^{+}$‍-სა და Cl${}^{-}$‍-ის იონებად. ორივე იონი ურთიერთქმედებს ელექტრულ ძალასთან და მოძრაობს მარილიანი წყლის ხსნარში, სხვადასხვა მიმართულებით. ამ შემთხვევაში დენი შედგება მოძრავი დადებითად და უარყოფითად იონიზირებულ ატომებისგან და არა უბრალოდ თავისუფალი ელექტრონებისგან. ჩვენს სხეულებში, ელექტრული დენები შედგება როგორც დადებითი, ასევე უარყოფითი იონების მოძრაობისგან. დენის იგივე განმარტება მუშაობს აქაც: დათვალეთ, რამდენი მუხტი გაივლის დროის ფიქსირებულ შუალედში.

რა იწვევს დენს? დამუხტული ობიექტები მოძრაობს მათზე ელექტრული და მაგნიტური ძალების მოქმედების გამო. ეს ძალები ჩნდებიან ელექტრული და მაგნიტური ველებიდან, რომლებიც, თავის მხვრივ, ჩნდებიან სხვა მუხტების მდებარეობისა და მოძრაობიდან.

რა არის დენის სიჩქარე? ჩვენ იშვიათად ვლაპარაკობთ დენის სიჩქარეზე. შეკითხვაზე „რა სიჩქარით მოძრაობს დენი?" პასუხის გასაცემად საჭიროა რთული ფიზიკური მოვლენის გააზრება, რაც ხშირად არ არის აქტუალური. დენში მთავარია არა მეტრი წამში, არამედ მუხტი წამში. ხშირად ჩვენ ვპასუხობთ შეკითხვაზე „რა რაოდენობის დენი მოძრაობს?".

როგორ ვლაპარაკობთ დენზე? როდესაც განვიხილავთ დენს, ვიყენებთ თანდებულს ში, რაც ლოგიკურია. დენი მოძრაობს რეზისტორში, დენი მოძრაობს მავთულში. თუ გაიგებთ ფრაზას „რამის ბოლოებზე მოდებული დენი", ეს უცნაურად უნდა მოგეჩვენოთ.

იმისთვის, რომ გავიგოთ ძაბვის კონცეფცია, შეგვიძლია გამოვიყენოთ ანალოგია:

$m$‍ მასისთვის, $h$‍ სიმაღლეში ცვლილებას შეესაბამება პოტენციურ ენერგიაში ცვლილება, $\mathrm{\Delta }U=mg\mathrm{\Delta }h$‍.

დამუხტულ ნაწილაკ $q$‍-სთვის, ძაბვა $V$‍-ს შეესაბამება პოტენციურ ენერგიაში ცვლილება, $\mathrm{\Delta }U=qV$‍.

ძაბვა ელექტრულ წრედში $g\cdot \mathrm{\Delta }h$‍ ნამრავლის ანალოგიურია, სადაც $g$‍ არის გრავიტაციული აჩქარება და $\mathrm{\Delta }h$‍ სიმაღლეში ცვლილებაა.

გორაკის ზემოდან ბურთი ქვემოთ ჩამოგორდება. სიმაღლის ნახევარზე მას გაცემული აქვს თავისი პოტენციური ენერგიის ნახევარი.

ელექტრონი ძაბვის „გორაკის" ზემოდან მოძრაობს „ქვემოთ" მავთულებსა და წრედის ელემენტებში. ის გასცემს თავის პოტენციურ ენერგიას და გზაში მუშაობას ასრულებს. სიმაღლის ნახევარზე ელექტრონს გაცემული ან „დახარჯული" ექნება თავისი პოტენციური ენერგიის ნახევარი.

როგორც ბურთისთვის, ასევე ელექტრონისთვის გორაკიდან ქვემოთ მოძრაობა სპონტანურად ხდება. ბურთიც და ელექტრონიც თავისით მოძრაობს დაბალი ენერგიის მდგომარეობისაკენ. ქვემოთ მოძრაობისას ბურთს შეიძლება, შეხვდეს დაბრკოლებები, მაგალითად, ხეები ან დათვები, რომლებზეც მას ასხლეტვა შეუძლია. ელექტრონის შემთხვევაში, ჩვენ მავთულებით შეგვიძლია, მიმართულება მივცეთ ელექტრონების მოძრაობას ისე, რომ მათ გაიარონ ელექტრულ კომპონენტებში - წრედის დიზაინში - და გზაში საინტერესო რამ გააკეთონ.

ჩვენ შეგვიძლია, მათემატიკურად გამოვსახოთ ორ წერტილს შორის ძაბვა, როგორც ერთეულოვანი მუხტის ენერგიის ცვლილება:

ეს არის ძაბვის ინტუიციური აღწერა.

სიმძლავრე განმარტებულია, როგორც ენერგიის ($\text{U}$‍) დროში გარდაქმნის ან გადაცემის სიჩქარე. ჩვენ ვზომავთ სიმძლავრეს ჯოულ/წამებში, რაც ასევე ცნობილია, როგორც ვატები.

($1\text{ვატი}=1\text{ჯოული}/\text{წამში}$‍)

ელექტრულ წრედს შეუძლია სიმძლავრის გადაცემა. დენი არის მუხტის მოძრაობის სიჩქარე და ძაბვა ზომავს ერთეულოვანი მუხტით გადაცემულ ენერგიას. ჩვენ შეგვიძლია ამ განმარტებების სიმძლავრის განტოლებაში ჩასმა:

ელექტრული სიმძლავრე არის ძაბვისა და დენის ნამრავლი. ვატის ერთეულებში.

ეს წარმოსახვითი მოდელები დენისა და ძაბვისთვის დაგვეხმარება სხვადასხვა საინტერესო ელექტრული წრედების გარჩევაში.

თუ თქვენ გინდათ, უფრო მეტი გაიგოთ ძაბვაზე, შეგიძლიათ, ელექტრული პოტენციალისა და ძაბვის უფრო ფორმალური მათემატიკური აღწერა წაიკითხოთ.