Elektriskā strāva

Apskatīt video Khan Academy platformā: Khan AcademyElectric current

Transkripts:
00:00
- [Lektors] Elektrība, kas iededz
00:01
gaismu, atšķiras no zibens spērieniem,
00:05
bet patiesībā ir līdzīgāki, nekā varētu likties,
00:08
jo abos ir elektriskā strāva.
00:10
Sapratīsim, kas ir elektriskā strāva,
00:12
kā tā rodas,
00:13
kā arī nedaudz uzzināsim par zibeni.
00:16
Kas tieši ir elektriskā strāva?
00:18
Domā par elektrisko strāvu
00:19
kā par summārā lādiņa plūsmu caur noteiktu laukumu.
00:23
Lūk, ko es domāju ar summārā lādiņa plūsmu.
00:26
Iedomājies, ka tev ir neliels šķērsgriezuma laukums,
00:28
caur kuru plūst vienāds daudzums
00:30
pozitīvo lādiņu
00:31
pa labi un pa kreisi noteiktā laika posmā.
00:33
Ievēro, ka plūsma pastāv,
00:35
bet nav summārās plūsmas (smejas),
00:37
un tāpēc mēs sakām, ka strāva ir 0.
00:39
Cits interesants piemērs – kas notiek, ja ir vienāds daudzums
00:42
pozitīvo un negatīvo lādiņu, kas plūst
00:45
vienā virzienā tajā pašā laikā, teiksim,
00:47
atkal caur noteiktu šķērsgriezuma laukumu.
00:49
Atkal ievēro, ka lādiņu plūsma pastāv,
00:51
bet kopējā plūsma šeit, kopējais lādiņš,
00:54
kas plūst, ir 0. (smejas)
00:55
Tātad summārais lādiņš joprojām ir 0,
00:57
un tāpēc šeit nav elektriskās strāvas.
01:00
Labi, kā ir tagad? O, tagad mums ir elektriskā strāva.
01:05
Tagad mums ir pozitīvs summārais lādiņš, kas plūst pa labi.
01:08
Šeit ir elektriskā strāva.
01:10
Tagad mums ir negatīvs summārais lādiņš, kas plūst pa labi.
01:13
Mums ir elektriskā strāva. Labi?
01:16
Tā ir summārā lādiņa plūsma, bet kā to izmērīt?
01:20
Mēs to mērām kā lādiņu daudzumu, kas plūst
01:24
caur jebkuru doto šķērsgriezuma laukumu sekundē.
01:27
Varat par to domāt kā kuloniem sekundē.
01:31
Cik kulonu izplūst sekundē?
01:35
Un kulonus sekundē sauc arī par,
01:38
tos sauc par ampēriem, labi? Lielais A, ampēri.
01:43
Un tikai lai sniegtu tipiskus skaitļus -
01:45
jūsu gaisa kondicionieri, sildītāji,
01:47
tie patērē 10 līdz 15 ampērus strāvas.
01:50
Jūsu griestu ventilators, lampas, televizori - mazāk par
01:54
to, apmēram 1 vai 2 ampērus.
01:56
Un mazākas shēmas, piemēram, rotaļlietu shēmas
01:59
un tamlīdzīgi, tajās būtu vēl mazāk.
02:01
Tās būtu ampēra daļas. Bet kā ir ar zibeni?
02:04
O! (smejas)
02:05
Zibenī var būt desmitiem tūkstošu ampēru.
02:09
Labi, kā mēs iegūstam elektrisko strāvu?
02:11
Kā mēs radām elektrisko strāvu?
02:12
Elektriskajai strāvai mums ir vajadzīgs spriegums.
02:16
Tāpat kā, lai liktu bumbai ripot, tev ir nepieciešama
02:18
augstuma starpība,
02:20
kas rada gravitācijas potenciālu starpību
02:24
starp, teiksim, dēļa galiem.
02:26
Līdzīgi, ja vajag radīt strāvu vadā,
02:30
tev ir nepieciešama elektriskā potenciālu starpība
02:34
starp tā galiem.
02:35
Kad tev ir elektriskā potenciālu starpība,
02:37
vari iegūt strāvu, bet tev arī jāpārliecinās,
02:39
ka tur ir lādiņi.
02:41
Ka materiālā ir lādiņi, kas var brīvi kustēties.
02:45
Ne visiem materiāliem tādi ir, piemēram, stiklam vai plastmasai.
02:49
Tiem nav brīvo lādiņu, jo,
02:50
ja ieskatās tajos iekšā, tos var modelēt
02:52
un teikt - zini ko?
02:54
Elektroni šajos atomos ir ļoti cieši saistīti.
02:57
Tāpēc nav brīvu elektronu, kas varētu kustēties.
02:59
Nav lādiņu, kas varētu kustēties.
03:00
Tāpēc, ja tu pieliec spriegumu
03:01
tiem, visticamāk, nekādu strāvu neiegūsi.
03:04
Mēs šādus materiālus saucam par izolatoriem - stikls,
03:07
koks, plastmasa ir izolatoru piemēri.
03:10
No otras puses, ja ņem metālus,
03:12
no kuriem gatavo vadus, tad redzēsi,
03:14
ka ārējie elektroni nav cieši saistīti.
03:18
Rezultātā tie var brīvi pārvietoties pa materiālu.
03:21
Mēs tos saucam par brīvajiem elektroniem.
03:23
Un, tā kā ir pieejami brīvie lādiņi
03:25
kustībai, mēs šos materiālus saucam par vadītājiem,
03:28
jo, ja tiem pieliek spriegumu,
03:30
šie elektroni var kustēties un veidot strāvu.
03:34
Tātad, lai būtu elektriskā strāva, ir vajadzīgs
03:37
spriegums vadītājā.
03:39
Labi, bet kā vispār iegūt spriegumu?
03:42
Mazās ķēdēs, kā jūs droši vien jau zināt,
03:45
spriegumu nodrošina baterija.
03:47
Viens baterijas gals ir ar augstāku potenciālu,
03:49
otrs baterijas gals ir ar zemāku potenciālu.
03:51
Un, kad to pieslēdz ķēdei, tā nodrošina
03:53
potenciālu starpību.
03:54
Bet lielākās ķēdēs, piemēram,
03:57
mūsu mājās, potenciālu starpību nodrošina
04:00
lieli elektriskie ģeneratori mūsu elektrostacijās.
04:03
Un, starp citu, zīmējot bateriju ķēdē,
04:06
mēs izmantojam ķēdes simbolu, kas izskatās šādi.
04:09
Garākā līnija apzīmē pozitīvo polu,
04:12
un īsākā, biezākā līnija apzīmē negatīvo polu.
04:15
Tā, lai, uzzīmējot šo, mums nebūtu jāzīmē
04:16
tāda liela baterija.
04:18
Jebkurā gadījumā, lai gan mums ir baterija
04:20
šajā ķēdē šobrīd, mums nav strāvas,
04:23
mums nav potenciālu starpības spuldzē.
04:25
Kāpēc?
04:26
Redziet,
04:27
tas ir tāpēc, ka ķēde nav noslēgta.
04:30
Mēs sakām, ka pa vidu ir gaiss.
04:32
Gaiss ir lielisks izolators un
04:35
tāpēc šeit nebūs nekādas strāvas.
04:38
Lai būtu strāva, mums ir
04:40
jānoslēdz ķēde, tas nozīmē, ka jāsavieno šī sprauga,
04:43
un te ir slēdzis, šis ir slēdzis.
04:45
Ja es aizveru slēdzi
04:48
šādi, tagad ķēde ir noslēgta.
04:52
Tagad būs potenciālu starpība starp
04:55
spuldzes galiem un šeit būs strāva.
04:58
Es atvēršu slēdzi.
05:00
Elektriskās strāvas nav, ķēde ir pārrauta.
05:02
Aizveru slēdzi, būs elektriskā strāva.
05:04
Tā kā es salīdzināju lādiņu kustību
05:06
ar bumbas ripošanu lejup, mēs to varētu modelēt,
05:08
domājot - kad nav sprieguma,
05:12
visi lādiņi ir miera stāvoklī, teiksim, elektroni
05:14
šeit ir miera stāvoklī, un, kad es noslēdzu ķēdi,
05:16
elektroni tagad skaisti kustas.
05:18
Bet tas nav ļoti precīzs veids, kā par to domāt,
05:20
tas nav labs modelis.
05:22
Tā vietā labāks modelis ir - ja ieskatītos
05:23
vadā, mēs redzētu, ka elektroni
05:26
haotiski kustas, ietriecoties
05:28
lietās, jo tiem ir daudz
05:29
enerģijas pat tad, kad nav sprieguma.
05:32
Tātad tie nav miera stāvoklī, tie
05:34
faktiski kustas ļoti lielā ātrumā.
05:36
Bet kas notiek, kad mēs aizveram slēdzi?
05:38
Kad noslēdzam ķēdi, skatieties,
05:40
rodas potenciālu starpība
05:42
un tāpēc vadā rodas elektriskais lauks,
05:45
šis elektriskais lauks sāk stumt elektronus.
05:47
Un skatieties, tagad var redzēt, ka elektroni
05:49
lēnām dreifē pa kreisi.
05:51
Tieši šī dreifējošā kustība veido strāvu,
05:56
un kas liek tiem dreifēt pa kreisi?
05:58
Atkal ir dažas analoģijas, kas saka,
06:00
ka elektroni stumj viens otru, liekot tiem dreifēt.
06:02
Bet tas atkal nav ļoti precīzi.
06:05
Labāk par to domāt tā,
06:06
ka baterija rada elektrisko lauku.
06:08
Vadā tiek radīts elektriskais lauks.
06:10
Tieši šis elektriskais lauks izraisa,
06:14
tas stumj elektronus, liekot tiem dreifēt
06:16
pa kreisi.
06:17
Bet pagaidiet, kāpēc es parādīju,
06:19
ka elektroni šeit dreifē pa kreisi?
06:22
Padomāsim par to.
06:23
Viens veids, kā par to domāt - varētu teikt,
06:25
ka, hei, elektronus pievelk
06:26
baterijas pozitīvais pols un atgrūž
06:29
baterijas negatīvais pols, liekot
06:31
elektroniem virzīties šurp.
06:33
Bet jautājums, kas var rasties -
06:34
vadā tas nozīmē, ka elektroni virzās
06:36
no zemāka potenciāla uz augstāku potenciālu,
06:39
it kā kāptu kalnā.
06:40
Kā tam var būt jēga?
06:41
Tas ilgu laiku radīja neskaidrības.
06:43
Parunāsim par to nedaudz. Labi?
06:46
Ja man ir liels pozitīvs lādiņš
06:48
un blakus tam es turu ļoti mazu pozitīvu lādiņu
06:52
miera stāvoklī, teiksim,
06:53
un es to atlaižu, tad mēs zinām, ka tas tiek atgrūsts
06:56
un iegūst kinētisko enerģiju šajā virzienā.
06:59
Tā kā enerģija saglabājas, mēs varētu jautāt, no kurienes
07:01
radās šī kinētiskā enerģija?
07:02
Mēs sakām - ā, tai jābūt no potenciālās enerģijas.
07:06
Tātad, pārvietojoties no šejienes uz turieni,
07:07
sistēmai jāzaudē potenciālā enerģija,
07:10
un tāpēc mēs tagad varam teikt, ka, hei,
07:12
šis punkts apzīmē augsta potenciāla apgabalu.
07:14
Šis punkts apzīmē zema potenciāla apgabalu,
07:17
un tas apzīmē lādiņu kustības virzienu lejup.
07:21
Ejot no šejienes uz turieni, tā potenciālā enerģija
07:23
sāk pārvērsties kinētiskajā enerģijā.
07:24
Līdzīgi tam, kas notiek ar šo bumbu, kas ripo lejā.
07:27
Bet kā ar negatīvajiem lādiņiem?
07:30
Negatīvajiem lādiņiem būs tieši pretēji.
07:32
Tos pievilks šis pozitīvais lādiņš.
07:35
Tātad tie iegūs kinētisko enerģiju šajā virzienā.
07:38
Un negatīvajiem lādiņiem tas ir tieši pretēji -
07:41
kad tie virzās no šejienes uz turieni, tas ir virziens,
07:43
kurā tie zaudē potenciālo enerģiju
07:45
un iegūst kinētisko enerģiju.
07:47
Tātad šeit jābūt augstam, šeit zemam,
07:49
tam vajadzētu apzīmēt virzienu lejup.
07:51
Bet tagad problēma ir - kuru virzienu saukt
07:53
par leju lādiņiem?
07:56
Mēs varētu teikt, hei, pozitīvajam lādiņam šis ir lejup,
07:58
un negatīvajiem lādiņiem šis ir lejup,
08:00
bet mēs izlēmām - nē, nē, nē, izmantosim tikai vienu no tiem
08:03
kā atskaites punktu un uzskatīsim vienu virzienu
08:06
par mūsu faktisko leju.
08:07
Tāpēc nolēmām - lai kas notiktu
08:09
ar pozitīvu lādiņu, izmantosim pozitīvo lādiņu
08:11
kā mūsu atskaites punktu,
08:12
un kurā virzienā pozitīvais lādiņš dabiski tiecas
08:14
virzīties, mēs sauksim šo virzienu par leju
08:17
lādiņiem, ja, lejup potenciālā.
08:19
Šī atskaites punkta dēļ
08:21
pēc definīcijas pozitīvie lādiņi virzās
08:24
lejup pa elektrisko potenciālu.
08:25
Negatīvie lādiņi galu galā virzās
08:27
augšup pa elektrisko potenciālu, nevis
08:29
tāpēc, ka tie burtiski dotos
08:31
uz augstākas potenciālās enerģijas apgabalu.
08:32
Nē, nē, tie arī virzās uz
08:34
zemākas potenciālās enerģijas apgabalu.
08:35
Tas ir tikai atskaites punkts, jo mūsu atskaites punkti augstam
08:37
un zemam ir izvēlēti, ziniet, no skatpunkta
08:40
kas atbilst pozitīvajam lādiņam.
08:41
Šī atskaites punkta dēļ,
08:43
negatīvie lādiņi virzās augšup pa potenciālu,
08:46
tiem ir dabiska tieksme virzīties augšup pa potenciālu.
08:48
Vai tam ir jēga?
08:49
Un tāpēc elektroniem, kas ir negatīvi lādiņi,
08:51
ir dabiska tieksme virzīties augšup pa elektrisko potenciālu.
08:54
Tagad pēdējais jautājums, kas mums varētu būt, ir
08:56
par strāvas virzienu.
08:57
Kāds ir strāvas virziens šeit?
08:59
Mēs varētu teikt - hei,
09:01
kurā virzienā lādiņi dreifē,
09:02
tas arī varētu būt strāvas virziens.
09:04
Tas ir dabiskākais veids, kā par to domāt, vai ne?
09:06
Tātad elektroni dreifē šajā virzienā.
09:07
Tātad teiksim, ka tā ir strāva,
09:10
bet atkal ir problēma,
09:11
jo mums ir pozitīvie un negatīvie lādiņi.
09:12
Atcerieties to piemēru, kur mums bija gan pozitīvie,
09:16
gan negatīvie lādiņi, vienādi pozitīvie
09:17
un negatīvie lādiņi, kas plūda
09:18
caur laukumu, dodot 0 strāvu,
09:19
jo summārais lādiņš šeit ir 0.
09:21
Ja es teiktu, ka, hei, ziniet,
09:23
vienalga, kādā virzienā lādiņi kustas, sauksim
09:25
šo virzienu par strāvu, tad man ir problēma.
09:27
Jo es varētu teikt, ka pozitīvie lādiņi dod man
09:29
strāvu šajā virzienā, negatīvie lādiņi
09:32
arī dod man strāvu šajā virzienā,
09:34
bet es zinu, ka kopējai strāvai jābūt 0.
09:36
Tātad tas nedarbojas, jo ziniet, šie divi,
09:38
ja es tos saskaitu, es neiegūstu 0, man vajadzētu iegūt summāro strāvu
09:41
pa labi, bet tā nav taisnība.
09:42
Es zinu, ka strāvai jābūt 0.
09:44
Lai to atrisinātu, mēs nolēmām - hei, ziniet ko?
09:47
Kurā virzienā kustas pozitīvie lādiņi, mēs teiksim,
09:50
ka tas ir strāvas virziens.
09:52
Un negatīvajiem lādiņiem
09:53
mēs teiksim, ka strāvas virziens ir pretējs.
09:56
Tātad mēs teicām - ja negatīvie lādiņi kustas pa labi,
09:59
mēs teiksim, ka strāvas virziens ir pa kreisi.
10:02
Un tagad skatieties, tagad kopējā strāva kļūst 0,
10:06
jo strāva pa labi un pa kreisi viena otru dzēš.
10:09
Tagad tam ir jēga.
10:10
Tātad vienošanās
10:12
par strāvas virziena izvēli
10:14
ir - kurā virzienā virzās pozitīvie lādiņi,
10:17
tas ir strāvas virziens.
10:19
Ja ir negatīvie lādiņi - pretēji.
10:21
Kurā virzienā virzās negatīvie lādiņi, pretēji
10:23
tam, tas būs strāvas virziens.
10:25
Labi? (smejas)
10:26
Tā kā vados tieši elektroni
10:29
ir tie, kas vienmēr dreifē, tie ir tie,
10:32
kas veido strāvu,
10:33
un elektroni ir negatīvi lādētas daļiņas.
10:36
Mūsu pieņēmums par strāvu būtu nevis elektronu
10:39
plūsmas virziens, bet pretēji elektronu
10:42
plūsmas virzienam, tas būtu šādi.
10:44
Tātad vispārpieņemtais strāvas virziens, ievērojiet, ir
10:47
pretējs elektronu plūsmas virzienam.
10:51
Un es jums pateikšu, kas var būt nomācoši,
10:53
jo vairumā gadījumu mēs saskarsimies ar elektronu plūsmām.
10:57
Tas būs nomācoši, jo
10:58
vairumā gadījumu mūsu vispārpieņemtais strāvas virziens būs
11:00
pretējā virzienā lādiņu faktiskajai kustībai,
11:03
lādiņu faktiskajai dreifēšanai.
11:05
Bet ir žēl, ka elektroni,
11:07
kas ir galvenie lādiņa nesēji
11:09
vairumā ķēžu, ir (smejas)
11:11
negatīvi lādētas daļiņas.
11:13
Un pozitīvie lādiņi mums ir atskaites punkts.
11:15
Un tāpēc sākumā tas var šķist nedaudz dīvaini,
11:18
bet jūs pieradīsiet, pārāk neuztraucieties.
11:20
Tas mūs beidzot noved pie zibens.
11:22
Kas tieši ir zibens?
11:24
Zibens arī ir elektriskā strāva,
11:26
kas nozīmē lādiņu plūsmu.
11:28
Bet kā tas notiek?
11:30
Un, kas ir vēl svarīgāk, zibens ir lādiņu
11:33
plūsma caur gaisu, bet gaiss ir izolators.
11:35
Un mēs redzējām, ka izolatori nevada elektrību.
11:38
Tātad, kas šeit notiek?
11:39
Mēs neiedziļināsimies pārāk daudzās detaļās,
11:40
bet izrādās, ka lādiņi mākoņos parasti ir atdalīti.
11:45
Tā augšdaļa parasti ir pozitīvi lādēta,
11:47
un apakša ir negatīvi lādēta.
11:50
Tā kā apakša ir tuvāk
11:52
Zemei, negatīvie lādiņi atgrūž Zemes elektronus
11:55
no sevis, jo negatīvie atgrūžas.
11:58
Un, kad elektroni tiek atgrūsti, zemes
12:02
virsma būs lielākoties pozitīvi lādēta.
12:06
Pērkona negaisa laikā lādiņi uzkrājas,
12:09
jo gaiss ir izolators,
12:11
jo šeit nav koronas izlādes,
12:12
lādiņi var uzkrāties, un rezultātā
12:14
potenciālu starpība kļūst neticami augsta.
12:17
Tā var sasniegt miljoniem voltu.
12:20
Galu galā notiek tas, ka elektroni
12:24
no gaisa molekulu atomiem, piemēram, skābekļa, slāpekļa,
12:28
un visa pārējā, faktiski var tikt izrauti.
12:32
Un mēs atkal neiedziļināsimies detaļās par to,
12:34
kā tas notiek, bet jūs tagad varat iedomāties -
12:36
ja elektroni tiek izrauti.
12:38
Tagad mums parādās lādiņi.
12:41
Tiklīdz mums ir lādētas daļiņas
12:42
pa vidu, mums ir vadošs kanāls.
12:45
Un, tiklīdz mums ir šis vadošais kanāls,
12:47
lādiņi var tikt it kā izgāzti Zemē.
12:51
Un tas būtībā ir tas, ko mēs saucam par zibeni.
12:53
Zibens rada daudz siltuma.
12:55
Tas ir viens no iemesliem, kāpēc tas spīd un to var redzēt.
12:58
Bet šis karstums izraisa arī strauju gaisa
13:01
izplešanos, liekot gaisam vibrēt.
13:03
Un šīs vibrācijas galu galā sasniedz mūsu ausis
13:06
pēc kāda laika, un mēs to saucam par pērkonu.
13:10
Tātad, skatieties, zibens ir elektriskā strāva, un uzminiet, kas vēl?
13:14
Dzirksteļošana, kas dažreiz notiek, tās kaitinošās dzirksteles,
13:17
ko saņemam, kad uzlādējamies
13:18
un mēģinām pieskarties durvju rokturim, piemēram.
13:20
(smejas)
13:21
Tas ir ļoti līdzīgi tam, kas notiek zibenī.
13:23
Tā ir zibens miniatūra versija.
elektriskā ķēde(electric circuit)
elektriskais lādiņš(electric charge)
spriegums(voltage (potential difference))
strāvas stiprums(electric current (current intensity))

Eksperta komentārs

Video ir aplūkots elektriskās strāvas jēdziens kā elektrisko lādiņu virzīta kustība. Tiek definēts strāvas stiprums kā lādiņa daudzums, kas noteiktā laikā šķērso vadītāja šķērsgriezumu, un nosaukta tā mērvienība — ampērs. Elektriskās strāvas plūšana tiek saistīta ar potenciālu starpību starp ķēdes punktiem.

Tiek spriests par nosacījumiem, pie kādiem var plūst elektriskā strāva: ķēdei jābūt noslēgtai; starp ķēdes punktiem jābūt potenciālu starpībai, kas rada elektrisko lauku.

Aprakstīta un vizualizēta brīvo elektronu haotiskā kustība metāla vadītājā, uzsverot, ka elektriskā lauka iedarbībā šai haotiskajai kustībai pievienojas virzīta kustība — elektronu dreifs. Tiek akcentēts, ka tieši elektriskais lauks veic darbu, pārvietojot lādiņus vadītājā.

Aplūkota testa lādiņa uzvedība elektriskajā laukā, ko rada pozitīvs punktveida lādiņš. Pozitīvs lādiņš elektriskajā laukā pārvietojas no augstāka potenciāla uz zemāku, un elektriskajam laukam veicot darbu, lādiņa potenciālā enerģija samazinās.

Tiek analizēts jautājums, kas notiek, ja šādā laukā ievieto elektronu. Elektriskais lauks pārvieto elektronu pretējā virzienā nekā pozitīvu lādiņu, tomēr arī šajā gadījumā elektriskā lauka veiktais darbs izraisa elektrona potenciālās enerģijas samazināšanos. Uzsvērts, ka potenciālās enerģijas izmaiņas ir atkarīgas no lādiņa zīmes un izvēlētās atskaites sistēmas.

Akcentēts, ka elektriskās strāvas virziens tiek definēts kā pozitīvo lādiņu kustības virziens, lai gan metālos reāli pārvietojas elektroni, kuru kustības virziens ir pretējs strāvas virzienam.

Video noslēgumā aplūkots elektriskās strāvas piemērs dabā — zibens izlāde. Tiek rosināti jautājumi par to, kādos apstākļos gaiss (parasti dielektriķis) kļūst vadošs, kā notiek gāzu jonizācija un kādos apstākļos sākas gāzizlāde.

Jēdzieni: elektriskā strāva, strāvas stiprums, elektriskais lādiņš, potenciālu starpība, elektriskais lauks, elektronu dreifs, potenciālā enerģija, elektronu plūsma, strāvas virziens, zibens, jonizācija, gāzizlāde.