какую энергию называют энергией взаимодействия
Энергия взаимодействия
Фундамента́льные взаимоде́йствия — различные, не сводящиеся друг к другу типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий. Ведутся поиски других типов взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока существование какого-либо другого типа взаимодействия не обнаружено.
В мире существует потенциальная и кинетическая энергия. В физике причиной изменения движения тел (появления кинетической энергии) является сила (потенциальная энергия) (см. второй закон Ньютона). Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество самых разнообразных сил: сила тяжести, сила натяжения нити, сила сжатия пружины, сила столкновения тел, сила трения, сила сопротивления воздуха, сила взрыва и т.д. Однако когда была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку атомы взаимодействуют в основном через электростатическое поле электронных оболочек, то, как оказалось, большинство этих сил — лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Одно из исключений составляет, например, сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между двумя телами, обладающими массой.
Содержание
История
К началу XX века выяснилось, что все известные к тому моменту силы сводятся к двум фундаментальным взаимодействиям: электромагнитному и гравитационному.
В 1930-е годы выяснилось, что ядра атомов состоят из нуклонов (протонов и нейтронов). Ясно, что ни электромагнитные, ни гравитационные взаимодействия не могут объяснить, что удерживает нуклоны в ядре. Было постулировано существование нового фундаментального взаимодействия: сильного взаимодействия. Однако в дальнейшем оказалось, что и оно способно объяснить не все изменение в микромире, в частности, не было понятно, что заставляет распадаться свободный нейтрон. Так было постулировано существование слабого взаимодействия, и как оказалось, этого достаточно для описания всех до сих пор наблюдавшихся взаимодействий в микромире.
Создание единой теории фундаментальных взаимодействий
Первой из теорий взаимодействий стала теория электромагнетизма, созданная Максвеллом в 1863 году. Затем в 1915 г. Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности, описывающую гравитационное поле. Появилась идея построения единой теории фундаментальных взаимодействий (которых на тот момент было известно только два), подобно тому как Максвеллу удалось создать общее описание электрических и магнитных явлений. Такая единая теория объединила бы гравитацию и электромагнетизм в качестве частных проявлений некоего единого взаимодействия.
В течение первой половины XX века ряд физиков предприняли многочисленные попытки создания такой теории, однако ни одной полностью удовлетворительной модели выдвинуто не было. Это, в частности, связано с тем, что общая теория относительности и теория электромагнетизма различны по своей сути. Тяготение описывается искривлением пространства-времени, и в этом смысле гравитационное поле нематериально, в то время как электромагнитное поле является материей.
Во второй половине XX столетия задача построения единой теории осложнилась необходимостью внесения в неё слабого и сильного взаимодействий, а также квантования теории.
В 1967 году Саламом и Вайнбергом была создана теория электрослабого взаимодействия, объединившая электромагнетизм и слабые взаимодействия. Позднее в 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия (квантовая хромодинамика). На их основе была построена Стандартная Модель элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабые и сильное взаимодействия.
Экспериментальная проверка Стандартной Модели заключается в обнаружении предсказанных ею частиц и их свойств. В настоящий момент открыты все элементарные частицы Стандартной Модели, за исключением хиггсовского бозона.
Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и Стандартной Моделью. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания квантовой теории гравитации. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий используются различные подходы: теории струн, петлевая квантовая гравитация, а также перспективная М-теория.
Потенциальная энергия, ее определение, виды и формулы
Определение потенциальной энергии
Энергия, говоря простым языком, это возможность что-либо сделать, возможность совершить работу. То есть, если какое-либо тело может совершить какую-либо работу, то про это тело можно сказать, что оно обладает энергией. По сути, энергия — это мера различных форм движения и взаимодействия материи, а её изменение происходит при совершении некоторой работы. Таким образом, совершённая работа всегда равна изменению какой-либо энергии. А значит, рассматривая вопрос о совершённой телом работе, мы неизбежно приходим к изменению какого-либо вида энергии. Вспомним также и тот факт, что работа совершается только в том случае, когда тело под действием некоторой силы движется, и при этом сама работа определяется как скалярное произведение вектора этой силы и вектора перемещения, то есть А = F*s*cosa, где а — угол между вектором силы и вектором перемещения. Это нам пригодится в дальнейшем для вывода формул различных видов энергии.
Энергию, связанную с взаимодействием тел, называют ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИЕЙ. Иначе говоря, если тело за счёт взаимодействия с другим телом может совершить некоторую работу, то оно будет обладать потенциальной энергией, и при совершении работы будет происходить изменение этой энергии. Обозначают механическую потенциальную энергию чаще всего — Еп.
Виды потенциальной энергии
Существуют различные виды потенциальной энергии. К примеру, любое тело на Земле находится в гравитационном взаимодействии с Землёй, а значит обладает потенциальной энергией гравитационного взаимодействия. И ещё пример — витки растянутой или сжатой пружины находятся в упругом взаимодействии друг с другом, а значит сжатая или растянутая пружина будет обладать потенциальной энергией упругого взаимодействия.
Далее мы рассмотрим только виды механической потенциальной энергии и формулы, по которым их можно рассчитать. Но в дальнейшем вы узнаете и о других видах потенциальной энергии — к примеру, о потенциальной энергии электрического взаимодействия заряженных тел, о потенциальной энергии взаимодействия электрона с атомным ядром.
Формулы потенциальной энергии
Перед тем как приступить к выводу формул потенциальной энергии, ещё раз вспомним, что совершённая телом или над телом работа равна изменению его энергии. При этом, если само тело совершает работу, то его энергия уменьшается, а если над телом совершают работу, то его энергия увеличивается. К примеру, если спортсмен поднимает штангу, то он сообщает ей потенциальную энергию гравитационного взаимодействия, а если он отпускает штангу и она падает, то потенциальная энергия гравитационного взаимодействия штанги с Землёй уменьшается. Также, если вы открываете дверь, растягивая пружину, то вы сообщаете пружине потенциальную энергию упругого взаимодействия, но если потом дверь закрывается, благодаря сжатию пружины в начальное состояние, то и энергия упругой деформации пружины уменьшается до нуля.
А) Чтобы вывести формулу потенциальной энергии гравитационного взаимодействия, рассмотрим, какую работу совершает тело, двигаясь под действием силы тяжести:
А = F*s = mg*s = mg*(h1 — h2) = mgh1 — mgh2 = Eп1 — Еп2, то есть, мы получили, что потенциальная энергия гравитационного взаимодействия тела с Землёй может быть вычислена по формуле: Еп = mgh.
Здесь важно отметить, что поверхность Земли принимается за начало отсчёта высоты, то есть для тела, находящегося на поверхности Земли Еп = 0, для тела, поднятого над Землёй Еп > 0, а для тела, находящегося в яме глубиной h, Еп 2 /2 = 0 — kх 2 /2 = Еп1 — Еп2.
В итоге, мы получили формулу потенциальной энергии упругой деформации: Еп = kx 2 /2.
Методические советы учителям
1) Обязательно обратите внимание учащихся на связь энергии и работы.
2) Не давайте учащимся формулы потенциальной энергии без вывода.
3) Обратите внимание учащихся на то, что оба вида потенциальной энергии зависят от выбора начальной точки, то есть от системы координат.
4) При выводе формул потенциальной энергии обязательно поясните учащимся почему отсутствует cosa в формуле работы.
5) Отметьте, что и работа силы тяжести, и работа силы упругости не зависят от формы траектории и, следовательно равны нулю на замкнутой траектории — это общее и важное свойство всех потенциальных сил.
Энергия, связывающая всё воедино
Когда ученикам начинают преподавать физику, в этот тип энергии включается то, что учителя называют «потенциальной энергией». Но поскольку слово «потенциальная» в английском [и русском] языках означает не то же самое, что в физике, и поскольку то, каким образом преподносят эту концепцию, сильно отличается от современной физической точки зрения, я предпочитаю использовать для этой энергии другое название – чтобы она не связывалась с имеющимися у читателя представлениями, правильными или неправильными.
Кроме того, в статье про массу и энергию я называл энергию взаимодействия «энергией взаимоотношений». Ниже станет ясно, почему – но я решил, что это была плохая идея, и перешёл на другое именование.
Преамбула: пересмотр концепций
С текущей точки зрения, предпочтительной для физиков и проверенной в экспериментах, весь мир состоит из полей. Самым интуитивно понятным примером поля может служить ветер:
• Его везде можно измерить,
• Он может быть нулевым или ненулевым,
• В нём могут проходить волны (которые мы зовём звуком).
В большинстве полей могут образовываться волны, и благодаря квантовой механике эти волны не могут быть сколь угодно малой высоты.
Волна наименьшей возможной высоты – или наименьшей амплитуды и наименьшей мощности – называется «квантом», или, часто «частицей» – однако, последний вариант иногда приводит к путанице.
Фотон – это квант, или частица света (под «светом» тут подразумевается как видимая часть спектра, так и другие вариации). Это самая тусклая из возможных вспышек света, наименее мощная волна в электрическом и магнитном поле, которую можно создать. Можно создать два фотона, три или шестьдесят два. Нельзя создать треть фотона или два с половиной. Ваши глаза построены именно так, чтобы поглощать по одному фотону за раз.
То же относится к электронам, мюонам, кваркам, W-частицам, частице Хиггса и всем остальным. Всё это кванты своих полей.
При этом квант, хоть он и будет возмущением поля, ведёт себя как частица:
• Сохраняет целостность при движении в пустом пространстве.
• Обладает определёнными, хотя и зависящими от наблюдателя, энергией и импульсом.
• Обладает определённой, не зависящей от наблюдателя, массой.
• Может быть излучён или поглощён как единое целое.
Энергия взаимодействующих полей
Теперь обратимся к самой неуловимой форме энергии. Энергия частицы состоит из энергии массы и энергии движения. Помните, что частица – это возмущение поля, то есть, хорошо определённая волна.
Рис. 1: набросок того, как присутствие кванта одного поля (голубая волна) создаёт возмущение во втором поле (зелёном), достигающее наибольшей интенсивности вокруг возмущения и уменьшающегося до нуля при отдалении.
Но поля способны делать много всего, не только порождать возмущения. К примеру, возмущение одного поля может вызвать неволновое изменение в другом поле. На рис. 1 я нарисовал такой случай – голубая волна-квант одного поля и ответная реакция другого поля.
Допустим, у нас есть две частицы – пусть это будут возмущения двух различных полей. На рис. 2 я обозначил их голубой и оранжевой волнами. Оба этих поля взаимодействуют с зелёным полем. Тогда изменение зелёного поля станет сложнее. Это набросок, а не точное отражение того, что слишком сложно изобразить на рисунке, но идею он даёт.
Какой же получается энергия этой системы двух частиц – двух возмущений двух разных полей и третьего поля, взаимодействующего с ними обоими?
Возмущения – это кванты, или частицы. У них есть масса и энергия движения, и обе эти величины положительны.
Рис. 2
У изменения зелёного поля тоже есть какая-то энергия. Она также положительная, хотя часто очень маленькая по сравнению с энергией частиц. Её часто называют энергией поля.
Но во взаимоотношениях различных полей есть дополнительная энергия. Энергия есть там, где сильны голубое и зелёное поля, а также там, где сильны оранжевое и зелёное поля. И вот, в чём странность. Если сравнить рис. 1 с рис. 2, на обеих будет энергия там, где сильны голубое и зелёное поля. Но присутствие поблизости возмущения оранжевого поля изменяет зелёное поле, и тем самым изменяет энергию в том районе, где находится голубое поле, как показано на рис. 3.
Рис. 3
В зависимости от того, как оранжевое и зелёное поля взаимодействуют друг с другом, и как взаимодействуют голубое и зелёное поля, изменение в энергии может быть положительным или отрицательным. Это изменение я и буду называть энергией взаимодействия.
Возможности отрицательного изменения энергии взаимодействия голубого и зелёного полей ввиду наличия оранжевого возмущения (и наоборот) – возможность того, что энергия взаимодействия будет отрицательной – самый важный факт, из-за которого и становится возможным существование всех структур во Вселенной, от атомных ядер до человеческих тел и галактик. Именно об этом и рассказывается далее.
Земля и Луна
Земля, очевидно, частицей не является. Это огромный набор частиц, возмущений самых разных полей. Но всё сказанное выше применимо и ко множеству возмущений, а не только к одному, и все они взаимодействуют с гравитационными полями.
Представьте Землю саму по себе. Её присутствие создаёт возмущение в гравитационном поле (которое, с точки зрения Эйнштейна, является искажением локального пространства и времени, но это для нас не критично). Теперь разместим поблизости Луну. Она тоже искажает гравитационное поле. И гравитационное поле вокруг Земли изменяется из-за присутствия Луны. Подробности того, как гравитация взаимодействует с частицами и полями, составляющими Землю, гарантируют, что в результате влияния Луны появляется отрицательная энергия взаимодействия между гравитационным полем и Землёй. Обратное также верно.
Именно поэтому Луна и Земля не могут разлететься и остаются в ловушке, связанные вместе так же прочно, как если бы они были связаны гигантским тросом. Если бы Луна была очень далеко от Земли, то энергия взаимодействия системы – Земли, Луны и гравитационного поля – была бы нулевой, а не отрицательной. Но энергия должна сохраняться. Поэтому, чтобы отодвинуть Луну дальше от Земли по сравнению с её текущим местоположением, необходимо где-то взять огромное количество положительной энергии – чтобы увеличить отрицательную энергию взаимодействия до нуля. У Луны и Земли есть положительная энергия движения из-за движения по орбитам, но её недостаточно для того, чтобы они разбежались.
Рис. 4: Абсолютная аналогия с рис. 3
Вам, возможно, известно, что самой популярной теорией формирования Земли и Луны считается теория столкновения двух объектов размером с планету – большой протоземли и объекта размером с Марс. Эта теория объясняет множество сложных загадок, связанных с Луной. На заре Солнечной системы однозначно происходили высокоэнергетические столкновения на планетарных масштабах, поскольку Солнце и планеты сформировались более 4 млрд лет назад! Но таких столкновений не было уже очень давно.
Та же логика объясняет, почему искусственные спутники Земли остаются на орбите, почему Земля привязана к Солнцу, а Солнце – к Млечному пути, городу, где живёт триллион звёзд.
Атом водорода
На более мелких масштабах и с менее очевидными последствиями электрон и протон, составляющие атом водорода, остаются связанными друг с другом, если только извне не приходит энергия для изменения их состояния. В данном случае основную работу берёт на себя электрическое поле. В присутствии электрона энергия взаимодействия между электрическим полем и протоном (и наоборот) отрицательная. В результате, после того, как вы сформировали атома водорода из электрона и протона (и подождали ещё крохотную долю секунды, пока они не устаканятся до предпочтительной конфигурации, основного состояния), то количество энергии, необходимое для их разделения, составит порядка 14 эВ. Мы называем её энергией связи водорода.
Мы можем измерить энергию связи, посветив на атомы водорода ультрафиолетом (фотонами с энергией слишком большой для того, чтобы увидеть их глазом), и посмотрев, насколько большой должна быть энергия фотонов, чтобы разбить атом водорода. Мы также можем подсчитать её при помощи уравнений квантовой механики – и успешное предсказание этой величины служит одним из простейших проверок современной теории квантовой физики.
Но сейчас я хочу вернуться к тому, что я упоминал в статье про массу и энергию, к одной из ключевых идей Эйнштейна, приобретённой им благодаря работе с последствиями его уравнений. Если у вас есть система объектов, то масса системы не будет равна сумме масс объектов, содержащихся в ней. Она даже не пропорциональна сумме энергий содержащихся в ней частиц. Она будет равной общей энергии системы, делённой на c 2 с точки зрения наблюдателя, покоящегося относительно этой системы. (Для движущегося наблюдателя у системы будет ещё энергия движения, не добавляющая системе массы). В эту общую энергию входят:
• Энергии массы частиц (колебаний полей),
• Энергии движения частиц,
• Иные источники энергии полей, происходящие от неволновых возмущений,
• Энергии взаимодействия полей.
Что мы узнали из того факта, что для разрушения атома водорода необходимо 14 эВ? Ну, разбив эту систему, вы окажетесь с протоном и электроном на руках, отстоящих далеко друг от друга, и не особенно быстро двигающихся. В тот момент энергия системы составит:
• Энергии массы частиц = энергия массы электрона + энергия массы протона = 510 999 эВ + 938 272 013 эВ
• Энергии движения частиц = 0
• Иные источники энергии полей, происходящие от неволновых возмущений = 0
• Энергии взаимодействия полей = 0
Но мы знаем, что до этого система атома водорода обладала энергией на 14 эВ меньше.
Энергия массы электрона всегда равна 510 999 эВ, а протона – 938 272 013 эВ, вне зависимости от того, чем они занимаются. Поэтому вклад энергии массы водорода в общую энергию такой же, как у разведённых в стороны электрона и протона. Должно получаться следующее:
И если провести все расчёты, то цифры получаются примерно такие:
Какова в таком случае масса атома водорода?
масса электрона + масса протона + энергия связи / c 2
А поскольку энергия связи отрицательна из-за большой по модулю и отрицательной энергии взаимодействия, получается
Это один из самых важных фактов Вселенной!
Почему атом водорода не распадается
Теперь я скажу вам то же самое, но на немного другом языке, языке физики частиц.
Водород – это стабильный составной объект, состоящий из протона и электрона, связанных благодаря взаимодействию с электрическим полем.
Почему он стабилен?
Любой нестабильный объект распадётся. Распад возможен, только если сумма масс частиц, на которые распадётся первичный объект, меньше, чем масса начального объекта. Это следует из законов сохранения энергии и импульса.
Минимальные штуки, на которые может распасться атом водорода, это протон и электрон. Но масса атома водорода меньше (из-за отрицательных 14 эВ энергии связи) суммы масс электрона и протона. Ещё раз, это важно:
Но ни на что другое водород распадаться не может, поэтому водород вообще не может распасться.
Всё это работает до тех пор, пока не распадётся протон, что, если и может случиться, то неимоверно редко – мы ещё ни разу не наблюдали такого события. Нам уже точно известно, что это настолько редкое событие, что в течение вашей жизни в вашем теле не распадётся ни один протон. Так что эту возможность отбросим.
То же верно и для остальных атомов. Атомы стабильны, поскольку энергия взаимодействия электронов и атомных ядер отрицательна. Масса атома получается меньше, чем сумма масс его компонентов, поэтому атом не может развалиться на электроны и ядро.
Один подвох: атом может развалиться по-другому, в результате распада ядра. И если протон не может распадаться (или делает это чрезвычайно редко), для большинства ядер ситуация уже совсем другая.
И это подводит нас к важным вопросам.
• Почему нейтрон, нестабильный сам по себе, стабилен в атомном ядре?
• Почему некоторые ядра атомов стабильны, а некоторые – нет?
• Почему протон стабилен, несмотря на то, что он тяжелее содержащихся в нём кварков?
Все виды энергии кратко и с примерами
Энергия — это способность выполнять работу, и как таковая, она проявляется по-разному. В этом смысле существует два основных типа энергии: энергия положения или состояния, также называемая потенциальной энергией, а другая — это энергия в действии или движении и называемая кинетической энергией.
Оба типа энергии могут преобразовывать друг друга и являются частью других форм энергии. В зависимости от источника, откуда они берутся, мы можем говорить об электрической, ядерной, химической, излучающей или магнитной энергии.
Кинетическая энергия
Кинетическая энергия шара для боулинга опрокидывает кегли.
Кинетическая энергия — это энергия в действии, энергия движения. Зависит от количества массы тела, а также от скорости. Таким образом, шар для боулинга выбьет больше кеглей, потому что он имеет большую массу. Более быстрый шар для боулинга будет более эффективным, чем медленный.
Человек может использовать в своих интересах кинетическую энергию многих природных ресурсов. Например, ветер движется воздухом, и ветрогенераторы используют это для производства электроэнергии.
Потенциальная энергия
Потенциальная энергия тела также зависит от массы объекта.
Потенциальная энергия является другим основным типом энергии и связана с положением или состоянием объекта по отношению к другому.
Потенциальная энергия увеличивается, когда притягиваемые тела отделяются или когда отбрасываемые или отталкиваемые тела объединяются. Область, в которой объекты притягиваются или отталкиваются, называется силовым полем. Примерами силовых полей могут быть, например, гравитационное силовое поле Земли или магнитное силовое поле.
Потенциальная и кинетическая энергия
Потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, а также может быть найдена в других видах энергии, таких как потенциальная гравитационная энергия или упругая потенциальная энергия.
Гравитационная потенциальная энергия
В тот момент, когда спортсмен достигает высшей точки, он обладает большей потенциальной энергией.
Когда потенциальная энергия связана с гравитационной силой, она называется потенциальной гравитационной энергией. Гравитационное силовое поле вокруг нашей планеты притягивает объекты к ее центру. Когда мы поднимаем объекты, отделяя их от Земли, мы увеличиваем их гравитационную потенциальную энергию.
Существует потенциальная гравитационная энергия между Солнцем и планетами, а также между Луной и Землей. Фактически, приливы являются результатом притяжения, которое Луна создает на земных водоемах.
Упругая потенциальная энергия
Когда мы растягиваем пружину, энергия, чтобы вернуться к своей первоначальной форме, сохраняется как потенциальная энергия.
Другой формой потенциальной энергии является энергия, которую содержит пружина, когда мы растягиваем или сжимаем её. Эта энергия называется упругой потенциальной энергией: это энергия материалов, когда они растягиваются или скручиваются. Когда мы сжимаем пружину, мы увеличиваем ее потенциальную энергию.
Эластичная потенциальная энергия — это то, что движет в пружине. Также в прыжках с шестом в легкой атлетике у нас есть пример того, как упругая потенциальная энергия превращается в гравитационную потенциальную энергию.
Механическая энергия
Механическая энергия — это сумма энергии положения и движения.
Механическая энергия тела охватывает движение и положение объекта, то есть это сумма кинетической и потенциальной энергии этого объекта.
Когда мы качаемся, мы превращаем кинетическую энергию в потенциал и наоборот, поэтому мы можем двигаться быстрее и выше.
Например, ребенок на скейтборде на предыдущем изображении обладает кинетической энергией, которая позволяет ему закрепиться на стене, набирая потенциальную энергию. Когда оно начинает падать, потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию и набирает скорость.
Химическая энергия
Химическая энергия сохраняется в связях между атомами.
Химическая энергия — это форма потенциальной энергии, которая сохраняется в связях между атомами в результате сил притяжения между ними.
Во время химической реакции одно или несколько соединений, называемых реагентами, превращаются в другие соединения, называемые продуктами. Эти превращения происходят из-за разрыва или образования химических связей, которые вызывают изменения в химической энергии.
Энергия высвобождается, когда связи разрушаются во время химических реакций. Это то, что известно как экзотермическая реакция. Например, автомобили используют химическую энергию бензина для выработки тепловой энергии, которая используется для движения автомобиля. Точно так же пища хранит химическую энергию, которую мы используем живыми существами, чтобы функционировать.
Когда соединения образуются, требуется энергия; Это реакция эндотермического типа. Фотосинтез — это эндотермическая реакция, энергия которой исходит от Солнца.
Тепловая энергия
Тепловая энергия огня передается тепловой энергии горшка через тепло.
Тепловая энергия (внутренняя энергия) представляет собой тип кинетической энергии, являющейся продуктом движения или внутренней вибрации частиц в телах. Когда мы измеряем температуру с помощью термометра, мы измеряем то движение атомов и молекул, которые составляют тело. При более высокой температуре большее движение и, следовательно, большая тепловая энергия.
Кроме того, тепловая энергия перемещается между телами через тепло. Когда вы помещаете горячий предмет рядом с холодным, происходит передача энергии от самого горячего к самому холодному, до точки, где они имеют одинаковую температуру. Тепло также передается через инфракрасное излучение или движение горячих жидкостей или газов.
Электрическая мощность
Электрические батареи превращают химическую энергию в электрическую.
Электричество — это тип энергии, который зависит от притяжения или отталкивания электрических зарядов. Существует два вида электричества: статическое и текущее. Статическое электричество связано с наличием статических нагрузок, т.е. нагрузок, которые не двигаются. Электрический ток происходит из-за перемещение грузов.
Пример статического электричества — когда мы натираем воздушный шарик на волосы. Воздушный шар удерживает электроны от волос, заряжаясь отрицательно, в то время как волосы заряжены положительно. Если вы подойдете к воздушному шарику к своей голове, не касаясь его, вы увидите, как пряди волос тянутся к воздушному шарику.
Электрический ток — это поток зарядов из-за движения свободных электронов в проводнике. Это движение происходит в электрическом поле, то есть в области вокруг заряда, где действует сила. Электрические заряды легко переносятся такими материалами, как металлы, особенно серебро, медь и алюминий.
В батареях или электрических батареях происходит превращение химической энергии в электрическую энергию. Химическая энергия происходит в результате реакции между электродами и электролитом, когда положительный полюс соединен с отрицательным полюсом батареи. Вольт — это единица измерения потенциальной энергии на заряд в батарее.
Ядерная энергетика
Существует три типа ядерной реакции: радиоактивный распад, слияние и деление. При радиоактивном распаде ядро радиоактивного атома самопроизвольно выделяет энергию. При делении ядра ядро бомбардируется нейтроном, что приводит к образованию двух новых атомов. При ядерном синтезе легкие ядра объединяются в тяжелые ядра.
Использование ядерной энергии
Магнитная энергия
Магниты используются для захвата магнитных материалов, таких как гайки и болты.
Способность объекта выполнять работу из-за его положения в магнитном поле является потенциальной энергией магнитного поля. Магниты имеют магнитное поле и две области, называемые магнитными полюсами. Равные полюса отбрасываются, а разные полюса притягиваются. Наиболее используемые магнитные материалы — это железо и его сплавы.
Например, железный винт, который приближается к магниту, но не касается его, обладает потенциальной магнитной энергией. Объекты движутся в направлении, которое уменьшает их потенциальную магнитную энергию.
Микрофоны, например, хорошо работают благодаря магнитной энергии. Операция заключается в следующем: микрофон имеет мембрану, которая вибрирует со звуком. Эта вибрация передается на кабель, обмотанный вокруг магнита, который посылает электрический сигнал на усилитель, делая звук громче. В этом случае мы имеем преобразование звуковой энергии в магнитную энергию, затем электрическую энергию и затем звуковую энергию.
Железные дороги с электромагнитной подвеской — еще один пример того, как мы можем использовать магнитную энергию для выполнения работы. Железная дорога движется через магнитное поле, которое движется вдоль ферромагнитного пути.
Звуковая энергия
Колокол вибрирует от удара и производит звуковые волны, которые распространяются по воздуху.
Звуковая энергия — это механическая энергия частиц, которые вибрируют в форме волн через среду передачи. Средой, через которую проходят звуковые волны, может быть воздух, вода или другие материалы. Все, что вызывает шум, генерирует звуковую энергию.
Звук распространяется в твердых телах быстрее, чем в жидкостях, и быстрее в жидкостях, чем в газах. Поэтому если прислонить ухо к полу, можно слышать, потому что скорость звука на земле в четыре раза выше, чем в воздухе.
Именно благодаря звуковой энергии мы можем слышать. Когда звуковые волны в воздухе проникают в ваши уши, они стимулируют специальные клетки, которые посылают информацию в мозг. Чем больше энергии имеет звуковая волна, тем громче будет звук.
Карты морского дна выполнены с использованием звуковой системы. Гидролокатор посылает звуковые волны и рассчитывает пройденное расстояние, используя скорость звука в воде.
В медицине ультразвук используется для удаления камней в почках. Эхокардиограмма является еще одной технологией, которая использует звуковые волны, чтобы увидеть плод у беременных женщин.
Лучистая энергия
Свет — это лучистая энергия, которая распространяется волнами.
Энергия в форме света или тепла — это лучистая энергия, более известная как излучение. Излучение — это электромагнитные волны, которым не нужны средства для перемещения подобно звуковым волнам, чтобы они могли перемещаться в космическом пространстве. Источником электромагнитных волн являются электроны, которые вибрируют, создавая электрическое поле и магнитное поле.
Различные типы лучистой энергии или излучения (потоки) упорядочены по уровням энергии в электромагнитном спектре. Они путешествуют в космосе со скоростью 300 миллионов метров в секунду, то есть со скоростью света.
Рентгеновские и гамма-лучи — это невидимые излучения с большим количеством энергии. Оба имеют важные применения в медицине. Рентген используется для диагностики переломов костей, в то время как гамма-излучение используется для диагностики неврологических заболеваний, таких как болезнь Паркинсона и Альцгеймера, или при заболеваниях сердца.
Ультрафиолетовые (УФ) лучи представляют собой тип невидимого излучения, создаваемого Солнцем и некоторых специальных ламп. Эти лучи отвечают за загар, который мы приобретаем, когда подвергаем себя воздействию солнца. Однако чрезмерное воздействие ультрафиолетовых лучей может вызвать ожоги и рак кожи. Вот почему вы должны защищать свое тело, когда вы долго на солнце, особенно кожу (чтобы защититься от рака кожи) и глаза.
Видимый свет излучения — это то, что человеческий глаз может воспринимать. Обычно мы видим белый свет, который является не более чем смесью огней разных цветов. Свет находится в энергетических пакетах, называемых фотонами, которые не имеют массу.
Инфракрасное излучение, микроволна и радиоволны менее энергичное излучение электромагнитного спектра. Радиоволны и микроволны — это волны, используемые в коммуникациях для передачи звука и изображений.
Солнечная энергия
Солнце — самый важный источник энергии для жизни на Земле.
Солнечная энергия — это лучистая энергия солнца. Он путешествует в пространстве, пока не достигнет Земли в виде электромагнитных волн. Большая часть солнечного излучения, которое достигает атмосферы Земли, — это ультрафиолетовое излучение, видимый свет и инфракрасные лучи.
Солнце состоит из водорода и гелия. В этом случае энергия исходит от процесса ядерного синтеза: ядра водорода объединяются, образуя гелий и лучистую энергию.
Люди научились использовать солнечную энергию. Сегодня энергия солнечного света используется для отопления домов и зданий, увеличения их тепловой энергии. Видимый солнечный свет проходит через стекла окон и поглощается материалами внутри комнаты. Это заставляет материалы нагреваться.
Лучистая энергия Солнца ответственна за существование жизни на Земле. Растения собирают эту энергию для производства пищи, превращая ее в химическую энергию. Солнечная энергия управляет движением воздуха в атмосфере, вызывая ветры.
Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии
Такие ресурсы, как солнце и ветер, являются возобновляемыми источниками энергии.
Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, может только быть преобразована. Это означает, что при подсчете количества энергии в системе это количество всегда будет одинаковым, хотя и по-разному.
Когда мы говорим о возобновляемых или невозобновляемых энергоресурсах, мы действительно имеем в виду источники или ресурсы, из которых люди извлекают энергию.
Уголь и нефть являются ископаемым топливом, в котором химическая энергия сохраняется в связях между атомами углерода. Ископаемое топливо не возобновимо, потому что оно было сформировано миллионы лет назад из доисторических организмов. Эти источники энергии, помимо ограниченного существования, наносят серьезный ущерб окружающей среде.
Наша цель должна заключаться в том, чтобы воспользоваться другими источниками энергии, такими как солнце, ветер, внутреннее земное тепло и океанские волны, которые являются возобновляемыми и не загрязняющими окружающую среду. Вода может использоваться снова и снова благодаря естественному процессу круговорота воды.
Другой аспект, который мы должны принять во внимание, это не тратить энергию. Электрическая энергия вашего дома имеет свою стоимость. Если у вас долгое время открыт холодильник или вы оставили лампы в своей комнате, особенно если вас там нет, вы увеличиваете потребление электроэнергии в своем доме, и это будет оплачиваться вашими родителями. Экономия энергии — это разумное и осознанное использование.