Ηλεκτρισμός

Υπάρχουν δύο τύποι ηλεκτρικών φορτίων που ωθούν και έλκουν το ένα το άλλο: τα θετικά φορτία και τα αρνητικά φορτία. Τα ηλεκτρικά φορτία σπρώχνουν ή έλκουν το ένα το άλλο αν δεν ακουμπούν. Αυτό είναι δυνατό επειδή κάθε φορτίο δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο γύρω του. Το ηλεκτρικό πεδίο είναι μια περιοχή που περιβάλλει ένα φορτίο. Σε κάθε σημείο κοντά σε ένα φορτίο, το ηλεκτρικό πεδίο δείχνει προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Εάν ένα θετικό φορτίο τοποθετηθεί σε αυτό το σημείο, θα ωθηθεί προς αυτή την κατεύθυνση. Αν τοποθετηθεί αρνητικό φορτίο σε αυτό το σημείο, θα ωθηθεί προς την ακριβώς αντίθετη κατεύθυνση.

Λειτουργεί όπως οι μαγνήτες, και στην πραγματικότητα, ο ηλεκτρισμός δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο, στο οποίο παρόμοια φορτία απωθούνται μεταξύ τους και αντίθετα φορτία έλκονται. Αυτό σημαίνει ότι αν βάλετε δύο αρνητικά κοντά μεταξύ τους και τα αφήσετε να φύγουν, θα απομακρυνθούν. Το ίδιο ισχύει και για δύο θετικά φορτία. Αλλά αν βάλετε ένα θετικό φορτίο και ένα αρνητικό φορτίο κοντά το ένα στο άλλο, θα έλκονταν το ένα προς το άλλο. Ένας σύντομος τρόπος για να το θυμάστε αυτό είναι η φράση τα αντίθετα έλκονται αρέσουν απωθούνται.

Όλη η ύλη στο σύμπαν αποτελείται από μικροσκοπικά σωματίδια με θετικά, αρνητικά ή ουδέτερα φορτία. Τα θετικά φορτία ονομάζονται πρωτόνια και τα αρνητικά φορτία ονομάζονται ηλεκτρόνια. Τα πρωτόνια είναι πολύ βαρύτερα από τα ηλεκτρόνια, αλλά και τα δύο έχουν την ίδια ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου, με τη διαφορά ότι τα πρωτόνια είναι θετικά και τα ηλεκτρόνια αρνητικά. Επειδή "τα αντίθετα έλκονται", τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια κολλάνε μεταξύ τους. Λίγα πρωτόνια και ηλεκτρόνια μπορούν να σχηματίσουν μεγαλύτερα σωματίδια που ονομάζονται άτομα και μόρια. Τα άτομα και τα μόρια εξακολουθούν να είναι πολύ μικρά. Είναι πολύ μικρά για να τα δούμε. Κάθε μεγάλο αντικείμενο, όπως το δάχτυλό σας, έχει περισσότερα άτομα και μόρια μέσα του από όσα μπορεί να μετρήσει κανείς. Μπορούμε μόνο να εκτιμήσουμε πόσα είναι.

Επειδή τα αρνητικά ηλεκτρόνια και τα θετικά πρωτόνια κολλάνε μαζί για να δημιουργήσουν μεγάλα αντικείμενα, όλα τα μεγάλα αντικείμενα που μπορούμε να δούμε και να αισθανθούμε είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Ηλεκτρικά είναι μια λέξη που σημαίνει "περιγράφει τον ηλεκτρισμό" και ουδέτερο είναι μια λέξη που σημαίνει "ισορροπημένο". Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο δεν αισθανόμαστε τα αντικείμενα να μας σπρώχνουν και να μας τραβούν από απόσταση, όπως θα γινόταν αν τα πάντα ήταν ηλεκτρικά φορτισμένα. Όλα τα μεγάλα αντικείμενα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, επειδή υπάρχει η ίδια ποσότητα θετικού και αρνητικού φορτίου στον κόσμο. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι ο κόσμος είναι ακριβώς ισορροπημένος ή ουδέτερος. Οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακόμα γιατί συμβαίνει αυτό.

Τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν σε όλο το υλικό. Τα πρωτόνια δεν κινούνται ποτέ γύρω από ένα στερεό αντικείμενο επειδή είναι τόσο βαριά, τουλάχιστον σε σύγκριση με τα ηλεκτρόνια. Ένα υλικό που αφήνει τα ηλεκτρόνια να κινηθούν γύρω του ονομάζεται αγωγός. Ένα υλικό που κρατάει κάθε ηλεκτρόνιο σφιχτά στη θέση του ονομάζεται μονωτής. Παραδείγματα αγωγών είναι ο χαλκός, το αλουμίνιο, το ασήμι και ο χρυσός. Παραδείγματα μονωτών είναι το καουτσούκ, το πλαστικό και το ξύλο. Ο χαλκός χρησιμοποιείται πολύ συχνά ως αγωγός επειδή είναι πολύ καλός αγωγός και υπάρχει τόσο πολύς στον κόσμο. Ο χαλκός βρίσκεται στα ηλεκτρικά καλώδια. Αλλά μερικές φορές, χρησιμοποιούνται και άλλα υλικά.

Μέσα σε έναν αγωγό, τα ηλεκτρόνια αναπηδούν, αλλά δεν συνεχίζουν να κινούνται προς μια κατεύθυνση για πολύ. Αν δημιουργηθεί ένα ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό του αγωγού, τα ηλεκτρόνια θα αρχίσουν να κινούνται όλα προς την αντίθετη κατεύθυνση από την κατεύθυνση που δείχνει το πεδίο (επειδή τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτισμένα). Μια μπαταρία μπορεί να δημιουργήσει ηλεκτρικό πεδίο μέσα σε έναν αγωγό. Αν τα δύο άκρα ενός κομματιού σύρματος συνδεθούν με τα δύο άκρα μιας μπαταρίας (που ονομάζονται ηλεκτρόδια), ο βρόχος που δημιουργήθηκε ονομάζεται ηλεκτρικό κύκλωμα. Τα ηλεκτρόνια θα ρέουν γύρω και γύρω από το κύκλωμα όσο η μπαταρία δημιουργεί ηλεκτρικό πεδίο μέσα στο σύρμα. Αυτή η ροή ηλεκτρονίων γύρω από το κύκλωμα ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα.

Ένα αγώγιμο καλώδιο που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά ηλεκτρικού ρεύματος είναι συχνά τυλιγμένο σε ένα μονωτικό υλικό όπως το καουτσούκ. Αυτό συμβαίνει επειδή τα καλώδια που μεταφέρουν ρεύμα είναι πολύ επικίνδυνα. Αν ένας άνθρωπος ή ένα ζώο αγγίξει ένα γυμνό καλώδιο που μεταφέρει ρεύμα, μπορεί να τραυματιστεί ή ακόμη και να πεθάνει, ανάλογα με το πόσο ισχυρό ήταν το ρεύμα και πόση ηλεκτρική ενέργεια μεταδίδει το ρεύμα. Θα πρέπει να είστε προσεκτικοί γύρω από ηλεκτρικές πρίζες και γυμνά καλώδια που μπορεί να μεταφέρουν ρεύμα.

Είναι δυνατή η σύνδεση μιας ηλεκτρικής συσκευής σε ένα κύκλωμα, ώστε να ρέει ηλεκτρικό ρεύμα μέσω μιας συσκευής. Αυτό το ρεύμα θα μεταδώσει ηλεκτρική ενέργεια για να κάνει τη συσκευή να κάνει κάτι που θέλουμε να κάνει. Οι ηλεκτρικές συσκευές μπορεί να είναι πολύ απλές. Για παράδειγμα, σε μια λάμπα, το ρεύμα μεταφέρει ενέργεια μέσω ενός ειδικού σύρματος που ονομάζεται νήμα, το οποίο την κάνει να λάμπει. Οι ηλεκτρικές συσκευές μπορεί επίσης να είναι πολύ περίπλοκες. Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κίνηση ενός ηλεκτροκινητήρα στο εσωτερικό ενός εργαλείου, όπως ένα τρυπάνι ή μια ξύστρα μολυβιών. Η ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιείται επίσης για την τροφοδοσία των σύγχρονων ηλεκτρονικών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων των τηλεφώνων, των υπολογιστών και των τηλεοράσεων.

Ορισμένοι όροι που σχετίζονται με τον ηλεκτρισμό

Ακολουθούν μερικοί όροι που μπορεί να συναντήσει κάποιος όταν μελετά τον τρόπο λειτουργίας του ηλεκτρισμού. Η μελέτη του ηλεκτρισμού και του τρόπου με τον οποίο καθιστά δυνατά τα ηλεκτρικά κυκλώματα ονομάζεται ηλεκτρονική. Υπάρχει ένας τομέας της μηχανικής που ονομάζεται ηλεκτρολόγος μηχανικός, όπου οι άνθρωποι επινοούν νέα πράγματα χρησιμοποιώντας τον ηλεκτρισμό. Όλοι αυτοί οι όροι είναι σημαντικό να τους γνωρίζουν.

• Το ρεύμα είναι η ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου που ρέει. Όταν 1 κουλόμπ ηλεκτρικού φορτίου περνάει από κάπου σε 1 δευτερόλεπτο, το ρεύμα είναι 1 αμπέρ. Για να μετρήσουμε το ρεύμα σε ένα σημείο, χρησιμοποιούμε ένα αμπερόμετρο.

• Η τάση, που ονομάζεται επίσης "διαφορά δυναμικού", είναι η "ώθηση" πίσω από το ρεύμα. Είναι το ποσό του έργου ανά ηλεκτρικό φορτίο που μπορεί να κάνει μια ηλεκτρική πηγή. Όταν 1 κουλόμπ ηλεκτρικού ρεύματος έχει 1 τζάουλ ενέργειας, θα έχει 1 βολτ ηλεκτρικού δυναμικού. Για να μετρήσουμε την τάση μεταξύ δύο σημείων, χρησιμοποιούμε ένα βολτόμετρο.

• Η αντίσταση είναι η ικανότητα μιας ουσίας να "επιβραδύνει" τη ροή του ρεύματος, δηλαδή να μειώνει τον ρυθμό με τον οποίο το φορτίο διαρρέει την ουσία. Εάν μια ηλεκτρική τάση 1 βολτ διατηρεί ρεύμα 1 αμπέρ μέσω ενός καλωδίου, η αντίσταση του καλωδίου είναι 1 ohm - αυτό ονομάζεται νόμος του Ohm. Όταν η ροή του ρεύματος αντιτίθεται, η ενέργεια "καταναλώνεται", πράγμα που σημαίνει ότι μετατρέπεται σε άλλες μορφές (όπως φως, θερμότητα, ήχος ή κίνηση)

• Η ηλεκτρική ενέργεια είναι η ικανότητα εκτέλεσης έργου μέσω ηλεκτρικών συσκευών. Η ηλεκτρική ενέργεια είναι μια "διατηρούμενη" ιδιότητα, που σημαίνει ότι συμπεριφέρεται σαν ουσία και μπορεί να μετακινηθεί από τόπο σε τόπο (για παράδειγμα, κατά μήκος ενός μέσου μεταφοράς ή σε μια μπαταρία). Η ηλεκτρική ενέργεια μετριέται σε τζάουλ ή κιλοβατώρες (kWh).

• Η ηλεκτρική ισχύς είναι ο ρυθμός με τον οποίο χρησιμοποιείται, αποθηκεύεται ή μεταφέρεται η ηλεκτρική ενέργεια. Η ροή της ηλεκτρικής ενέργειας κατά μήκος των γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας μετριέται σε βατ. Εάν η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε άλλη μορφή ενέργειας, μετράται σε βατ. Εάν ένα μέρος της μετατρέπεται και ένα μέρος της αποθηκεύεται, μετριέται σε βολτ-αμπέρ, ή εάν αποθηκεύεται (όπως σε ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία), μετριέται σε αντιδρώντα βολτ-αμπέρ.

Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται ως επί το πλείστον σε χώρους που ονομάζονται σταθμοί παραγωγής ενέργειας. Οι περισσότεροι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής χρησιμοποιούν θερμότητα για να βράσουν το νερό σε ατμό, ο οποίος κινεί μια ατμομηχανή. Ο στρόβιλος της ατμομηχανής περιστρέφει μια μηχανή που ονομάζεται "γεννήτρια". Τα τυλιγμένα σύρματα στο εσωτερικό της γεννήτριας περιστρέφονται σε μαγνητικό πεδίο. Αυτό προκαλεί τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος μέσω των καλωδίων, μεταφέροντας ηλεκτρική ενέργεια. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται ηλεκτρομαγνητική επαγωγή. Ο Michael Faraday ανακάλυψε πώς γίνεται αυτό.

Υπάρχουν πολλές πηγές θερμότητας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι πηγές θερμότητας μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο τύπους: ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στις οποίες η παροχή θερμικής ενέργειας δεν εξαντλείται ποτέ και μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στις οποίες η παροχή τελικά θα εξαντληθεί.

Ορισμένες φορές μια φυσική ροή, όπως η αιολική ή η υδάτινη ενέργεια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας για την ενεργοποίηση μιας γεννήτριας, ώστε να μην απαιτείται θερμότητα.