Electricitate | prezența și circulația curentului electric

Istoric

Ideea de electricitate sau faptul că chihlimbarul dobândește puterea de a atrage obiectele luminoase atunci când este frecat, este posibil să fi fost cunoscută de filosoful grec Thales din Milet, care a trăit în jurul anului 600 î.Hr.

Un alt filozof grec, Theophrastus, a afirmat într-un tratat că această putere este deținută de alte substanțe.

Cu toate acestea, primul studiu științific al fenomenelor electrice și magnetice a apărut abia în anul 1600 d.Hr., în urma cercetărilor efectuate de medicul englez William Gilbert. Gilbert a fost primul care a aplicat termenul electric (din greacă, elektron, "chihlimbar") forței pe care o exercită substanțele după ce au fost frecate. De asemenea, el a făcut distincția între acțiunea magnetică și cea electrică.

Ben Franklin a petrecut mult timp în domeniul cercetării electrice. Celebrul său experiment cu zmeul a demonstrat că electricitatea atmosferică (care provoacă fenomenele de fulgere și tunete) este identică cu sarcina electrostatică de pe un borcan Leyden. Franklin și-a dezvoltat teoria conform căreia electricitatea este un "fluid" unic existent în toată materia și că efectele sale pot fi explicate prin excese și lipsuri ale acestui fluid.

 

Cum funcționează electricitatea

Există două tipuri de sarcini electrice care se împing și se trag una pe cealaltă: sarcini pozitive și sarcini negative. Sarcinile electrice se împing sau se trag una pe cealaltă dacă nu se ating. Acest lucru este posibil deoarece fiecare sarcină creează un câmp electric în jurul ei. Un câmp electric este o zonă care înconjoară o sarcină. În fiecare punct din apropierea unei sarcini, câmpul electric este îndreptat într-o anumită direcție. Dacă o sarcină pozitivă este plasată în acel punct, aceasta va fi împinsă în acea direcție. Dacă o sarcină negativă este plasată în acel punct, aceasta va fi împinsă în direcția opusă.

Funcționează ca magneții și, de fapt, electricitatea creează un câmp magnetic, în care sarcinile similare se resping și sarcinile opuse se atrag. Acest lucru înseamnă că, dacă puneți două negative aproape una de cealaltă și le dați drumul, acestea se vor îndepărta. Același lucru este valabil și pentru două sarcini pozitive. Dar dacă puneți o sarcină pozitivă și o sarcină negativă aproape una de cealaltă, acestea se vor atrage una spre cealaltă. Un mod scurt de a reține acest lucru este expresia "opușii se atrag, cei care se plac se resping".

Toată materia din univers este formată din particule minuscule cu sarcini pozitive, negative sau neutre. Sarcinile pozitive se numesc protoni, iar cele negative se numesc electroni. Protonii sunt mult mai grei decât electronii, dar amândoi au aceeași cantitate de sarcină electrică, cu excepția faptului că protonii sunt pozitivi, iar electronii sunt negativi. Deoarece "contrariile se atrag", protonii și electronii rămân împreună. Câțiva protoni și electroni pot forma particule mai mari, numite atomi și molecule. Atomii și moleculele sunt încă foarte mici. Ele sunt prea mici pentru a fi văzute. Orice obiect mare, cum ar fi degetul tău, are în el mai mulți atomi și molecule decât poate număra cineva. Putem doar să estimăm câte sunt.

Deoarece electronii negativi și protonii pozitivi se lipesc împreună pentru a forma obiecte mari, toate obiectele mari pe care le putem vedea și simți sunt neutre din punct de vedere electric. Electric este un cuvânt care înseamnă "care descrie electricitatea", iar neutru este un cuvânt care înseamnă "echilibrat". Acesta este motivul pentru care nu simțim obiectele împingând și trăgând de la distanță, așa cum ar face-o dacă totul ar fi încărcat electric. Toate obiectele mari sunt neutre din punct de vedere electric, deoarece în lume există aceeași cantitate de sarcină pozitivă și negativă. Am putea spune că lumea este exact echilibrată, sau neutră. Oamenii de știință încă nu știu de ce este așa.

 

Curent electric

Electronii se pot deplasa în jurul materialului. Protonii nu se deplasează niciodată în jurul unui obiect solid, deoarece sunt foarte grei, cel puțin în comparație cu electronii. Un material care permite electronilor să se deplaseze se numește conductor. Un material care ține fiecare electron strâns pe loc se numește izolator. Exemple de conductori sunt cuprul, aluminiul, argintul și aurul. Exemple de izolatori sunt cauciucul, plasticul și lemnul. Cuprul este folosit foarte des ca și conductor, deoarece este un conductor foarte bun și există foarte mult cupru în lume. Cuprul se găsește în firele electrice. Dar, uneori, se folosesc și alte materiale.

În interiorul unui conductor, electronii se deplasează, dar nu continuă să meargă într-o singură direcție pentru mult timp. Dacă în interiorul conductorului se creează un câmp electric, toți electronii vor începe să se deplaseze în direcția opusă celei în care este îndreptat câmpul (deoarece electronii sunt încărcați negativ). O baterie poate crea un câmp electric în interiorul unui conductor. Dacă ambele capete ale unei bucăți de sârmă sunt conectate la cele două capete ale unei baterii (numite electrozi), bucla care a fost realizată se numește circuit electric. Electronii vor circula în jurul circuitului atâta timp cât bateria creează un câmp electric în interiorul firului. Acest flux de electroni în jurul circuitului se numește curent electric.

Un fir conductor utilizat pentru a transporta curent electric este adesea înfășurat într-un izolator, cum ar fi cauciucul. Acest lucru se datorează faptului că firele care transportă curent electric sunt foarte periculoase. Dacă o persoană sau un animal atinge un fir gol care transportă curent electric, ar putea fi rănit sau chiar să moară, în funcție de intensitatea curentului și de cantitatea de energie electrică pe care o transmite. Ar trebui să fiți atenți în apropierea prizelor electrice și a firelor goale care ar putea fi purtătoare de curent.

Este posibilă conectarea unui dispozitiv electric la un circuit, astfel încât curentul electric să circule prin dispozitiv. Acest curent va transmite energie electrică pentru a face ca dispozitivul să facă ceva ce dorim să facă. Dispozitivele electrice pot fi foarte simple. De exemplu, într-un bec, curentul transmite energie printr-un fir special numit filament, care îl face să strălucească. Dispozitivele electrice pot fi, de asemenea, foarte complicate. Energia electrică poate fi folosită pentru a acționa un motor electric în interiorul unei unelte precum un burghiu sau un ascuțitor de creioane. Energia electrică este, de asemenea, utilizată pentru a alimenta dispozitivele electronice moderne, inclusiv telefoanele, computerele și televizoarele.

Câțiva termeni legați de electricitate

Iată câțiva termeni pe care o persoană îi poate întâlni atunci când studiază cum funcționează electricitatea. Studiul electricității și al modului în care aceasta face posibile circuitele electrice se numește electronică. Există un domeniu al ingineriei numit inginerie electrică, în care oamenii concep lucruri noi folosind electricitatea. Toți acești termeni sunt importanți pentru ei să îi cunoască.

• Curentul este cantitatea de sarcină electrică care circulă. Atunci când 1 coulomb de electricitate trece pe undeva într-o secundă, curentul este de 1 amper. Pentru a măsura curentul la un punct, folosim un ampermetru.

• Tensiunea, numită și "diferență de potențial", reprezintă "impulsul" din spatele curentului. Este cantitatea de muncă pe sarcină electrică pe care o poate efectua o sursă electrică. Atunci când 1 coulomb de electricitate are 1 joule de energie, acesta va avea 1 volt de potențial electric. Pentru a măsura tensiunea între două puncte, folosim un voltmetru.

• Rezistența este capacitatea unei substanțe de a "încetini" fluxul de curent, adică de a reduce viteza cu care încărcătura trece prin substanță. Dacă o tensiune electrică de 1 volt menține un curent de 1 amperiu printr-un fir, rezistența firului este de 1 ohm - aceasta se numește legea lui Ohm. Atunci când fluxul de curent se opune, energia se "consumă", ceea ce înseamnă că este transformată în alte forme (cum ar fi lumina, căldura, sunetul sau mișcarea)

• Energia electrică este capacitatea de a efectua muncă prin intermediul dispozitivelor electrice. Energia electrică este o proprietate "conservată", ceea ce înseamnă că se comportă ca o substanță și poate fi deplasată dintr-un loc în altul (de exemplu, de-a lungul unui mijloc de transmisie sau într-o baterie). Energia electrică se măsoară în jouli sau kilowați-oră (kWh).

• Puterea electrică reprezintă rata la care energia electrică este utilizată, stocată sau transferată. Fluxul de energie electrică de-a lungul liniilor electrice se măsoară în wați. În cazul în care energia electrică este transformată într-o altă formă de energie, aceasta se măsoară în wați. Dacă o parte din ea este convertită și o parte este stocată, se măsoară în volt-amperi sau, dacă este stocată (ca în câmpurile electrice sau magnetice), se măsoară în volt-amperi reactivi.

 
Electricitatea este trimisă pe fire.  


Desenul unui circuit electric: curentul (I) circulă de la + în jurul circuitului înapoi la -.  

Generarea de energie electrică

Energia electrică este generată în principal în locuri numite centrale electrice. Majoritatea centralelor electrice folosesc căldura pentru a fierbe apa și a o transforma în abur, care transformă un motor cu abur. Turbina motorului cu aburi transformă o mașină numită "generator". Firele spiralate din interiorul generatorului sunt făcute să se rotească într-un câmp magnetic. Acest lucru face ca electricitatea să circule prin fire, transportând energie electrică. Acest proces se numește inducție electromagnetică. Michael Faraday a descoperit cum se poate realiza acest lucru.

Multe surse de căldură pot fi folosite pentru a fierbe apa pentru generatoare. Sursele de energie termică pot utiliza resurse de energie regenerabilă, în cazul în care rezerva de energie termică nu se epuizează niciodată, și resurse de energie neregenerabilă, în cazul în care rezerva va fi în cele din urmă epuizată.

Uneori, un flux natural, cum ar fi energia eoliană sau hidraulică, poate fi folosit direct pentru a porni un generator, astfel încât nu este nevoie de căldură.

 
Motor cu aburi în centru care acționează două generatoare pe laturile sale, sfârșitul secolului al XIX-lea