Elektrina: definícia, princíp, druhy a využitie elektrickej energie

Existujú dva typy elektrických nábojov, ktoré sa navzájom tlačia a ťahajú: kladné a záporné náboje. Elektrické náboje sa navzájom tlačia alebo ťahajú, ak sa nedotýkajú. Je to možné, pretože každý náboj okolo seba vytvára elektrické pole. Elektrické pole je oblasť, ktorá obklopuje náboj. V každom bode v blízkosti náboja smeruje elektrické pole určitým smerom. Ak sa do tohto bodu umiestni kladný náboj, bude tlačený týmto smerom. Ak sa do tohto bodu umiestni záporný náboj, bude tlačený presne opačným smerom.

Funguje to ako magnety a elektrina v skutočnosti vytvára magnetické pole, v ktorom sa podobné náboje odpudzujú a opačné náboje priťahujú. To znamená, že ak by ste k sebe priložili dva záporné náboje a pustili ich, vzdialili by sa od seba. To isté platí pre dva kladné náboje. Ak by ste však dali kladný a záporný náboj blízko seba, priťahovali by sa k sebe. Krátky spôsob, ako si to zapamätať, je veta Protiklady sa priťahujú radi odpudzujú.

Všetka hmota vo vesmíre sa skladá z malých častíc s kladným, záporným alebo neutrálnym nábojom. Kladné náboje sa nazývajú protóny a záporné náboje sa nazývajú elektróny. Protóny sú oveľa ťažšie ako elektróny, ale oba majú rovnaký elektrický náboj, lenže protóny sú kladné a elektróny záporné. Pretože "protiklady sa priťahujú", protóny a elektróny držia spolu. Niekoľko protónov a elektrónov môže vytvoriť väčšie častice nazývané atómy a molekuly. Atómy a molekuly sú stále veľmi malé. Sú príliš malé na to, aby sme ich videli. Akýkoľvek veľký predmet, napríklad váš prst, má v sebe viac atómov a molekúl, ako by ktokoľvek dokázal spočítať. Môžeme len odhadovať, koľko ich je.

Keďže záporné elektróny a kladné protóny sa spájajú do veľkých objektov, všetky veľké objekty, ktoré môžeme vidieť a cítiť, sú elektricky neutrálne. Elektricky je slovo, ktoré znamená "opisujúci elektrinu", a neutrálny je slovo, ktoré znamená "vyvážený". Preto necítime, ako na nás predmety z diaľky tlačia a ťahajú, ako by to bolo, keby bolo všetko elektricky nabité. Všetky veľké objekty sú elektricky neutrálne, pretože na svete je rovnaké množstvo kladného a záporného náboja. Mohli by sme povedať, že svet je presne vyvážený alebo neutrálny. Vedci stále nevedia, prečo je to tak.

Elektróny sa môžu pohybovať po celom materiáli. Protóny sa nikdy nepohybujú po pevnom objekte, pretože sú veľmi ťažké, aspoň v porovnaní s elektrónmi. Materiál, ktorý umožňuje pohyb elektrónov, sa nazýva vodič. Materiál, ktorý drží každý elektrón pevne na svojom mieste, sa nazýva izolant. Príkladmi vodičov sú meď, hliník, striebro a zlato. Príkladmi izolátorov sú guma, plast a drevo. Meď sa ako vodič používa veľmi často, pretože je veľmi dobrým vodičom a na svete je jej veľmi veľa. Meď sa nachádza v elektrických vodičoch. Niekedy sa však používajú aj iné materiály.

Vo vnútri vodiča sa elektróny odrážajú, ale nevydržia dlho v jednom smere. Ak sa vo vnútri vodiča vytvorí elektrické pole, všetky elektróny sa začnú pohybovať v smere opačnom, než je smer, ktorým smeruje pole (pretože elektróny sú záporne nabité). Batéria môže vo vnútri vodiča vytvoriť elektrické pole. Ak sú oba konce kúska vodiča pripojené k dvom koncom batérie (nazývaným elektródy), vzniknutá slučka sa nazýva elektrický obvod. Elektróny budú prúdiť okolo a okolo obvodu, pokiaľ batéria vytvára vo vnútri vodiča elektrické pole. Tento tok elektrónov okolo obvodu sa nazýva elektrický prúd.

Vodivý drôt používaný na vedenie elektrického prúdu je často obalený izolantom, napríklad gumou. Je to preto, lebo vodiče, ktoré vedú prúd, sú veľmi nebezpečné. Ak by sa človek alebo zviera dotklo holého vodiča vedúceho prúd, mohlo by sa zraniť alebo dokonca zomrieť v závislosti od toho, aký silný bol prúd a koľko elektrickej energie prúd prenáša. Mali by ste byť opatrní v blízkosti elektrických zásuviek a holých drôtov, ktorými môže prechádzať prúd.

Elektrické zariadenie je možné pripojiť k obvodu tak, aby cez zariadenie tiekol elektrický prúd. Tento prúd bude prenášať elektrickú energiu, aby zariadenie urobilo niečo, čo chceme, aby urobilo. Elektrické zariadenia môžu byť veľmi jednoduché. Napríklad v žiarovke prúd prenáša energiu cez špeciálny drôt nazývaný vlákno, vďaka ktorému žiarovka svieti. Elektrické zariadenia môžu byť aj veľmi zložité. Elektrická energia sa môže použiť na pohon elektromotora v nástroji, ako je vŕtačka alebo orezávač na ceruzky. Elektrická energia sa používa aj na napájanie moderných elektronických zariadení vrátane telefónov, počítačov a televízorov.

Niektoré pojmy týkajúce sa elektriny

Tu je niekoľko pojmov, s ktorými sa človek môže stretnúť pri štúdiu fungovania elektriny. Štúdium elektriny a spôsobu, akým umožňuje fungovanie elektrických obvodov, sa nazýva elektronika. Existuje oblasť inžinierstva s názvom elektrotechnika, v ktorej ľudia vymýšľajú nové veci pomocou elektriny. Všetky tieto pojmy je pre nich dôležité poznať.

• Prúd je množstvo elektrického náboja, ktoré preteká. Keď sa niekde za 1 sekundu presunie 1 coulomb elektrického náboja, prúd je 1 ampér. Na meranie prúdu v jednom bode používame ampérmeter.

• Napätie, nazývané aj "rozdiel potenciálov", je "hnacím motorom" prúdu. Je to množstvo práce na jeden elektrický náboj, ktoré môže vykonať elektrický zdroj. Keď 1 coulomb elektrickej energie má 1 joule energie, bude mať 1 volt elektrického potenciálu. Na meranie napätia medzi dvoma bodmi používame voltmeter.

• Odpor je schopnosť látky "spomaliť" tok prúdu, t. j. znížiť rýchlosť, ktorou náboj preteká látkou. Ak elektrické napätie 1 volt udržiava prúd 1 ampér cez vodič, odpor vodiča je 1 ohm - to sa nazýva Ohmov zákon. Keď je tok prúdu protichodný, energia sa "spotrebuje", čo znamená, že sa premení na iné formy (napríklad svetlo, teplo, zvuk alebo pohyb)

• Elektrická energia je schopnosť vykonávať prácu pomocou elektrických zariadení. Elektrická energia je "konzervovaná" vlastnosť, čo znamená, že sa správa ako látka a môže sa presúvať z miesta na miesto (napríklad po prenosovom médiu alebo v batérii). Elektrická energia sa meria v jouloch alebo kilowatthodinách (kWh).

• Elektrický výkon je rýchlosť, akou sa elektrická energia využíva, uskladňuje alebo prenáša. Tok elektrickej energie po elektrických vedeniach sa meria vo wattoch. Ak sa elektrická energia premieňa na inú formu energie, meria sa vo wattoch. Ak sa časť z nej premieňa a časť ukladá, meria sa vo voltampéroch, alebo ak sa ukladá (ako v elektrických alebo magnetických poliach), meria sa v reaktívnych voltampéroch.

Elektrická energia sa väčšinou vyrába v miestach nazývaných elektrárne. Väčšina elektrární využíva teplo na varenie vody na paru, ktorá roztáča parný stroj. Turbína parného stroja otáča stroj nazývaný "generátor". V generátore sa točia vinuté drôty v magnetickom poli. To spôsobuje, že drôtmi preteká elektrina, ktorá prenáša elektrickú energiu. Tento proces sa nazýva elektromagnetická indukcia. Michael Faraday objavil, ako to urobiť.

Existuje mnoho zdrojov tepla, ktoré možno využiť na výrobu elektrickej energie. Zdroje tepla možno rozdeliť na dva typy: obnoviteľné zdroje energie, pri ktorých sa zásoby tepelnej energie nikdy nevyčerpajú, a neobnoviteľné zdroje energie, pri ktorých sa zásoby nakoniec vyčerpajú.

Niekedy možno na otáčanie generátora priamo využiť prirodzený tok, ako je energia vetra alebo vody, takže nie je potrebné žiadne teplo.