Elektromosság
Az elektromosság az elektromos töltés jelenléte és áramlása. Az elektromosság segítségével olyan módon tudunk energiát átadni, amely lehetővé teszi számunkra, hogy egyszerű munkákat végezzünk. Legismertebb formája az elektronok áramlása a vezetőkön, például a rézhuzalokon keresztül.
Az "elektromosság" szót néha "elektromos energiára" használják. Ezek nem ugyanazok: az elektromosság az elektromos energia átviteli közege, ahogy a tengervíz a hullámenergia átviteli közege. Az olyan tárgyat, amely lehetővé teszi az elektromosság áthaladását, vezetőnek nevezzük. A rézhuzalok és más fémtárgyak jó vezetők, lehetővé teszik, hogy az elektromosság áthaladjon rajtuk, és továbbítsák az elektromos energiát. A műanyag rossz vezető (más néven szigetelő), és nem sok elektromosságot enged át rajta, így megállítja az elektromos energia átvitelét.
Az elektromos energia átvitele történhet természetes módon (mint a villámlás), vagy előállítható (mint egy generátorban). Ez egy olyan energia, amelyet gépek és elektromos eszközök működtetésére használunk. Amikor az elektromos töltések nem mozognak, az elektromosságot statikus elektromosságnak nevezzük. Amikor a töltések mozognak, akkor elektromos áramot képeznek, amit néha "dinamikus elektromosságnak" neveznek. A villám a természetben előforduló elektromos áram legismertebb - és legveszélyesebb - fajtája, de néha a statikus elektromosság hatására dolgok összeragadnak.
Az elektromosság veszélyes lehet, különösen a víz közelében, mivel a víz egyfajta jó vezető, mivel olyan szennyeződéseket tartalmaz, mint a só. A tizenkilencedik század óta az elektromosságot életünk minden területén használjuk. Addig csak a zivatarok villámaiban látható érdekesség volt.
Elektromos energia keletkezhet, ha egy mágnes egy fémhuzal közelében halad el. Ezt a módszert használja a generátor. A legnagyobb generátorok az erőművekben vannak. Elektromos energia úgy is felszabadulhat, ha egy befőttesüvegben vegyszereket kombinálunk két különböző fémrúddal. Ezt a módszert használja az akkumulátor. Statikus elektromosság keletkezhet két anyag - például egy gyapjú sapka és egy műanyag vonalzó - közötti súrlódás révén. Ez szikrát hozhat létre. Elektromos energia a nap energiájával is előállítható, mint a fotovoltaikus cellákban.
Az elektromos energia vezetéken keresztül érkezik az otthonokba azokról a helyekről, ahol azt előállítják. Ezt használják fel az elektromos lámpák, elektromos fűtőtestek stb. Sok készülék, például a mosógépek és az elektromos tűzhelyek is használnak áramot. A gyárakban az elektromos energia hajtja a gépeket. Azokat az embereket, akik otthonainkban és a gyárakban villamos energiával és elektromos eszközökkel foglalkoznak, "villanyszerelőknek" nevezzük.
Hogyan működik
Kétféle elektromos töltés létezik, amelyek egymást nyomják és húzzák: pozitív és negatív töltések. Az elektromos töltések akkor is nyomják vagy húzzák egymást, ha nem érnek össze. Ez azért lehetséges, mert minden töltés elektromos mezőt hoz létre maga körül. Az elektromos mező egy töltést körülvevő terület. A töltés közelében minden egyes ponton az elektromos mező egy bizonyos irányba mutat. Ha egy pozitív töltést helyezünk erre a pontra, akkor az abba az irányba tolódik. Ha egy negatív töltés kerül arra a pontra, akkor pontosan az ellenkező irányba tolódik.
Úgy működik, mint a mágnes, és valójában az elektromosság mágneses mezőt hoz létre, amelyben a hasonló töltések taszítják egymást, az ellentétes töltések pedig vonzzák egymást. Ez azt jelenti, hogy ha két negatív töltést egymás közelébe teszünk, és elengedjük őket, akkor eltávolodnak egymástól. Ugyanez igaz két pozitív töltésre is. Ha azonban egy pozitív és egy negatív töltést közel tennénk egymáshoz, akkor egymás felé húznának. Röviden így emlékezhetünk erre: az ellentétek vonzzák, szeretik taszítják egymást.
Az univerzumban minden anyag pozitív, negatív vagy semleges töltéssel rendelkező apró részecskékből áll. A pozitív töltéseket protonoknak, a negatív töltéseket pedig elektronoknak nevezik. A protonok sokkal nehezebbek, mint az elektronok, de mindkettőnek ugyanannyi elektromos töltése van, csakhogy a protonok pozitívak, az elektronok pedig negatívak. Mivel az "ellentétek vonzzák egymást", a protonok és az elektronok összetapadnak. Néhány proton és elektron nagyobb részecskéket, úgynevezett atomokat és molekulákat alkothat. Az atomok és molekulák még mindig nagyon aprók. Túl kicsik ahhoz, hogy lássuk őket. Bármelyik nagy tárgy, például az ujjad, több atomot és molekulát tartalmaz, mint amennyit bárki meg tud számolni. Csak megbecsülni tudjuk, hogy mennyi van belőlük.
Mivel a negatív elektronok és a pozitív protonok egymáshoz tapadva nagy tárgyakat alkotnak, minden nagy tárgy, amit látunk és érzünk, elektromosan semleges. Az elektromosan egy "elektromosságot leíró" szó, a semleges pedig egy "kiegyensúlyozott" jelentésű szó. Ezért nem érezzük, hogy a tárgyak távolról nyomnak és húznak minket, mintha minden elektromosan töltött lenne. Minden nagy tárgy elektromosan semleges, mert a világban ugyanannyi pozitív és negatív töltés van. Mondhatnánk, hogy a világ pontosan kiegyensúlyozott, vagyis semleges. A tudósok még mindig nem tudják, miért van ez így.
Elektromos áram
Az elektronok az egész anyagban mozoghatnak. A protonok soha nem mozognak egy szilárd tárgy körül, mert olyan nehezek, legalábbis az elektronokhoz képest. Az olyan anyagot, amely engedi az elektronokat mozogni, vezetőnek nevezzük. Az olyan anyagot, amely minden egyes elektront szorosan a helyén tart, szigetelőnek nevezzük. A vezetőkre példa a réz, az alumínium, az ezüst és az arany. Szigetelőanyag például a gumi, a műanyag és a fa. A rezet nagyon gyakran használják vezetőként, mert nagyon jó vezető, és nagyon sok van belőle a világon. A réz megtalálható az elektromos vezetékekben. De néha más anyagokat is használnak.
Egy vezető belsejében az elektronok ugrálnak, de nem tartanak sokáig egy irányban. Ha a vezető belsejében elektromos mezőt hozunk létre, az elektronok mind a mező irányával ellentétes irányba kezdenek mozogni (mivel az elektronok negatív töltésűek). Egy akkumulátor elektromos mezőt hozhat létre a vezető belsejében. Ha egy vezetékdarab két végét egy akkumulátor két végéhez csatlakoztatjuk (ezeket nevezzük elektródáknak), a kialakult hurkot elektromos áramkörnek nevezzük. Az elektronok körbe-körbe fognak áramlani az áramkörben, amíg az akkumulátor elektromos mezőt hoz létre a vezeték belsejében. Az elektronoknak ezt az áramkör körüli áramlását elektromos áramnak nevezzük.
Az elektromos áram vezetésére használt vezető drótot gyakran szigetelőanyagba, például gumiba csomagolják. Ennek oka, hogy az áramot vezető vezetékek nagyon veszélyesek. Ha egy ember vagy egy állat megérint egy csupasz, áramot vezető vezetéket, megsérülhet, vagy akár meg is halhat, attól függően, hogy milyen erős volt az áram, és mennyi elektromos energiát közvetít az áram. Óvatosnak kell lennie az elektromos aljzatok és a csupasz vezetékek közelében, amelyek áramot vezethetnek.
Egy elektromos eszközt úgy lehet egy áramkörhöz csatlakoztatni, hogy az elektromos áram átfolyjon egy eszközön. Ez az áram elektromos energiát továbbít, hogy az eszköz megtegyen valamit, amit szeretnénk, hogy megtegyen. Az elektromos eszközök nagyon egyszerűek lehetnek. Például egy villanykörte esetében az áram energiát szállít egy speciális dróton, az úgynevezett izzószálon keresztül, amely izzásra készteti a villanykörtét. Az elektromos eszközök lehetnek nagyon bonyolultak is. Az elektromos energia felhasználható egy elektromos motor meghajtására egy szerszámban, például egy fúrógépben vagy egy ceruzahegyezőben. Az elektromos energiát a modern elektronikus eszközök, például a telefonok, számítógépek és televíziók működtetésére is használják.
Néhány villamossággal kapcsolatos kifejezés
Íme néhány kifejezés, amellyel az ember találkozhat az elektromosság működésének tanulmányozása során. Az elektromosság tanulmányozását és azt, hogy hogyan teszi lehetővé az elektromos áramköröket, elektronikának nevezzük. A mérnöki tudománynak van egy olyan területe, amelyet elektrotechnikának hívnak, ahol az emberek új dolgokat találnak ki az elektromosság felhasználásával. Mindezeket a kifejezéseket fontos ismerniük.
- Az áram az áramló elektromos töltés mennyisége. Ha 1 coulombnyi elektromos áram 1 másodperc alatt halad át valahol, az áram 1 amper. Az áram egy ponton történő méréséhez ampermérőt használunk.
- A feszültség, más néven "potenciálkülönbség" az áram mögötti "lökés". Ez az elektromos töltésre jutó munka mennyisége, amelyet egy elektromos forrás képes elvégezni. Ha 1 coulombnyi elektromosság 1 joule energiával rendelkezik, akkor 1 volt elektromos potenciál lesz. Két pont közötti feszültség méréséhez feszültségmérőt használunk.
- Az ellenállás egy anyag azon képessége, hogy "lelassítja" az áram folyását, azaz csökkenti a töltés áramlási sebességét az anyagon keresztül. Ha egy 1 voltos elektromos feszültség 1 amper áramot tart fenn egy vezetéken keresztül, akkor a vezeték ellenállása 1 ohm - ezt nevezzük Ohm törvényének. Amikor az áram folyása ellenkezik, az energia "elhasználódik", ami azt jelenti, hogy más formákká alakul át (például fénnyé, hővé, hanggá vagy mozgássá).
- Az elektromos energia az a képesség, hogy elektromos eszközökkel munkát végezzünk. Az elektromos energia "konzervált" tulajdonság, ami azt jelenti, hogy anyagként viselkedik, és helyről helyre mozgatható (például egy átviteli közeg mentén vagy egy akkumulátorban). Az elektromos energiát joule-ban vagy kilowattórában (kWh) mérik.
- Az elektromos teljesítmény az elektromos energia felhasználásának, tárolásának vagy átvitelének sebessége. Az elektromos energia áramlását a távvezetékeken wattban mérik. Ha az elektromos energiát más energiaformává alakítják át, akkor azt wattban mérik. Ha egy részét átalakítják, egy részét pedig tárolják, akkor azt volt-amperben mérik, vagy ha tárolják (mint az elektromos vagy mágneses mezőkben), akkor volt-amper reaktívban mérik.
Az elektromosságot vezetéken továbbítják.
Egy elektromos áramkör rajza: az áram (I) az áramkörben +-ból áramlik vissza -ba.
Elektromos energia előállítása
Az elektromos energiát többnyire erőműveknek nevezett helyeken állítják elő. A legtöbb erőmű hővel forralja fel a vizet gőzzé, amely egy gőzgépet működtet. A gőzgép turbinája egy "generátornak" nevezett gépet hajt meg. A generátorban lévő tekercselt huzalok mágneses mezőben forognak. Ennek hatására a vezetékeken keresztül áram áramlik az elektromos energia. Ezt a folyamatot elektromágneses indukciónak nevezik. Michael Faraday fedezte fel, hogyan lehet ezt megvalósítani.
Számos olyan hőforrás létezik, amely elektromos energia előállítására használható. A hőforrások két típusba sorolhatók: megújuló energiaforrások, amelyekben a hőenergia-készlet soha nem fogy el, és nem megújuló energiaforrások, amelyekben a készlet idővel elfogy.
Néha egy természetes áramlást, például a szél- vagy vízenergiát közvetlenül fel lehet használni egy generátor forgatására, így nincs szükség hőre.
Az elektromos energiát erőművekben állítják elő.
Kérdések és válaszok
K: Mi az elektromos áram?
V: Az elektromosság az elektromos áram jelenléte és áramlása. Az energia olyan módon történő átvitelére szolgál, amely lehetővé teszi számunkra, hogy egyszerű feladatokat végezzünk.
K: Mik azok a vezetők?
V: A vezetők olyan tárgyak, amelyek lehetővé teszik az elektromosság áthaladását, például rézhuzalok és más fémtárgyak. Ezek lehetővé teszik, hogy az elektromosság áthaladjon rajtuk, és továbbítsák az elektromos energiát.
K: Hogyan lehet elektromos energiát előállítani?
V: Elektromos energia keletkezhet a természetben (például villámlás) vagy emberek által (például egy generátorban).
K: Mi az a statikus elektromosság?
V: Statikus elektromosság akkor keletkezik, amikor az elektromos töltések nem mozognak; a természetben ez okozhatja a dolgok összetapadását.
K: Hogyan működik egy generátor?
V: A generátor úgy működik, hogy egy mágnes közel halad egy fémhuzalhoz, és elektromos áramot hoz létre.
K: Hogyan működik egy akkumulátor?
V: Az akkumulátor úgy működik, hogy egy edényben lévő vegyszereket két különböző fémrúddal kombinálnak, és elektromos energiát szabadítanak fel.
K: Mik azok a villanyszerelők?
V: A villanyszerelők olyan emberek, akik az elektromossággal és az elektromos eszközökkel dolgoznak otthonokban és gyárakban.
