Elektřina

Existují dva typy elektrických nábojů, které se navzájem tlačí a přitahují: kladné a záporné náboje. Elektrické náboje se navzájem tlačí nebo táhnou, pokud se nedotýkají. To je možné, protože každý náboj kolem sebe vytváří elektrické pole. Elektrické pole je oblast, která obklopuje náboj. V každém bodě v blízkosti náboje směřuje elektrické pole určitým směrem. Pokud do tohoto bodu umístíme kladný náboj, bude tímto směrem tlačen. Pokud do tohoto bodu umístíme záporný náboj, bude tlačen přesně opačným směrem.

Funguje podobně jako magnety a elektřina vlastně vytváří magnetické pole, v němž se podobné náboje odpuzují a opačné náboje přitahují. To znamená, že kdybyste dali dva záporné náboje těsně k sobě a pustili je, oddálily by se od sebe. Totéž platí pro dva kladné náboje. Pokud byste však kladný a záporný náboj položili blízko sebe, přitahovaly by se k sobě. Krátce si to zapamatujte pomocí věty protiklady se přitahují rády odpuzují.

Veškerá hmota ve vesmíru se skládá z malých částic s kladným, záporným nebo neutrálním nábojem. Kladné náboje se nazývají protony a záporné náboje se nazývají elektrony. Protony jsou mnohem těžší než elektrony, ale oba mají stejný elektrický náboj, jen s tím rozdílem, že protony jsou kladné a elektrony záporné. Protože "protiklady se přitahují", protony a elektrony se drží pohromadě. Několik protonů a elektronů může tvořit větší částice zvané atomy a molekuly. Atomy a molekuly jsou stále velmi malé. Jsou příliš malé na to, abychom je viděli. Jakýkoli velký předmět, například váš prst, obsahuje více atomů a molekul, než by kdokoli dokázal spočítat. Můžeme pouze odhadovat, kolik jich je.

Protože se záporné elektrony a kladné protony spojují do velkých objektů, jsou všechny velké objekty, které vidíme a cítíme, elektricky neutrální. Elektricky je slovo, které znamená "popisující elektřinu", a neutrální je slovo, které znamená "vyvážený". Proto necítíme, jak na nás předměty z dálky tlačí a táhnou, jako by tomu bylo, kdyby vše bylo elektricky nabité. Všechny velké objekty jsou elektricky neutrální, protože na světě je stejné množství kladného i záporného náboje. Dalo by se říci, že svět je přesně vyvážený neboli neutrální. Vědci stále nevědí, proč tomu tak je.

Elektrony se mohou pohybovat po celém materiálu. Protony se nikdy nepohybují po pevném tělese, protože jsou velmi těžké, alespoň ve srovnání s elektrony. Materiál, který umožňuje pohyb elektronů, se nazývá vodič. Materiál, který drží každý elektron pevně na svém místě, se nazývá izolant. Příklady vodičů jsou měď, hliník, stříbro a zlato. Příklady izolantů jsou guma, plast a dřevo. Měď se jako vodič používá velmi často, protože je velmi dobrým vodičem a na světě je jí velké množství. Měď se nachází v elektrických vodičích. Někdy se však používají i jiné materiály.

Uvnitř vodiče elektrony poskakují, ale nevydrží dlouho v jednom směru. Pokud se uvnitř vodiče vytvoří elektrické pole, všechny elektrony se začnou pohybovat ve směru opačném, než je směr pole (protože elektrony jsou záporně nabité). Baterie může uvnitř vodiče vytvořit elektrické pole. Pokud oba konce kusu vodiče připojíme ke dvěma koncům baterie (nazývaným elektrody), smyčka, která vznikla, se nazývá elektrický obvod. Elektrony budou proudit kolem obvodu tak dlouho, dokud bude baterie vytvářet uvnitř vodiče elektrické pole. Tento tok elektronů kolem obvodu se nazývá elektrický proud.

Vodivý drát používaný k vedení elektrického proudu je často obalený izolantem, například gumou. Je to proto, že vodiče, které vedou proud, jsou velmi nebezpečné. Pokud by se člověk nebo zvíře dotkli holého vodiče, kterým teče proud, mohli by se zranit nebo dokonce zemřít v závislosti na tom, jak silný by byl proud a kolik elektrické energie proud přenáší. Měli byste být opatrní v blízkosti elektrických zásuvek a holých drátů, kterými může protékat proud.

Elektrické zařízení je možné zapojit do obvodu tak, aby zařízením protékal elektrický proud. Tento proud bude přenášet elektrickou energii, aby zařízení udělalo něco, co chceme, aby udělalo. Elektrická zařízení mohou být velmi jednoduchá. Například v žárovce proud přenáší energii přes speciální vodič zvaný vlákno, díky němuž žárovka svítí. Elektrická zařízení mohou být také velmi složitá. Elektrická energie může být použita k pohonu elektromotoru uvnitř nástroje, jako je vrtačka nebo ořezávátko. Elektrická energie se používá také k napájení moderních elektronických zařízení, včetně telefonů, počítačů a televizorů.

Některé pojmy související s elektřinou

Zde je několik pojmů, se kterými se člověk může setkat při studiu fungování elektřiny. Studium elektřiny a způsobů, jakými umožňuje fungování elektrických obvodů, se nazývá elektronika. Existuje obor zvaný elektrotechnika, kde lidé vymýšlejí nové věci pomocí elektřiny. Všechny tyto pojmy je pro ně důležité znát.

• Proud je množství elektrického náboje, které protéká. Když někde projde 1 coulomb elektřiny za 1 sekundu, proud je 1 ampér. K měření proudu v jednom bodě používáme ampérmetr.

• Napětí, kterému se také říká "rozdíl potenciálů", je "hnací silou" proudu. Je to množství práce na jeden elektrický náboj, které může elektrický zdroj vykonat. Když 1 coulomb elektřiny má 1 joule energie, bude mít 1 volt elektrického potenciálu. K měření napětí mezi dvěma body používáme voltmetr.

• Odpor je schopnost látky "zpomalit" tok proudu, tj. snížit rychlost, kterou náboj látkou protéká. Pokud elektrické napětí 1 volt udržuje proud 1 ampér vodičem, je odpor vodiče 1 ohm - tomu se říká Ohmův zákon. Když je průtoku proudu kladen odpor, energie se "spotřebovává", což znamená, že se přeměňuje na jiné formy (například světlo, teplo, zvuk nebo pohyb).

• Elektrická energie je schopnost vykonávat práci pomocí elektrických zařízení. Elektrická energie je "konzervovaná" vlastnost, což znamená, že se chová jako látka a může být přemísťována z místa na místo (například po přenosovém médiu nebo v baterii). Elektrická energie se měří v joulech nebo kilowatthodinách (kWh).

• Elektrický výkon je rychlost, s jakou se elektrická energie spotřebovává, ukládá nebo přenáší. Tok elektrické energie po elektrickém vedení se měří ve wattech. Pokud se elektrická energie přeměňuje na jinou formu energie, měří se ve wattech. Pokud se část přeměňuje a část ukládá, měří se ve voltampérech, nebo pokud se ukládá (jako v elektrickém nebo magnetickém poli), měří se v jalových voltampérech.

Elektrická energie se většinou vyrábí v místech zvaných elektrárny. Většina elektráren využívá teplo k vaření vody na páru, která roztáčí parní stroj. Turbína parního stroje roztáčí stroj zvaný "generátor". Uvnitř generátoru se vinuté dráty otáčejí v magnetickém poli. To způsobuje, že dráty protéká elektřina a přenáší elektrickou energii. Tento proces se nazývá elektromagnetická indukce. Michael Faraday objevil způsob, jak toho dosáhnout.

Existuje mnoho zdrojů tepla, které lze využít k výrobě elektrické energie. Zdroje tepla lze rozdělit na dva typy: obnovitelné zdroje energie, u nichž se zásoby tepelné energie nikdy nevyčerpají, a neobnovitelné zdroje energie, u nichž se zásoby nakonec vyčerpají.

Někdy lze k otáčení generátoru využít přímo přirozený tok, jako je energie větru nebo vody, takže není potřeba žádné teplo.