Koristimo je svaki dan, ali većina nas ne zna kako struja postiže funkcioniranje uređaja. Što se događa u žicama zbog čega se pokreću motori i zagrijavaju grijači?

  2 osnovna učinka električne struje u metalnim vodičima  

Bez obzira radi li se o tosteru ili električnom automobilu, sve što radi na električnu energiju svodi se na jedno pitanje: što se događa kada omogućite elektronimaAtom se sastoji od jezgre i omotača. U omotaču su elektroni, a u jezgri neutroni i protoni. Elektroni iz omotača imaju negativan električni naboj, a protoni u jezgri pozitivan naboj. Elektroni ne mogu biti na bilo kojoj udaljenosti od jezgre, odnosno na bilo kojem mjestu u odnosu prema jezgri, mogu imati samo određena energetska stanja. da se usmjereno gibaju u vodiču?

Kad su elektroni "prisiljeni" kretati se sinkronizirano, oni mogu proizvoditi toplinu i - što je još impresivnije - žicu u kojoj se kreću pretvaraju u magnet. Toplina može učiniti da voda zavrije i da žarulje svijetle, a magneti mogu pokretati stvari. I to su dva trika koji stoje iza 'čarolije' svakog električnog uređaja.

  Usmjereno gibanje elektrona  

Elektroni koji pokreću naše aparate nalaze se u žicama električnih krugova.
Žice su izrađene od metala, a atomi vezani u metalima uvijek otpuštaju po jedan elektron iz atoma koji se zatim roje između njih.

Ali ako te elektrone "natjeramo" da se gibaju organizirano, a u žici to znači usmjereno, poteći će električna struja. To je sve što nam treba za električnu struju - elektroni koji se usmjereno gibaju. (Pod djelovanjem električnog polja, da ne bi bilo zabune. Naime i elektroni u komadu metala koji slobodno pada gibaju se usmjereno, ali to nije električna struja).

Energija za pokretanje elektrona u usmjerenom gibanju dolazi iz nekog izvora - baterije ili generatora.

  Baterija (akumulator)  

Kad baterija "organizira" gibanje elektrona, ona to čini na račun elektrokemijskog potencijalaElektrokemijski potencijal djeluje kao pokretačka sila kemijske reakcije prijenosa elektrona u galvanskim člancima. U fizikalnom smislu to je ukupni rad potreban za prenošenje čestice tvari s jedne na drugu elektrodu kao zbroj elektrostatske i kemijske potencijalne energije. Smatra se pogonskom silom u smislu sposobnosti elektroda da proizvedu elektromotornu silu i aktiviraju gibanje elektrona. njenih elektroda. Zatvorimo li strujni krug svi se slobodni elektroni u žici počnu istodobno kretati u istom smjeru - baterija utiskuje, gura elektrone kroz žice kruga od negativnog do pozitivnog priključka. Budući da svi idu u jednom smjeru, to se naziva istosmjerna struja (eng. Direct Current - DC).

  Generator  

Generatori električne energije u elektranama organiziraju elektrone na malo drugačiji način. Oni utiskuju, guraju elektrone na račun mehaničkog rada uloženog u gibanje vodiča kroz magnetsko polje. Ali generatori mijenjaju smjer utiskivanja 100 puta svake sekundeTo vrijedi kada je frekvencija mreže 50 Hz. U nekim zemljama gdje je frekvencija 60 Hz, smjer se mijenja 120 puta u sekundi.. Dakle, umjesto da se stalno kreću u jednom smjeru kao u istosmjernom krugu, elektroni ostaju uglavnom lokalno tamo gdje jesu i neprestano se trzaju naprijed - natrag. Stalno im se mijenja smjer i to je ono što stoji iza imena takvog gibanja, izmjenična struja (eng. Alternating Current - AC).

Budući da je metalna, žica je građena od krute rešetke atoma s rojem nevezanih elektrona između njih. Priključite žicu nekog trošila na bateriju (DC) i svi se elektroni sinkroniziraju prema naprijed. Međutim, spojimo li trošilo na mrežnu utičnicu, elektroni se pomiču naprijed - nazad u mjestu, mijenjajući smjer 100 puta u sekundi (AC).

Dakle, električna struja to su samo elektroni koji se organizirano kreću u električnom krugu. Ali kako elektroni u tom trku kroz vodiče stvaraju toplinu koja stoji iza tostiranja kruha, sušenja kose i grijanja stopala?

  Grijanje strujom  

Sve se žice malo zagriju kad kroz njih teče struja, jer dok se elektroni kreću u žici, sudaraju se s atomima metala. I kad god uđu u atom, energija elektrona u pokretu odaje se kao toplina. No ako žica ima vrlo visoku temperaturu tališta, ona se može zagrijavati i do visokog sjaja, a da se žarna nit ne rastali i ne prekine, kao u žarulji. Toplina se može pretvoriti u svjetlost.

Uključi

Isključi

Bakar koristimo za električne vodiče jer se elektroni lako kreću, pa se ne troši previše energije na toplinu. Ali ako baš želite toplinu, recimo za vaše sušilo za kosu / toster / električni vrč, vrlo je lako doći do nje. Treba samo upotrijebiti malo metala kroz koji se elektroni prilično teško kreću, poput nikla ili volframa.

Grijaći elementi kakvi su u tosterima ili sušilima za kosu u suštini su dijelovi električnog kruga izrađeni od legure nikla / kroma zvane nikrom. Pustite li struju kroz nikrom i dobit ćete ozbiljno zagrijavanje. I dok se elektroni u bakrenim žicama mogu lako kretati s vrlo malim otporom, oni se u nikromu neprestano sudaraju s atomima nikla i kroma i svoju energiju pretvaraju u toplinu. A to je upravo ono što vam treba kada želite brzo osušiti mokru kosu.

Ali grijanje je samo jedna od stvari koju električni uređaji mogu učiniti. Većina ostalih uređaja zasniva se na vrtnji - a to podrazumijeva elektromotor. Pa kako usmjereno gibanje elektrona pokreće motor?

  Pokretanje motora  

Svaki uređaj s pokretnim dijelovima složenijim od tostera ima električni motor. I kada pokreću tisuće različitih uređaja, električni motori u stvari rade samo jedno - okreću se kad god im dovedete napon. A vrti se također i sve što je pričvršćeno na njihovu osovinu - poput kotača, lopatica ventilatora ili bubnja perilice.

Vrtnja se događa samo kad struja teče - kad su elektroni u žici organizirani u struju.

Pa kako elektroni koji se gibaju pokreću motor? Ne pokreću ga oni. Bilo bi to prenaporno za njih. Elektroni rade nešto zgodnije - oni žice pretvaraju u magnete. A kao što zna svaki petogodišnjak, magneti su izvrsni za pokretanje stvari.

Svi smo se igrali s magnetima, ali ono što mnogi od nas ne shvaćaju jest da magneti svoja svojstva dobivaju od istog uzroka kao i električna energija: od organiziranih elektrona.

  Elektricitet i magnetizam ... međuovisnost  

Svaki je elektron poput majušnog, slabog magneta. Većina elektrona boravi u parovima i međusobno si poništavaju magnetska svojstva. Ali neki materijali - poput željeza - imaju oko svojih atoma neke nesparene elektrone. I ako uspijete navesti te nesparene elektrone da im se njihova magnetska polja usmjere u istom smjeru, vaš komad željeza odjednom je magnet. A to se upravo događa kada magnetom pogladite iglu ili spajalicu - magnetsko polje oko vašeg magneta povlači neke nesparene elektrone u igli u nizove, pa se sav njihov mini-magnetizam u punoj mjeri zbraja u magnet.

Međutim, bilo koji metal možete pretvoriti u privremeni magnet - elektromagnet - dovoljno je da kroz njega puštate električnu struju.

Elektromagneti su mogući zato što električni naboj na elektronu može stvoriti i magnetsko polje, ali samo kad se kreće. Dakle, kad god se elektroni u žici sinkronizirano kreću (tj. kad teče struja), žica postaje magnet. No, magnetsko polje ravnog vodiča je preslabo da bi sam vodič bio koristan kao magnet. Ali ako žicu namotate oko komada željeza, slabo magnetsko polje oko vodiča prisiljava nesparene elektrone u željezu da se poravnaju, i sav njihov mini-magnetizam zbraja se baš kao u šipkastom magnetu.

Ali za razliku od običnog magneta, žica je magnetska samo dok struja teče - kada se struja prekine, elektroni u žici vraćaju se da djeluju poput subatomskih mušica. A željezni štap koji je bio omotan navojima žice vrati se u komad običnog željeza.

Sposobnost električne struje da pretvori žice u privremene magnete omogućuje nam da imamo motore koji se mogu uključivati i isključivati.

  Kako rade elektromotori  

Ako ste ikada koristili jedan magnet za odbijanje drugog magneta, već znate osnove rada elektromotora. Zapravo, ako ste sjeverni kraj jednog magneta koristili za guranje sjevernog kraja drugog magneta u krug, prilično dobro biste radili isto što radi i električni motor. Samo što motor nema divovsku ruku koja gura jedan magnet da odbije drugi - već se oslanja na niz magneta po obodu koji okružuju petlju žice na rotoru.

Kad struja teče, žičana petlja rotora postaje elektromagnet. A trajni magneti oko tog elektromagneta postavljeni su tako da njihove privlačne i odbojne sile uzrokuju neprestano okretanje rotora sve dok teče struja.

Kada se pritisne sklopka za isključenje, vrtnja je gotova. Bez akumulatora ili generatora koji bi ih potisnuli, elektroni više nisu organizirani, žica više nije magnetizirana i okretanje motora se zaustavlja. Pumpe / lopatice ventilatora / remeni pričvršćeni na motor zaustavljaju usisavanje, puhanje ili vožnju.

Električna 'čarolija' prestaje, i aparat je do sljedećeg uključivanja tek nakupina plastike i metala.