Elektrina

Statická elektrina

Elektrina je forma energie, ktorá sa prejavuje buď ako statická elektrinana určitom mieste, alebo ako elektrický prúd,ktorý prechádza materiálom z jedného miesta na druhé. Statická elektrina vzniká napríklad vtedy, keď triete jednu vec o druhú. Napríklad, ak trieme balón o vlasy, tie sa potom k balónu pritiahnu. Deje sa to preto, lebo trením vzniká na oboch povrchoch opačný elektrický náboj (malé množstvo elektriny), ktorý sa prejaví tým, že ťažší balón pritiahne ľahšie vlasy, ak balón držíme v ruke.

Podobný jav môžeme pozorovať, ak chodíme po nylonovom koberci. Počas chôdze sa o koberec chtiac-nechtiac trieme, naše telo sa postupne nabíja elektrickým nábojom a ak sa potom dotkneme napríklad kovovej kľučky, pocítime „kopnutie“, ktoré je pocitovým prejavom elektrického výboja, v ktorom sa nazhromaždený elektrický náboj vybije uzemnením. Ak sa dotkneme kľučky v tme, výboj dokonca môžeme vidieť v podobe drobného „blesku“, ktorý preskočí medzi rukou a kľučkou skôr, ako sa jej dotkneme. To znamená, že statická elektrina sa prejavuje aj na diaľku.

Blesky

Blesky pozorované počas búrky na oblohe sú taktiež prejavom statickej elektriny. Tým, že sa oblaky (kondenzovaná voda v atmosfére) pohybujú pomocou prúdov vetra vzduchom, trú sa o okolitý vzduch a nabíjajú sa elektrickým nábojom. Keď je získaný elektrický náboj dostatočne veľký, preskočí na Zem v podobe blesku. Dostatočne citliví ľudia dokonca cítia vo vzduchu akési jemné chvenie, či šteklenie, ak je búrka neďaleko. Elektrické výboje v podobe blesku majú obrovské rozmery, čo je prejavom obrovského množstva nazhromaždenej elektrickej energie a taktiež prejavom toho, na akú obrovskú vzdialenosť pôsobí elektrický náboj.

Elektrina

Elektrina je spôsobená elektrónmi. Elektróny sú častice atómu, ktoré „krúžia“ na okrajoch atómov, z ktorých sú tvorené všetky materiály. Každý elektrón je nositeľom negatívneho náboja. Samotné atómy majú zvyčajne vyrovnaný počet kladných nábojov (v jadre atómu) a záporných nábojov (v obale atómu), prejavujú sa elektricky neutrálne, nemajú žiaden elektrický náboj. Látky, napríklad guma, z ktorej je vyrobený balón, sa skladajú z molekúl a tie z jednotlivých atómov. Keďže atómy nemajú elektrický náboj, ani molekuly, ktoré sú tvorené atómami ich nemajú, takže ani samotná látka, v našom prípade guma, z ktorej je vyrobený balón, nemá elektrický náboj.

Ako už bolo spomínané, všetky látky sú zložené z neutrálnych atómov. Rôzne látky sú zložené z rôznych molekúl, ktoré sú tvorené rôznymi, ale vždy neutrálnymi atómami. V molekulách rôznych látok sú elektróny jednotlivých atómov priťahované rôzne veľkou silou, čo závisí od toho, aké chemické väzby sa v jednotlivých molekulách medzi atómami nachádzajú. Pri trení dvoch látok o seba sa preto môže stať, že elektróny, ktoré sú slabšie viazané v jednej látke sa uvoľnia a prejdú do povrchu druhej látky, v ktorej sú elektróny priťahované silnejšie. Výsledkom je, že jeden materiál sa nabíja kladne (ten, ktorý elektróny stráca) a druhý záporne (ten, ktorý elektróny prijíma). Tým sa materiály zelektrizujú a vzniká statická elektrina.Dlhším trením materiálov o seba zvyšujeme počet atómov zapojených do tohto presunu elektrónov, zväčšujeme elektrické náboje oboch trených látok, a tým sa zväčšuje aj vytvorená statická elektrina.

Pri skúmaní je potrebné o uvedenom poradí premýšľať nie veľmi striktne, lebo samotné látky, ktoré sú v rade za sebou uvedené môžu obsahovať rôzne prímesi, ktoré spôsobia mierne iné správanie sa týchto látok pri vzájomnom trení. Napríklad papier a bavlna sa považujú za látky s viac-menej nulovou reakciou na získavanie elektrického náboja. To však neznamená, že sa nedajú zelektrizovať, najmä ak obsahujú rôzne prímesi alebo povrchové úpravy.

Využitie statickej elektriny

Aj napriek tomu, že statická elektrina sa nám v porovnaní s elektrickým prúdom zdá pomerne nevyužiteľná, človek ju využíva v rôznych zariadeniach. Na princípe statickej elektriny pracujú napríklad laserové tlačiarne a kopírky. Pomocou statickej elektriny sú prenášané čiastočky tonera z valca na papier. Rozprašovače herbicídov pracujú na princípe statickej elektriny, aby zabezpečili, že herbicídy sa dostanú na celý povrch listov rastlín, ktoré je potrebné zlikvidovať. Taktiež automatické farbiace a lakovacie roboty v závodoch na výrobu áut využívajú statickú elektrinu na to, aby sa kvapôčky farby a laku dostali len na karosériu áut a nie na ostatné zariadenia okolo. Statická elektrina sa často využíva v rôznych filtroch vzduchu na odstraňovanie drobných nečistôt zo vzduchu.

Na druhej strane, statická elektrina môže spôsobovať aj vážne problémy, napríklad pri práci s drobnými elektronickými komponentmi. Poznanie princípu vzniku a zániku statickej elektriny pomáha inžinierom navrhnúť antistatické riešenia na miestach, kde je prítomnosť statickej elektriny nežiaduca.

Elektrický prúd

Okrem statickej elektriny poznáme aj elektrinu v podobe elektrického prúdu. Keď sa v látke elektróny pohybujú z jedného miesta na druhé, hovoríme, že tečie elektrický prúd. Elektróny sú v tomto prípade nositeľmi elektrickej energie.

Statickú elektrinu a elektrický prúd je možné prirovnať k potenciálnej a kinetickej energii. Keď vzniká statická elektrina, má potenciál prejaviť sa v budúcnosti. Elektrina uskladnená v batérii predstavuje potenciálnu energiu. Energiu uloženú v batérii môžeme využiť napríklad na rozsvietenie žiarovky. Keď zapneme prenosné svietidlo (baterku), batéria vo vnútri poskytne elektrickú energiu žiarovke a tá ju premení na svetelnú energiu (to znamená, že energia z batérie sa spotrebúva – mení sa na svetlo). Kým je svietidlo (baterka) zapnuté, batéria poskytuje žiarovke energiu, a to až do momentu, kedy sa elektrická energia uložená v batérii neminie.

Elektrický obvod

Aby mohol vzniknúť elektrický prúd, musíme vytvoriť elektrický obvod. Elektrický obvod musí byť uzavretý, pričom v elektrických spotrebičoch ide o prepojenie zdroja energie (batéria) so spotrebičom (napríklad žiarovkou v prenosnom svietidle – baterke) pomocou vodivých káblov. Elektrický prúd tečie len vtedy, keď je obvod uzatvorený – kábel (vodič) spája batériu so žiarovkou a naspäť žiarovku s batériou. Uzavretie elektrického obvodu je potrebné zabezpečiť aj v rámci spotrebičov, napríklad žiarovky. Na obrázku žiarovky je vidieť, ako jeden vodič do žiarovky vstupuje (č. 8) a druhý z nej vystupuje (č. 11). Ak žiarovku pripojíme pomocou vodičov k zdroju energie (batérii) len prepojením kovového závitu (č. 9), do ktorého ústi len jedna časť obvodu (č. 8) v rámci žiarovky, tak elektrický obvod nebude uzavretý, lebo druhý koniec obvodu v rámci žiarovky (č. 11) zostane otvorený a žiarovka sa nerozsvieti.

Vodiče a izolanty

Materiály, ktoré vedú elektrický prúd sa nazývajú vodiče. Tie, ktoré elektrický prúd nevedú sa nazývajú elektrické izolanty.Najlepšími vodičmi elektrického prúdu sú kovy (zlato, striebro, meď, hliník, nikel, železo a pod.). Všetky kovy vedú elektrický prúd. Elektrický prúd vedie aj grafit (tuha do ceruzky), ľudské telo, slaná voda (ale aj iné vodné roztoky) a pod. Medzi elektrické izolanty (nevodiče) patrí napríklad guma, rôzne plasty, drevo, papier, vosk, sklo, porcelán a iné. Keďže elektrický prúd je prúd elektrónov, tento jav môžeme pozorovať len v materiáloch, ktorých štruktúra umožňuje voľný pohyb elektrónov. Preto sú kovy najlepšími vodičmi elektrického prúdu. Týmto materiálom hovoríme, že majú vysokú vodivosť. Látky sa teda rozdeľujú aj podľa toho, ako sú elektricky vodivé.

Elektromagnet

Elektrické a magnetické javy spolu súvisia. Napríklad sa s nimi stretávame pri využití tzv. elektromagnetov. Elektromagnet je oceľ, ktorej magnetickú vlastnosť môžeme zapnúť alebo vypnúť pomocou elektrického prúdu. Využívajú sa napríklad na vrakoviskách. Ak chceme vrak auta zdvihnúť, priblížime elektromagnet, zapneme elektrický prúd a elektromagnet vrak auta pritiahne. Prenesieme ho na žiadané miesto a keď elektrický prúd vypneme, stratí sa aj magnetická vlastnosť a elektromagnet sa od vraku oddelí. Elektromagnety fungujú na skutočnosti, že v okolí elektrických vodičov sa pri zapnutí alebo vypnutí elektrického prúdu vytvára magnetické pole. Je to možné pozorovať napríklad tak, že do blízkosti akéhokoľvek elektrického kábla umiestnime kompas a pri zapnutí alebo vypnutí elektrického prúdu v kábli sa ručička kompasu vychýli. Magnetické pole vzniká v dôsledku zmeny elektrického prúdu.Na tomto princípe pracujú aj elektrické motory. Elektrický motor je zariadenie, ktoré mení elektrickú energiu na mechanickú energiu.Elektrická energia roztáča motor a ten hýbe celým mechanizmom, na ktorý je motor napojený.

Elektrický motor

Elektrický motor je tvorený valcom, v ktorom sa nachádzajú na jeho okraji magnety. V strede valca sa nachádza oceľové jadro, ktoré je mnohonásobne obmotané elektrickým káblom (napríklad medeným drôtom). Keď do kábla pustíme elektrinu, oceľové jadro sa zmagnetizuje v dôsledku prítomnosti magnetického poľa, ktoré vzniklo pri pretekaní elektrického prúdu káblom. Magnety, ktoré sa nachádzajú na okraji valca spôsobujú striedavé priťahovanie a odpudzovanie elektromagnetu (oceľového jadra) v strede, čím roztáčajú oceľové jadro motora a tiež ďalšie súčasti zariadenia, ktoré sú na motor pripojené.

Dynamo

Keď vieme pomocou elektriny vytvoriť magnet, tak vieme aj pomocou magnetizmu vytvoriť elektrinu. Dynamo je zariadenie podobné elektrickému motoru. Keď točíme pedálmi na bicykli, dynamo, ktoré je pripnuté na osi kolesa sa tiež otáča. Vo vnútri dynama sa nachádza oceľové jadro, ktoré je, podobne ako v elektromagnete, obtočené mnohonásobne elektrickým káblom. Oceľové jadro sa pohybuje medzi magnetmi, čím vzniká elektrický prúd a ním si vieme napríklad rozsvietiť svetlo na bicykli. Na podobnom princípe funguje aj výroba elektrickej energie v elektrárňach, rozdiel je len v tom, akú energiu používame na roztáčanie oceľového jadra v dyname. Môže to byť napríklad vietor alebo voda, čo roztáča jadro elektrického generátora (dynama), ale tiež vodná para. V princípe tak takmer všetky elektrárne vyrábajú elektrickú energiu rovnakým spôsobom. Výnimkou sú solárne elektrárne. Keď svetlo dopadne na solárny článok, materiál, z ktorého je vyrobený (silikón) zachytí energiu svetla a premení ju priamo na elektrickú energiu. Keďže úniky energie sú v takýchto zariadeniach minimálne, solárne články sa považujú v porovnaní s elektrickými generátormi za vysoko efektívne.