Villamossági tények gyerekeknek

A villamosság 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 energia” jelentésben is használják. Ezek nem ugyanazok: az elektromosság az elektromos energia átviteli közege, ahogy a tengervíz a hullámenergia átviteli közege. Egy olyan tárgyat, amely lehetővé teszi, hogy az elektromosság áthaladjon rajta, vezetőnek nevezünk. A rézhuzalok és más fémtárgyak jó vezetők, lehetővé teszik, hogy az elektromosság áthaladjon rajtuk és továbbítsa 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 úton (például villámcsapás), vagy emberek által (például egy generátorban). Gépek és elektromos eszközök meghajtására használható. 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 legismertebb – és legveszélyesebb – fajta elektromos áram a természetben, de néha a természetben a statikus elektromosság is okozza a dolgok összetapadását.

A villamosság veszélyes lehet, különösen a víz közelében, mert a víz egyfajta jó vezető, mivel olyan szennyeződéseket tartalmaz, mint a só. A só segítheti az elektromosság áramlását. A tizenkilencedik század óta az elektromosságot életünk minden területén használjuk. Addig csak a zivatarok villámaiban látható érdekesség volt.

Elektromos energia keletkezhet, ha egy mágnes közel halad egy fémhuzalhoz. 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. Az elektromos energia a nap energiájával is előállítható, mint a fotovoltaikus cellákban.

Az elektromos energia vezetéken keresztül érkezik az otthonokba azokról a helyekről, ahol keletkezik. Ezt használják fel az elektromos lámpák, elektromos fűtőtestek stb. Sok készülék, például a mosógépek és az elektromos tűzhelyek is használnak villamos energiát. A gyárakban az elektromos energia hajtja a gépeket. Azokat az embereket, akik otthonainkban és a gyárakban az elektromossággal és az elektromos készülékekkel foglalkoznak, “villanyszerelőknek” nevezzük.

Hogyan működik

Az elektromos töltéseknek két típusa van, amelyek egymásra nyomják és húzzák egymást: 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. Egy 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.

A mágneshez hasonlóan működik, 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 negatívot egymás közelébe teszünk, és elengedjük őket, akkor eltávolodnak egymástól. Ugyanez igaz két pozitív töltésre is. Ha azonban egy pozitív és egy negatív töltést közel tennél egymáshoz, akkor egymás felé húzódnának. Ezt röviden úgy lehet megjegyezni, hogy az ellentétek vonzzák, szeretik taszítani.

A világegyetem összes anyaga pozitív, negatív vagy semleges töltéssel rendelkező apró részecskékből áll. A pozitív töltéseket protonoknak, a negatív töltéseket pedig elektronoknak nevezzük. 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 hányan vannak.

Mert 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. Szigetelőre példa 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.

A vezetők belsejében az elektronok ugrálnak, de nem sokáig tartanak egy irányban. Ha a vezető belsejében elektromos mezőt hozunk létre, az elektronok mind elkezdenek a mező irányával ellentétes irányba mozogni (mivel az elektronok negatív töltésűek). Egy akkumulátor elektromos mezőt hozhat létre a vezető belsejében. Ha egy vezetékdarab mindkét végét egy akkumulátor két végéhez csatlakoztatjuk (ezeket nevezzük elektródáknak), a kialakult hurkot elektromos áramkörnek nevezzük. Az elektronok körbe-körbe fognak áramlani az áramkörben mindaddig, amíg az akkumulátor elektromos mezőt hoz létre a vezeték belsejében. Az elektronoknak ezt az áramkör körüli áramlását nevezzük elektromos áramnak.

Az elektromos áram vezetésére használt vezető drótot gyakran szigetelőanyagba, például gumiba csomagolják. Ennek az az 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 lenni az elektromos aljzatok és a csupasz vezetékek közelében, amelyek áramot vezethetnek.

Egy elektromos eszközt úgy lehet csatlakoztatni egy áramkörhöz, hogy az elektromos áram átfolyjon az eszközön. Ez az áram elektromos energiát továbbít, hogy az eszköz megtegyen valamit, amit szeretnénk, hogy megtegyen. Az elektromos eszközök nagyon egyszerűek lehetnek. Például egy villanykörtében az áram energiát szállít egy speciális vezetéken, az úgynevezett izzószálon keresztül, amely izzóvá teszi azt. 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 telefonok, számítógépek és televíziók működtetésére is használják.

Itt van néhány kifejezés, amellyel az ember találkozhat, amikor az elektromosság működését tanulmányozza. 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. Amikor 1 coulombnyi elektromosság 1 másodperc alatt halad el valahol, az áram 1 amper. Az áram egy ponton történő mérésére ampermérőt használunk.

• A feszültség, más néven “potenciálkülönbség” az áram mögötti “lökés”. Ez az egy elektromos töltésre jutó munka mennyisége, amelyet egy elektromos forrás képes elvégezni. Ha 1 coulombnyi elektromosság 1 joule energiával rendelkezik, akkor 1 volt elektromos potenciállal rendelkezik. Két pont közötti feszültség méréséhez feszültségmérőt használunk.

• Az ellenállás egy anyag azon képessége, hogy “lelassítja” az áram folyását, azaz csökkenti azt a sebességet, amellyel a töltés átfolyik az anyagon. Ha 1 volt elektromos feszültség 1 amper áramot tart fenn egy vezetéken keresztül, akkor a vezeték ellenállása 1 ohm – ezt nevezzük Ohm törvényének. Amikor az áram áramlásával szemben állunk, az energia “elhasználódik”, ami azt jelenti, hogy más formává alakul át (például fény, hő, hang vagy mozgás)

• 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 volt-amperben mérik, vagy ha tárolják (mint az elektromos vagy mágneses mezőkben), akkor volt-amper reaktívban mérik.

Elektromos energia előállítása

A villamos energiát többnyire erőműveknek nevezett helyeken állítják elő. A legtöbb erőmű hővel vizet forral gőzzé, ami egy gőzgépet forgat. A gőzgép turbinája egy “generátornak” nevezett gépet forgat. 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.

Elektromos energia előállítására számos hőforrás használható. A hőforrások két típusba sorolhatók: megújuló energiaforrások, amelyekben a hőenergia-készlet soha nem fogy el, és nem megújuló energiaforrások, amelyekben a készlet előbb-utóbb elfogy.

Néha egy természetes áramlás, például a szélenergia vagy a vízenergia közvetlenül felhasználható egy generátor forgatására, így nincs szükség hőre.

Képek gyerekeknek

• 

  Thales, az elektromosság legkorábbi ismert kutatója

• 

  Benjamin Franklin a 18. században kiterjedt kutatásokat végzett az elektromossággal kapcsolatban, amint azt Joseph Priestley (1767) History and Present Status of Electricity című műve dokumentálja, akivel Franklin kiterjedt levelezést folytatott.

• 

  Michael Faraday felfedezései képezték az elektromotoros technológia alapjait

• 

  Az aranymotoros töltés.levélelektroszkóp hatására a levelek láthatóan taszítják egymást

• 

  Egy elektromos ív energikusan demonstrálja az elektromos áramot

  .

• 

  Egy pozitív töltésből kiinduló mezővonalak egy sík vezető felett

• 

  Egy pár AA elem. A + jel az akkumulátorok pólusai közötti potenciálkülönbség polaritását jelzi.

• 

  Mágneses tér kering egy áram körül

• 

  A villanymotor az elektromágnesesség egyik fontos hatását használja ki: A mágneses mezőn áthaladó áram a mezőre és az áramra is merőlegesen ható erőt tapasztal

• 

  Alessandro Volta olasz fizikus a 19. század elején megmutatta “akkumulátorát” Bonaparte Napóleon francia császárnak.

• 

  Egy alapvető elektromos áramkör. A bal oldali V feszültségforrás I áramot vezet az áramkörben, elektromos energiát juttatva az ellenállásba R. Az ellenállásból az áram visszatér a forráshoz, így az áramkör bezárul.

• 

  Felületre szerelt elektronikus alkatrészek

• 

  Budapesten készült 20. század eleji generátor, Magyarországon, egy vízerőmű áramfejlesztő csarnokában (Prokudin-Gorsky fotója, 1905-1915).

• 

  A szélenergia sok országban egyre nagyobb jelentőséggel bír

• 

  A villamos angolna, Electrophorus electricus