Ηλεκτρισμός

Ο ηλεκτρισμός είναι μια από τις σπουδαιότερες ανακαλύψεις του ανθρώπου. Ίσως τόσο σημαντική όσο και η ανακάλυψη της φωτιάς. Οι χρήσεις του ηλεκτρισμού είναι αμέτρητες, οι κύριες μορφές όμως στην καθημερινότητά μας μόνο δύο^[1]. Ο ηλεκτρισμός από τις μπαταρίες και ο ηλεκτρισμός από το δίκτυο ηλεκτροδότησης. Συνηθίζουμε να αποκαλούμε ρεύμα την ηλεκτρική τροφοδοσία μιας συσκευής. Τι είναι όμως ρεύμα; Πριν δώσουμε μια οποιαδήποτε απάντηση θα κάνουμε μια μικρή εισαγωγή στη δομή της ύλης.

Όλα όσα βλέπουμε γύρω μας, έμβια όντα ή άβια υλικά αποτελούνται από 98 διαφορετικά χημικά στοιχεία^[2]. Μερικά από αυτά συναντώνται πολύ συχνά, ενώ κάποια σπανίζουν. Η μικρότερη ποσότητα που μπορεί να υπάρξει για κάποιο χημικό στοιχείο είναι το άτομο. Κάθε στοιχείο έχει το δικό του άτομο, διαφορετικό από όλα τα υπόλοιπα άτομα των άλλων στοιχείων. Η διαφορετικότητα είναι στην δομή (κατασκευή) του ατόμου. Τα άτομα αποτελούνται από πιο μικρά «σωματίδια», τα νετρόνια, τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια. Τα πρωτόνια (p⁺) και τα νετρόνια (n⁰) έχουν σχεδόν ίδια μάζα και είναι συγκεντρωμένα μαζί στο κέντρο του ατόμου σχηματίζοντας τον πυρήνα του. Τα ηλεκτρόνια (e^-), που είναι περίπου 2000 φορές μικρότερα, βρίσκονται γύρω από τον πυρήνα σε διαρκή κίνηση, όπου το καθένα έχει τη δική του ταυτότητα (κβαντικοί αριθμοί) και τη δική του περιοχή (τροχιακά) που μπορεί να βρεθεί^[3]. Ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων και είναι το χαρακτηριστικό του ατόμου που καθορίζει το στοιχείο. Ο αριθμός των νετρονίων μπορεί να είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων ή μεγαλύτερος. Ένα από τα χαρακτηριστικά των σωματιδίων αυτών είναι το ηλεκτρικό τους φορτίο. Τα πρωτόνια έχουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο (+) ενώ τα ηλεκτρόνια αρνητικό (-) και επειδή είναι ίσα σε αριθμό, το άτομο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο σε κανονική κατάσταση^[4]. Τα νετρόνια δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο. Τα άτομα έχουν την ιδιότητα να ενώνονται με άτομα του ίδιου χημικού στοιχείου ή άλλων στοιχείων και να σχηματίζουν χημικές ενώσεις.

Μετά λοιπόν από αυτήν τη σύντομη αναφορά στη δομή της ύλης μπορούμε να πούμε ότι ρεύμα είναι η ροή ηλεκτρονίων^[5] μέσα σε ένα σώμα. Αναφέραμε παραπάνω ότι ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων και το άτομο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. Σε μερικά χημικά στοιχεία όμως τα άτομα έχουν τέτοια δομή ώστε κάποιο ή κάποια ηλεκτρόνια να είναι δυνατό να φύγουν από αυτά. Το άτομο τότε που χάνει ηλεκτρόνια θα αποκτήσει θετικό φορτίο. Κάποια άλλα ηλεκτρόνια που έχουν φύγει από κάποιο άλλο γειτονικό άτομο θα πάρουν τη θέση τους, ώστε να γίνει πάλι ουδέτερο το άτομο, και αυτό συμβαίνει συνεχώς για όλα τα άτομα του σώματος. Έτσι έχουμε μια διαρκή κίνηση ηλεκτρονίων από άτομο σε άτομο προς τυχαίες κατευθύνσεις, σα να υπάρχει δηλαδή ένα νέφος ηλεκτρονίων «κοινόχρηστο» για τα άτομα μέσα στο σώμα που αποτελείται από αυτά. Αυτή η κίνηση δεν μπορεί να θεωρηθεί ως ροή ηλεκτρονίων (ροή ρεύματος) γιατί είναι προς τυχαίες κατευθύνσεις. Τα σώματα αυτά όμως ευνοούν τη ροή ρεύματος και ονομάζονται αγωγοί.

Αν το σώμα αυτό, ο αγωγός, είναι ένα σύρμα και μπορούσαμε να κάνουμε τα ηλεκτρόνια να κινούνται προς μια κατεύθυνση, τότε θα είχαμε ροή ρεύματος. Αυτό μπορεί να γίνει αν η μία άκρη έχει πολλά περισσευούμενα ηλεκτρόνια και η άλλη έχει μεγάλη έλλειψη. Τότε η άκρη με τα περισσευούμενα θα εμφάνιζε αρνητικό φορτίο (δυναμικό), ενώ η άκρη με την έλλειψη θετικό και έτσι τα ηλεκτρόνια του αγωγού θα έλκονταν από αυτήν ενώ θα απωθούνταν από την πρώτη. Θα λέγαμε τότε ότι στον αγωγό υπάρχει ένα ηλεκτρικό πεδίο που αναγκάζει τα ηλεκτρόνια του αγωγού να κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση (από την μεριά του αρνητικού δυναμικού προς τη μεριά του θετικού). Η συσκευή που μπορεί να λειτουργήσει με αυτόν τον τρόπο ονομάζεται ηλεκτρικό στοιχείο (η γνωστή μας μπαταρία). Αρκεί να συνδέσουμε τη μια άκρη του αγωγού στον θετικό πόλο της μπαταρίας και την άλλη στον αρνητικό. Τα ηλεκτρόνια τότε του αγωγού θα αρχίσουν να κινούνται προς τον θετικό πόλο^[6].

Το πρώτο ηλεκτρικό στοιχείο κατασκευάστηκε από τον Αλεσάντρο Βόλτα και αποτελούνταν από δύο μεταλλικές πλάκες, η μία χαλκού η άλλη ψευδαργύρου, μέσα σε ένα δοχείο με νερό και ηλεκτρολύτη (θειικό οξύ). Ο ψευδάργυρος, επειδή είναι πιο δραστικό μέταλλο από τον χαλκό, αρχίζει να αντιδράει με τον ηλεκτρολύτη και παράγονται έτσι αρνητικά φορτία (ηλεκτρόνια) και θετικά φορτία (ιόντα). Τα ηλεκτρόνια παραμένουν στην πλάκα του ψευδαργύρου δίνοντάς της αρνητικό φορτίο, ενώ τα θετικά ιόντα πηγαίνουν στην πλάκα του χαλκού δίνοντάς της θετικό φορτίο. Έτσι δημιουργούνται οι δύο αντίθετοι πόλοι όπου αν τους συνδέσουμε εξωτερικά με έναν αγωγό θα έχουμε ροή ρεύματος.

Όσο περισσότερα φορτία συγκεντρώνονται στις πλάκες (πόλους) τόσο μεγαλύτερα είναι τα δυναμικά σε αυτές και επειδή είναι αντίθετα λέμε ότι έχουμε διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους πόλους. Τη διαφορά δυναμικού τη μετράμε σε Volt (V) και είναι η γνωστή μας τάση της μπαταρίας. Όσο μεγαλύτερη είναι η τάση τόσο περισσότερο ρεύμα θα κινείται μέσα στον αγωγό. Η ποσότητα του ρεύματος^[7] ονομάζεται ένταση του ρεύματος, τη μετράμε σε Ampere (A) και είναι το γνωστό μας ρεύμα.

Δεν ευνοούν όλα τα σώματα τη ροή ρεύματος από μέσα τους γιατί δεν έχουν το χαρακτηριστικό να δημιουργούνται ελεύθερα ηλεκτρόνια σε αυτά. Τα ηλεκτρόνια των ατόμων τους είναι ισχυρά συνδεδεμένα στον πυρήνα και τα σώματα ονομάζονται μονωτές. Την ιδιότητά τους αυτή εκμεταλλευόμαστε και κατασκευάζουμε υλικά για να απομονώσουμε τους αγωγούς μεταξύ τους και από το περιβάλλον. Ως μονωτές συμπεριφέρονται κυρίως τα αμέταλλα χημικά στοιχεία ενώ ως αγωγοί τα μέταλλα. Ακόμα υπάρχουν κάποια χημικά στοιχεία που άλλοτε επιτρέπουν τη ροή ρεύματος και άλλοτε όχι και ονομάζονται ημιαγωγοί.

Οι αγωγοί μπορεί να ευνοούν τη ροή ρεύματος από μέσα τους, αλλά όχι όλοι με την ίδια ευκολία. Ανάλογα με τα χημικά στοιχεία που έχουν κατασκευαστεί και τον τρόπο κατασκευής τους επιτρέπουν εύκολα ή παρουσιάζουν κάποια δυσκολία στη ροή του ρεύματος. Η δυσκολία που παρουσιάζουν στη ροή ρεύματος ονομάζεται αντίσταση και τη μετράμε σε Ohm (Ω). Αν διατηρήσουμε την τάση σταθερή, όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση τόσο λιγότερο είναι το ρεύμα που μπορεί να περάσει. Αν τώρα λάβουμε υπόψη τη σχέση του ρεύματος με την τάση που αναφέραμε παραπάνω, μπορούμε να συνδέσουμε τα τρία αυτά μεγέθη σε μια γενικότερη σχέση όπου η τάση ισούται με το γινόμενο της έντασης του ρεύματος επί την αντίσταση.

[1] Ο στατικός ηλεκτρισμός (στατικά φορτία σε αυτοκίνητα, ρούχα, κεραυνοί) είναι επίσης μια μορφή που μπορεί να ενταχθεί στην καθημερινή εμπειρία μας και θα γίνει ειδική αναφορά σε άλλη ενότητα.

[2] 118 στοιχεία είναι καταγεγραμμένα στον περιοδικό πίνακα στοιχείων εκ των οποίων τα 98 υπάρχουν στη φύση, 16 έχουν κατασκευαστεί στο εργαστήριο και έχουν επιβεβαιωθεί, ενώ 4 αναμένουν επιβεβαίωση.

[3] Σε επόμενη ενότητα θα κάνουμε λεπτομερέστερη ανάλυση για τη δομή του ατόμου.

[4] Δεν είναι δυνατόν κάποιο ηλεκτρόνιο να πέσει πάνω στο πρωτόνιο και να αλληλοεξουδετερωθούν. Θα αιτιολογηθεί στην ενότητα της δομής του ατόμου.

[5] Γενικότερα κίνηση φορτίων και όχι μόνο ηλεκτρονίων, αλλά θα μείνουμε στα ηλεκτρόνια για την ώρα.

[6] Η ανακάλυψη του ηλεκτρισμού έγινε πριν την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου. Εσφαλμένα τότε θεώρησαν ότι το ηλεκτρικό ρεύμα κινούνταν από το θετικό δυναμικό προς το αρνητικό. Παρέμεινε ωστόσο ακόμα και σήμερα να θεωρούμε αυτή ως συμβατική φορά του ηλεκτρικού ρεύματος και τη φορά της ροής των ηλεκτρονίων ως πραγματική.

[7] Η ποσότητα του ρεύματος που περνάει από μια διατομή του αγωγού στη μονάδα του χρόνου.