Kas ir elektrība — definīcija, strāva, vadītāji un pielietojumi
Kas ir elektrība
Elektrība ir elektriskā lādiņa klātbūtne un plūsma. Tā rodas, jo atomos un materiālos ir pozitīvie un negatīvie lādiņi — galvenokārt protoni un elektroni. Kad elektroni pārvietojas, tie pārnes enerģiju no viena vietas uz citu. Šī plūsma parasti notiek caur vadītājiem, piemēram, vara vadiem, un tā ļauj darbināt ierīces, apgaismot telpas, darbināt rūpniecības iekārtas un vēl daudz ko citu. Elektrību bieži apraksta arī ar jēdzienu spriegums (potenciāla atšķirība) — tieši sprieguma starpība liek lādiņiem kustēties.
Vadītāji, izolatori un pusvadītāji
Priekšmetu, pa kuru var pārvietoties elektrība, sauc par vadītāju. Vara vadi un citi metāla izstrādājumi ir labi vadītāji, jo tajos ir daudz brīvu elektronu, kas viegli pārvietojas. Vara un citi metāli tiek plaši izmantoti elektriskajos kabeļos un savienojumos. Plastmasa ir slikts vadītājs (to sauc arī par izolatoru), un tā neļauj elektrībai caur to pārvietoties, tāpēc tā aptur elektriskās enerģijas pārvadi. Citas labi zināmas izolatoru piemēri ir gumija, stikls un sausais koks. Ir arī materiāli, ko sauc par pusvadītājiem (piem., silīcijs), kuri ved elektrību daļēji un kuru vadītspējas īpašības var mainīt, tāpēc tos izmanto elektroniskajās ierīcēs.
Statiskā elektrība un elektriskā strāva
Elektriskās enerģijas pārvade var notikt dabiski (piemēram, zibens) vai to var radīt tehniskās ierīcēs (piemēram, ģeneratoros). Ja elektriskie lādiņi nepārvietojas, to sauc par statisko elektrību. Tas redzams, piemēram, kad berzes rezultātā viens materiāls iegūst papildu lādiņu un pievelk vai atgrūž citus objektus. Kad lādiņi kustas cauri vadītājam, tie veido elektrisko strāvu — to reizēm sauc par "dinamisko elektrību". Vispazīstamākais — un bīstamākais — elektriskās strāvas veids dabā ir zibens, taču statiskā elektrība var izraisīt arī mazākas parādības, piemēram, drēbju salipšanu pēc žāvēšanas.
Kā tiek radīta elektrība
Elektrisko enerģiju var ražot dažādos veidos. Ja magnēts pietuvojas metāla vadam vai, ja vadītājs pārvietojas magnētiskā laukā, var rasties elektriskā strāva — šo metodi izmanto ģenerators. Lielākie ģeneratori strādā spēkstacijās, kur mehāniskā enerģija (piemēram, tvaika, ūdens vai vēja radīta) tiek pārvērsta elektrībā. Elektrisko enerģiju var arī iegūt, kombinējot ķīmiskās vielas izolētā traukā ar diviem dažādiem metāla stieņiem — šo metodi izmanto baterijā, kas dod līdzstrāvu (DC). Statisko elektrību var radīt berzes rezultātā starp diviem materiāliem — piemēram, vilnas cepurīti un plastmasas lineālu — un tā var radīt dzirksteli. Elektrisko enerģiju var radīt arī, izmantojot saules enerģiju, piemēram, fotogalvaniskajos elementos (saules paneļos), kā arī no ģeneratoriem, kas darbojas ar vēju, ūdens vai kodolenerģiju. Ir arī modernas enerģijas krāšanas tehnoloģijas — akumulatori, superkondensatori un citur — kas ļauj uzglabāt saražoto enerģiju.
Maiņstrāva un līdzstrāva
Elektrība var plūst kā līdzstrāva (DC) — kur lādiņu kustība notiek vienā virzienā (piemēram, baterijās) — vai kā maiņstrāva (AC), kur virziens un lielums regulāri mainās (parasti 50 vai 60 reizes sekundē atkarībā no reģiona). Maiņstrāva ir ērta enerģijas pārvadei uz attālumiem, tāpēc to izmanto elektrotīklos. Daudzas ierīces mājās izmanto maiņstrāvu, bet elektroniskām ierīcēm bieži nepieciešama līdzstrāva, tāpēc izmanto barošanas blokus vai adapterus, kas pārveido AC uz DC.
Elektrības izmantošana un sadale
Elektriskā enerģija pa vadiem nonāk mājās no vietām, kur tā tiek ražota. To izmanto elektriskās lampas, elektriskie sildītāji utt. Elektrību izmanto daudzas ierīces, piemēram, veļas mazgājamās mašīnas un elektriskās plītis. Rūpnīcās ar elektroenerģiju tiek darbinātas iekārtas. Cilvēkus, kas nodarbojas ar elektrību un elektriskajām ierīcēm mūsu mājās un rūpnīcās, sauc par elektriķiem. Mūsdienās elektrību izmanto arī elektronikai, sakariem, transportam (piem., elektriskajām automašīnām un vilcieniem) un informācijas tehnoloģijām.
Drošība un pārvaldība
Elektrība var būt bīstama. Ūdens ir labs elektrības vadītājs, jo tajā ir tādi piemaisījumi kā sāls, tāpēc strāvas risks pieaug, ja apkārt ir mitrums vai ūdens. Pat neliela strāva var būt bīstama, ja tā plūst caur cilvēka sirdi. Lai samazinātu risku, izmanto izolāciju, drošinātājus, automātiskos līniju slēdžus (circuit breakers), aizsargierīces pret noplūdēm (RCD/ELCB) un pareizu zemējumu. Strādājot pie elektroinstalācijām, jāievēro drošības noteikumi un, ja nepieciešams, jākonsultējas ar kvalificētu elektriķi.
Mērīšanas vienības un pamati
Elektrību un ar to saistītos lielumus mēra ar dažādām vienībām: strāvas stiprums — ampēros (A), spriegums — voltos (V), pretestība — omos (Ω), jauda — vatos (W). Ļoti vienkāršs sakars: ja spriegums palielinās vai pretestība samazinās, no vadītāja caur ierīci plūst vairāk strāvas (īsumā pēc Oma likuma I = V/R). Sapratne par šiem lielumiem palīdz droši un efektīvi projektēt elektriskās ķēdes un izvēlēties pareizas ierīces.
Kopsavilkums
Elektrība ir enerģijas pārnese, kas balstīta uz elektriskā lādiņa klātbūtni un kustību. Tā var tikt radīta dažādos veidos — mehāniski, ķīmiski, fotovoltaiski — un tiek izmantota gandrīz visās mūsdienu dzīves jomās. Lai izmantotu elektrību droši un efektīvi, svarīgi ir zināt par vadītājiem un izolatoriem, saprast atšķirību starp statisko elektrību un strāvu, kā arī ievērot drošības prasības.
Kā tas darbojas
Pastāv divu veidu elektriskie lādiņi, kas viens otru spiež un velk: pozitīvie lādiņi un negatīvie lādiņi. Elektriskie lādiņi viens otru spiež vai velk, ja tie nesaskaras. Tas ir iespējams, jo katrs lādiņš ap sevi rada elektrisko lauku. Elektriskais lauks ir laukums, kas ieskauj lādiņu. Katrā punktā pie lādiņa elektriskais lauks ir vērsts noteiktā virzienā. Ja šajā punktā novietos pozitīvu lādiņu, tas tiks virzīts šajā virzienā. Ja šajā punktā novietos negatīvu lādiņu, tas tiks virzīts tieši pretējā virzienā.
Tas darbojas līdzīgi kā magnēts, un patiesībā elektrība rada magnētisko lauku, kurā līdzīgi lādiņi viens otru atgrūž un pretēji lādiņi pievelkas. Tas nozīmē, ka, novietojot divus negatīvos lādiņus tuvu viens otram un tos palaižot, tie attālināsies viens no otra. Tas pats attiecas uz diviem pozitīviem lādiņiem. Bet, ja tuvu viens otram novietotu pozitīvu un negatīvu lādiņu, tie vilktu viens pie otra. Īss veids, kā to atcerēties, ir frāze "pretnostatījumi piesaista patīk atbaidīt".
Visa matērija Visumā sastāv no sīkām daļiņām ar pozitīvu, negatīvu vai neitrālu lādiņu. Pozitīvos lādiņus sauc par protoniem, bet negatīvos - par elektroniem. Protoni ir daudz smagāki par elektroniem, taču tiem abiem ir vienāds elektriskais lādiņš, tikai protoniem ir pozitīvs, bet elektroniem - negatīvs. Tā kā "pretstati pievelkas", protoni un elektroni turas kopā. Daži prototi un elektroni var veidot lielākas daļiņas, ko sauc par atomiem un molekulām. Atomi un molekulas joprojām ir ļoti sīkas. Tās ir pārāk mazas, lai tās saskatītu. Jebkurā lielā objektā, piemēram, tavā pirkstā, ir vairāk atomu un molekulu, nekā kāds var saskaitīt. Mēs varam tikai aplēst, cik daudz to ir.
Tā kā negatīvie elektroni un pozitīvie protoni salipst kopā, veidojot lielus objektus, visi lielie objekti, kurus mēs varam redzēt un sajust, ir elektriski neitrāli. Elektriski ir vārds, kas nozīmē "apraksta elektrību", un neitrāls ir vārds, kas nozīmē "līdzsvarots". Tāpēc mēs no attāluma nejūtam, kā objekti mūs spiež un velk, kā tas būtu, ja viss būtu elektriski lādēts. Visi lielie objekti ir elektriski neitrāli, jo pasaulē ir vienāds pozitīvā un negatīvā lādiņa daudzums. Varētu teikt, ka pasaule ir precīzi līdzsvarota jeb neitrāla. Zinātnieki joprojām nezina, kāpēc tas tā ir.
Elektriskā strāva
Elektroni var pārvietoties pa visu materiālu. Protoni nekad nepārvietosies pa cietiem objektiem, jo tie ir ļoti smagi, vismaz salīdzinājumā ar elektroniem. Materiālu, kas ļauj elektroniem pārvietoties, sauc par vadītāju. Materiālu, kas katru elektronu tur cieši savā vietā, sauc par izolatoru. Vadītāju piemēri ir varš, alumīnijs, sudrabs un zelts. Izolatoru piemēri ir gumija, plastmasa un koks. Varš tiek ļoti bieži izmantots kā vadītspējīgs materiāls, jo tas ir ļoti labs vadītspējīgs materiāls un pasaulē tā ir ļoti daudz. Varš ir atrodams elektrības vados. Taču dažkārt tiek izmantoti arī citi materiāli.
Vadītājā elektroni lēkā apkārt, bet tie ilgi neskrien vienā virzienā. Ja vadītājā tiek izveidots elektriskais lauks, visi elektroni sāk kustēties virzienā, kas ir pretējs virzienam, uz kuru vērsts lauks (jo elektroni ir negatīvi lādēti). Elektrisku lauku vadītājā var radīt baterija. Ja abus vada gabala galus savieno ar abiem baterijas galiem (tos sauc par elektrodiem), tad izveidoto cilpu sauc par elektrisko ķēdi. Elektroni plūst apkārt un apkārt kontūram, kamēr vien baterija vadā rada elektrisko lauku. Šo elektronu plūsmu pa ķēdi sauc par elektrisko strāvu.
Elektriskās strāvas vads, ko izmanto elektriskās strāvas pārvadei, bieži ir ietīts izolatorā, piemēram, gumijā. Tas ir tāpēc, ka vadi, pa kuriem plūst strāva, ir ļoti bīstami. Ja cilvēks vai dzīvnieks pieskartos necaurlaidīgam vadam, pa kuru plūst strāva, viņš varētu savainoties vai pat iet bojā atkarībā no tā, cik spēcīga ir strāva un cik daudz elektriskās enerģijas strāva pārvada. Jums jābūt uzmanīgiem elektrisko rozešu un vaļēju vadu tuvumā, pa kuriem var plūst strāva.
Elektrisko ierīci ir iespējams pieslēgt ķēdei tā, lai caur ierīci plūstu elektriskā strāva. Šī strāva pārnesīs elektrisko enerģiju, lai ierīce veiktu kādu darbību, ko mēs vēlamies, lai tā veiktu. Elektriskās ierīces var būt ļoti vienkāršas. Piemēram, spuldzītē strāva pārvada enerģiju caur īpašu vadu, ko sauc par kvēldiegu, kas liek spuldzei spīdēt. Elektriskās ierīces var būt arī ļoti sarežģītas. Elektrisko enerģiju var izmantot, lai darbinātu elektromotoru, kas atrodas instrumentā, piemēram, urbjmašīnā vai zīmuļu asināmajā mašīnā. Elektrisko enerģiju izmanto arī moderno elektronisko ierīču, tostarp telefonu, datoru un televizoru, darbināšanai.
Daži ar elektrību saistīti termini
Šeit ir daži termini, ar kuriem var sastapties, pētot, kā darbojas elektrība. Pētījumu par elektrību un to, kā tā padara iespējamas elektriskās ķēdes, sauc par elektroniku. Pastāv inženierzinātņu joma, ko sauc par elektrotehniku un kurā cilvēki izgudro jaunas lietas, izmantojot elektrību. Visus šos terminus ir svarīgi zināt.
- Strāva ir elektriskā lādiņa daudzums, kas plūst. Ja 1 kulons elektrības 1 sekundē kaut kur izplūst, strāva ir 1 ampērs. Lai izmērītu strāvu vienā punktā, mēs izmantojam ampērmetru.
- Spriegums, ko sauc arī par "potenciālu starpību", ir strāvas "grūdiens". Tas ir darba apjoms, ko var paveikt elektriskais avots ar vienu elektrisko lādiņu. Ja 1 kulonam elektriskā lādiņa ir 1 džouls enerģijas, tam būs 1 volts elektriskā potenciāla. Lai izmērītu spriegumu starp diviem punktiem, mēs izmantojam voltmetru.
- Pretestība ir vielas spēja "palēnināt" strāvas plūsmu, tas ir, samazināt lādiņa plūsmas ātrumu caur vielu. Ja 1 volta elektriskais spriegums caur vadu uztur 1 ampēra strāvu, tad vada pretestība ir 1 ohms - to sauc par Oma likumu. Ja strāvas plūsmai ir pretestība, enerģija tiek "izlietota", kas nozīmē, ka tā tiek pārvērsta citos veidos (piemēram, gaismā, siltumā, skaņā vai kustībā).
- Elektroenerģija ir spēja veikt darbu, izmantojot elektriskās ierīces. Elektriskā enerģija ir "saglabājama" īpašība, kas nozīmē, ka tā uzvedas kā viela un to var pārvietot no vietas uz vietu (piemēram, pa pārvades līdzekli vai akumulatorā). Elektroenerģiju mēra džoulos vai kilovatstundās (kWh).
- Elektriskā jauda ir ātrums, ar kādu tiek izmantota, uzglabāta vai pārnesta elektroenerģija. Elektriskās enerģijas plūsmu pa elektrolīnijām mēra vatos. Ja elektroenerģija tiek pārvērsta citā enerģijas veidā, to mēra vatos. Ja daļa no tās tiek pārvērsta un daļa uzkrāta, to mēra voltampēros, vai arī, ja tā tiek uzkrāta (piemēram, elektriskā vai magnētiskā laukā), to mēra reaktīvajos voltampēros.
Elektrība tiek sūtīta pa vadiem.
Elektriskās ķēdes rasējums: strāva (I) plūst no + pa ķēdi atpakaļ uz -.
Elektroenerģijas ražošana
Elektroenerģija galvenokārt tiek ražota vietās, ko sauc par elektrostacijām. Lielākajā daļā spēkstaciju izmanto siltumu, lai ūdeni pārvērstu tvaikā, kas griež tvaika dzinēju. Tvaika dzinēja turbīna griež mašīnu, ko sauc par "ģeneratoru". Ģeneratora iekšpusē vīti vadi griežas magnētiskajā laukā. Tas izraisa elektrības plūsmu caur vadiem, pārnesot elektroenerģiju. Šo procesu sauc par elektromagnētisko indukciju. Maikls Faradejs atklāja, kā to izdarīt.
Ir daudz siltuma avotu, ko var izmantot elektroenerģijas ražošanai. Siltuma avotus var iedalīt divos veidos: atjaunojamie energoresursi, kuros siltumenerģijas krājumi nekad neizsīkst, un neatjaunojamie energoresursi, kuros krājumi ar laiku izsīkst.
Dažkārt dabisko plūsmu, piemēram, vēja vai ūdens enerģiju, var izmantot tieši ģeneratora griešanai, tāpēc siltums nav nepieciešams.
Elektroenerģija tiek ražota elektrostacijās.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir elektrība?
A: Elektrība ir elektriskās strāvas klātbūtne un plūsma. To izmanto enerģijas pārvadei tādos veidos, kas ļauj mums veikt vienkāršus darbus.
J: Kas ir vadi?
A: Vadītāji ir tādi priekšmeti, pa kuriem var pārvietoties elektrība, piemēram, vara vadi un citi metāla priekšmeti. Tie ļauj elektrībai caur tiem pārvietoties un pārraidīt elektrisko enerģiju.
J: Kā var iegūt elektroenerģiju?
A: Elektrisko enerģiju var radīt dabiski (piemēram, zibens) vai cilvēki (piemēram, ģeneratorā).
J: Kas ir statiskā elektrība?
A: Statiskā elektrība rodas tad, kad elektriskie lādiņi nav kustībā; dabā tā var izraisīt lietu salipšanu.
J: Kā darbojas ģenerators?
A: Ģenerators darbojas, izmantojot magnētu, kas pietuvojas metāla vadam, radot elektrisko strāvu.
J: Kā darbojas baterija?
A: Baterija darbojas, savienojot ķīmiskās vielas burkā ar divu dažādu veidu metāla stieņiem, izdalot elektrisko enerģiju.
J: Kas ir elektriķi?
A: Elektriķi ir cilvēki, kas strādā ar elektrību un elektriskajām ierīcēm mājās un rūpnīcās.
