Electricitatea, un „lucru” ubicuu în societatea umană de multă vreme, este, în parte, la nivel fundamental un mister. Ați putea explica cum funcționează, în fapt, curentul electric? Dacă veți spune că este vorba de „mișcarea electronilor” nu veți lămuri subiectul, pentru că această metaforă, deși utilă, nu explică fenomenul. De exemplu, în cazul curentului electric alternativ, cel pe care-l folosiți zi de zi, despre ce „mișcare a electronilor” vorbim? Pentru că ei se mișcă ba spre casa ta, ba spre locul de generare. Electronii, aparent, se apropie și se îndepărtează permanent. Atunci ce se mișcă? Ce este, în fapt, curentul electric?
La finalul acestui articol găsiți două videoclipuri recente care explică destul de bine și în detaliu fenomenul electricității. Aș spune că cele două materiale video vin în completarea celor pe care o să le menționez mai jos. Sper ca explicațiile preliminare pe care o să le menționez în continuare să ajute la înțelegerea mai ușoară a explicațiilor din videoclipuri.
Să începem cu... începutul. Adică trebuie să vorbim un pic despre atomi.
Atomul este unitatea fundamentală de materie. Este format din nucleu (format din protoni și neutroni, care, la rândul lor, sunt formați din quarcuri) și electroni.
Electronii sunt particule elementare cu sarcină electrică negativă. Conceptual, ne putem imagina câmpuri de forță care „intră” în electron din toate direcțiile. În aceeași idee, o particulă cu sarcină electrică pozitivă, precum protonul, va fi caracterizată de câmpuri de forță care „ies”.
Sarcinile diferite se atrag
Cum cel mai probabil știți, particulele cu sarcină electrică de același semn se resping, iar cele de sarcină diferită se atrag.
Nucleul, cum spuneam, este format din protoni, particule compozite pozitive, și neutroni, particule compozite neutre. Quarcurile care formează protonii și neutronii sunt ținuți împreună de particule elementare fără masă numite „gluoni” (identificat de fizicianul japonez Hideki Yukawa în 1947).
Forța tare, mediată de gluoni, este de circa 100 de ori mai puternică decât forța electromagnetică; de aceea particule cu sarcină electrică identică (vorbesc de protoni) stau totuși împreună în nucleu. Să ne întoarcem la electroni.
Electronii sunt așezați în cadrul atomului pe straturi energetice. Numărul de electroni maxim posibil pe fiecare strat este dat de formula 2N2, unde N este numărul stratului energetic. Așadar, pe primul strat, cel mai apropiat de nucleu, vom avea maxim 2 electroni (2*12), pe al doilea strat maxim 8 electroni (2*22) șamd. Ultimul strat este denumit „strat de valență” și este de mare importanță în formarea legăturilor chimice și în determinarea „naturii electrice” a atomilor. Explicăm mai jos ce înseamnă asta.
Stratul exterior de electroni, stratul de valență, nu poate conține mai mult de 8 electroni. Un astfel de atom, cu 8 electroni pe ultimul strat, precum neonul, argonul, xenonul șamd - se numește gaz nobil și este inert, în sensul că este un atom stabil. Atomii cu mai puțin de 8 electroni pe ultimul strat pot interacționa cu alți atomi pentru a forma molecule stabile.
Atomii cu 1, 2 sau trei electroni de valență sunt cel mai puțin stabili. Acești electroni pot fi înlăturați din structura atomului cu ajutorul unei energii. Pentru că acest tip de atom permite înlăturarea relativ ușoară a electronilor de valență, acesta este cel implicat în fenomenul electricității.
Un material conducător de electricitate este format din atomi care au între 1 și 3 electroni de valență.
Cuprul, argintul sau aurul, de pildă, au un singur electron de valență; argintul este cel mai bun material sub aspectul conductibilității electrice. Conductibilitatea electrică nu este totuși stabilită strict după numărul de electroni de valență, în sensul că, din motive necunoscute, un element cu 3 electroni de valență, precum aluminiul, poate fi un conducător de electricitate mai bun decât platina, care are un singur electron de valență.
Materialele cu 7 sau 8 electroni pe ultimul strat sunt izolatoare, care se opun formării unui curent electric. Electronii unor astfel de materiale, precum cauciucul, sticla sau lemnul, sunt dificil de înlăturat (necesită multă energie) de pe ultimul strat. De ce ar fi atât de dificil? Pentru că energia unui electron liber care s-ar lovi de electronii din ultimul strat al unui atom cu 7-8 electroni se va împărți la 7 sau 8, având un impact relativ mic.
Electron liber lovind un atom cu 8 electroni pe stratul de valență
Semiconductorii sunt materiale care nu sunt și nici bune conducătoare, nici bune izolatoare de electricitate. Aceștia conțin 4 electroni pe stratul de valență. Exemple de materiale semiconductoare sunt: siliciul și germaniul, folosit în industria de semiconductori.
Teoria ciocnirilor electronice
Concepția curentă este că, în fapt, curentul electric reprezintă un flux de electroni. Acest flux este produs atunci când un electron al unui atom lovește și înlătură din orbită un electron (sau mai mulți) al unui alt atom.
Atunci când electronul lovit este singur pe stratul energetic de covalență, acesta este mai ușor înlăturat de pe acesta decât în situația în care pe stratul de covalență s-ar afla doi electroni. În acest ultim caz, dacă cei doi electroni de covalență sunt înlăturați din orbită, aceștia conțin fiecare jumătate din energia electronului care i-a lovit.
După ce un electron este înlăturat din orbită și lovește un alt electron de pe o altă orbită, primul se va întoarce pe orbita unui atom. Această întoarcere este însoțită și de o eliberare de energie, sub formă de fotoni. În fapt, acești fotoni sunt asociați căldurii. Vorbesc despre acea căldură generată de un fir conducător de electricitate în momentul în care acesta este sub tensiune. Sunt situații în care acest proces de producere de căldură duce la apariția unei flăcări și, posibil, a unui incendiu.
Șase metode de producere a electricității
Există șase metode de producere a electricității: magnetismul (metoda cea mai comună - inducția electromagnetică), acțiunea chimică (mișcarea ionilor), presiunea (efectul piezo-electric), căldura (efectul Seebeck), fricțiunea (frecarea obiectelor) și lumina (ex: panouri solare).
Atunci când curentul electric există într-un conductor, se creează un câmp magnetic în jurul acelui conductor.
Viteza curentului electric
Viteza curentului electric depinde de... ce măsori. Pentru un efect senzaționalist, ați citit probabil că viteza este de circa 10 cm / oră. Această valoare reprezintă deplasarea netă a unui electron. Dar probabil că e mai aproape de realitate dacă luăm în calcul nu deplasarea netă a unui electron individual, ci a câmpurilor magnetice generate de fluxul de electroni, iar în acest caz avem o viteză apropiată, dar mai mică decât viteza luminii (pentru că deplasarea câmpurilor magnetice este întârziată de materialele dielectrice).
Iar de aici vă las pe mâinile lui Derek Muller:
Credit imagine depositphotos.com
