Elekter — määratlus, elektrienergia, elektrivool ja kasutus
Tutvu elektri mõiste, elektrienergia, elektrivoolu ja ohutu kasutamisega — kuidas elekter tekib, kandub, generaatorid, patareid, staatiline elekter ja praktilised rakendused igapäevaelus.
Elekter on elektrilaengu olemasolu ja selle voolamine. Elektri abil saab transportida ja muundada energiat viisil, mis võimaldab meil toita seadmeid, teha tööd ja juhtida protsesse. Tuntuim elektri vorm on elektronide vool läbi juhtmete (näiteks vaskjuhtmete), kuid elekter võib avalduda ka staatiliste laengute ja kõrgepingeliste laadeteguridena.
Mis vahe on elektril ja elektrienergial?
Mõnikord kasutatakse sõna "elekter" tähenduses "elektrienergia", kuid need terminid ei ole üheselt samad: elekter on pigem vahend või nähtus, mille kaudu elektrienergia liigub, sarnaselt nagu vesi võib kanda laineenergiat. Elektrienergia ise on see, mida me tarbime ja mõõdame (nt vattides) ning mida kasutatakse seadmete tööks. Eset, mis võimaldab elektrienergial läbi selle liikuda, nimetatakse ülekandevahendiks või elektrijuhiks. Vaskjuhtmed ja teised metallid on head juhid, mis lasevad elektrienergial efektiivselt liikuda. Plast ja keraamika on halvad juhid ehk isolaatorid, mis takistavad laengute liikumist ja seega elektrienergia edasikandumist.
Elektrivool ja staatiline elekter
Kui elektrilaengud ei liigu, räägitakse staatilisest elektrist. Staatiline elekter ilmneb tihti siis, kui kaks materjali hõõruvad üksteise vastu ja laengud eralduvad (näiteks villane müts ja plastikust joonlaud). See võib põhjustada sädet ja väikeseid torkeid. Kui laengud liiguvad pidevalt läbi juhtme või muu vooluringi, siis on tegemist elektrivooluga, mida väljendatakse voolutugevusega (amprites). Vooluga seotud nähtusi mõõdetakse ka pinge (voltidena) ja võimsusena (vattidena).
Välk on looduses kõige tuntum ja ohtlikum elektrivoolu vorm: tegemist on väga suure laengu ja pingega, mis liigub õhus lühikese aja jooksul. Staatiline elekter põhjustab aga väiksemahulisi, vähem ohtlikke nähtusi, näiteks esemete kleepumist või väikseid sädemete teket.
Elektrienergia tootmine
Elektrienergia saab tekkida mitmel erineval meetodil. Üks levinumaid on elektromagnetiline induktsioon: kui magnet liigub metalltraadi lähedal või kui traadi sees muutub magnetväli, indutseeritakse traadis pinge — seda põhimõtet kasutavad generaatorid. Suurimad generaatorid asuvad tavaliselt elektrijaamades, kus mehaaniline energia muundatakse elektrienergiaks (nt veejõu-, soojus- või tuuleelektrijaamad).
Elektrienergiat saab toota ka keemiliste reaktsioonide abil: kemikaalide kokkupuute korral kahe erineva metallvardaga purgis tekib pinge — see on patarei. Lisaks kasutatakse tänapäeval laialdaselt päikeseenergiat: fotogalvaanilistes elementides muundatakse päikesevalgus otse elektrienergiaks. On olemas ka muud liiki generaatorid ja muundurid, aga kõik põhinevad kas energia muundamisel teisest vormist elektriks või laengute eraldumisel keemiliselt.
Elektri ülekandmine ja kasutamine
Elektrienergia ülekande võrgud toovad elektri tootmiskohtadest meie majapidamistesse ja tööstustesse läbi juhtmete ja liinide. Kodu- ja tööstusseadmete hulka kuuluvad näiteks elektrilambid, elektrikütteseadmed jne. Paljud seadmed, nagu pesumasinad ja elektripliidid, kasutavad elektrit. Tehastes annab elektrienergia masinatele vajaliku liikumis- ja tööenergia. Inimesi, kes paigaldavad ja hooldavad elektrisüsteeme ning -seadmeid meie kodudes ja tööstustes, nimetatakse "elektrikeks".
Ohutus ja mõned põhitõed
Elekter võib olla ohtlik: kokkupuude vooluallikatega võib põhjustada vigastusi või surma, eriti kui see juhtub vee läheduses, sest vesi koos lahustunud sooladega on hea juht. Seetõttu tuleb järgida ohutusnõudeid — kasutada kaitseseadmeid (kaitsmed, automaatsed lülitid, maandus), mitte töötada märgade kätega ja vajadusel kutsuda välja kvalifitseeritud spetsialist (näiteks elektrik). Samuti tuleb elektriseadmeid ja juhtmeid regulaarselt kontrollida ning järgida tootja juhiseid.
Kokkuvõtlikult: elekter on laengu olemasolu ja liikumine, mis võimaldab meil kasutada elektrienergiat igapäevastes seadmetes, tööstuses ja transpordis. Mõistmine sellest, kuidas elekter tekib, liigub ja kuidas seda ohutult käsitleda, on tänapäeva ühiskonna toimimiseks hädavajalik.
Kuidas see töötab
On olemas kahte tüüpi elektrilaenguid, mis üksteist tõukavad ja tõmbavad: positiivsed laengud ja negatiivsed laengud. Elektrilaengud suruvad või tõmbavad üksteist, kui nad ei puutu kokku. See on võimalik, sest iga laeng tekitab enda ümber elektrivälja. Elektriväli on laengut ümbritsev ala. Igas laengu lähedal asuvas punktis on elektriväli suunatud teatud suunas. Kui sellesse punkti pannakse positiivne laeng, siis lükatakse see selles suunas. Kui sellesse punkti asetatakse negatiivne laeng, lükatakse seda täpselt vastupidises suunas.
See toimib nagu magnetid, ja tegelikult tekitab elekter magnetvälja, milles sarnased laengud tõmbavad üksteist tagasi ja vastupidised laengud tõmbavad ligi. See tähendab, et kui panna kaks negatiivset laengut lähestikku ja lasta neil minna, liiguvad nad üksteisest lahku. Sama kehtib ka kahe positiivse laengu puhul. Kui aga panna positiivne ja negatiivne laeng lähestikku, tõmbuvad nad teineteise poole. Lühike viis seda meelde jätta on fraas vastandused tõmbavad meeldib tõrjuda.
Kogu aine universumis koosneb pisikestest osakestest, millel on positiivne, negatiivne või neutraalne laeng. Positiivseid laenguid nimetatakse prootoniteks ja negatiivseid laenguid elektronideks. Prootonid on palju raskemad kui elektronid, kuid neil mõlemal on sama suur elektrilaeng, ainult et prootonid on positiivsed ja elektronid negatiivsed. Kuna "vastandid tõmbuvad ligi", jäävad prootonid ja elektronid kokku. Mõned prootonid ja elektronid võivad moodustada suuremaid osakesi, mida nimetatakse aatomiteks ja molekulideks. Aatomid ja molekulid on siiski väga väikesed. Nad on liiga väikesed, et neid näha. Igas suures objektis, näiteks teie sõrmes, on rohkem aatomeid ja molekule, kui keegi oskab kokku lugeda. Me saame ainult hinnata, kui palju neid on.
Kuna negatiivsed elektronid ja positiivsed prootonid kleepuvad kokku, et moodustada suuri objekte, on kõik suured objektid, mida me näeme ja tunneme, elektriliselt neutraalsed. Elektriliselt on sõna, mis tähendab "elektrit kirjeldav", ja neutraalne on sõna, mis tähendab "tasakaalus". Seepärast ei tunne me kaugelt, kuidas objektid meid tõukavad ja tõmbavad, nagu see oleks, kui kõik oleks elektriliselt laetud. Kõik suured objektid on elektriliselt neutraalsed, sest maailmas on sama palju positiivset ja negatiivset laengut. Võiksime öelda, et maailm on täpselt tasakaalus ehk neutraalne. Teadlased ei tea siiani, miks see nii on.
Elektrivool
Elektronid võivad liikuda kogu materjalis. Prootonid ei liigu kunagi ümber tahke objekti, sest nad on nii rasked, vähemalt võrreldes elektronidega. Materjali, mis laseb elektronidel ringi liikuda, nimetatakse juhiks. Materjali, mis hoiab iga elektroni kindlalt paigal, nimetatakse isolaatoriks. Juhtideks on näiteks vask, alumiinium, hõbe ja kuld. Isolaatorid on näiteks kummi, plastik ja puit. Vask on väga sageli kasutatav elektrijuht, sest see on väga hea elektrijuht ja seda on maailmas väga palju. Vask esineb elektrijuhtmetes. Kuid mõnikord kasutatakse ka teisi materjale.
Elektroonid põrkuvad juhi sees ringi, kuid nad ei liigu kaua ühes suunas. Kui juhi sees tekitatakse elektriväli, hakkavad kõik elektronid liikuma väljaga vastupidises suunas (sest elektronid on negatiivselt laetud). Patarei võib tekitada elektrivälja juhi sees. Kui traadi mõlemad otsad ühendatakse patarei kahe otsaga (mida nimetatakse elektroodideks), nimetatakse tekkinud silmust elektrivooluahelaks. Elektroonid voolavad ringi ja ümber vooluahela seni, kuni patarei tekitab juhtme sees elektrivälja. Seda elektronide voolu ümber vooluringi nimetatakse elektrivooluks.
Elektrivoolu juhtimiseks kasutatav juhtiv juhe on sageli mähitud isolaatorisse, näiteks kummi. Seda seetõttu, et voolu kandvad juhtmed on väga ohtlikud. Kui inimene või loom puutub voolu kandvat palja kaablit, võib ta vigastada või isegi surra, olenevalt sellest, kui tugev on vool ja kui palju elektrienergiat vool edastab. Elektripistikupesade ja paljaste juhtmete, mis võivad kanda voolu, läheduses peaksite olema ettevaatlik.
Elektrilist seadet on võimalik ühendada vooluahelasse nii, et elektrivool voolab läbi seadme. See vool edastab elektrienergiat, et seade teeks midagi, mida me tahame, et ta teeks. Elektrilised seadmed võivad olla väga lihtsad. Näiteks lambipirnis kannab vool energiat läbi spetsiaalse juhtme, mida nimetatakse hõõgniidiks, mis paneb selle helendama. Elektrilised seadmed võivad olla ka väga keerulised. Elektrienergiat võib kasutada elektrimootori käivitamiseks tööriistas, näiteks puuris või pliiatsiteritaja sees. Elektrienergiat kasutatakse ka moodsate elektroonikaseadmete, sealhulgas telefonide, arvutite ja televiisorite toitmiseks.
Mõned elektrienergiaga seotud mõisted
Siin on mõned terminid, millega inimene võib kokku puutuda, kui ta uurib, kuidas elekter töötab. Elektri ja selle uurimise kohta, kuidas see võimaldab elektrilisi vooluahelaid, kasutatakse nimetust elektroonika. On olemas tehnika valdkond, mida nimetatakse elektrotehnika, kus inimesed leiutavad uusi asju, kasutades elektrit. Kõiki neid mõisteid on oluline teada.
- Vool on elektrilaengu hulk, mis voolab. Kui 1 kuulib elektrienergiat liigub 1 sekundi jooksul kuskil läbi, on voolu suurus 1 amper. Selleks, et mõõta voolu ühes punktis, kasutame ampermeetrit.
- Pinge, mida nimetatakse ka "potentsiaalide erinevuseks", on voolu taga olev "tõukejõud". See on töö hulk elektrilaengu kohta, mida elektriline allikas suudab teha. Kui 1 kuulibile elektrienergiale vastab 1 džauli energia, siis on selle elektriline potentsiaal 1 volt. Kahe punkti vahelise pinge mõõtmiseks kasutame voltmeetrit.
- Takistus on aine võime "aeglustada" voolu voolu, st vähendada kiirust, millega laeng voolab läbi aine. Kui elektriline pinge 1 volt säilitab voolu 1 amper läbi juhtme, on juhtme takistus 1 ohm - seda nimetatakse Ohmi seaduseks. Kui vooluvoolule vastandub, "kulub" energia ära, mis tähendab, et see muundub teistesse vormidesse (näiteks valguseks, soojuseks, heliks või liikumiseks).
- Elektrienergia on võime teha tööd elektriseadmete abil. Elektrienergia on "säiliv" omadus, mis tähendab, et see käitub nagu aine ja seda saab liigutada ühest kohast teise (näiteks mööda ülekandevahendit või akus). Elektrienergiat mõõdetakse džaulides või kilovatt-tundides (kWh).
- Elektriline võimsus on kiirus, millega elektrienergiat kasutatakse, salvestatakse või edastatakse. Elektrienergia voolu mööda elektriliine mõõdetakse vattides. Kui elektrienergia muundatakse muuks energialiigiks, mõõdetakse seda vattides. Kui osa sellest muundatakse ja osa salvestatakse, mõõdetakse seda volt-ampertides, või kui see on salvestatud (nagu elektri- või magnetväljas), mõõdetakse seda volt-ampertides reaktiivsuses.
Elekter saadetakse juhtmete kaudu.
Joonis elektriahelast: vool (I) voolab voolu (+) ringist tagasi -ni.
Elektrienergia tootmine
Elektrienergiat toodetakse enamasti kohtades, mida nimetatakse elektrijaamadeks. Enamik elektrijaamu kasutab soojust, et keeta vesi auruks, mis paneb aurumootori tööle. Aurumootori turbiin pöörab masinat, mida nimetatakse "generaatoriks". Generaatori sees olevad spiraaljuhtmed pöörlevad magnetväljas. See põhjustab elektri voolu läbi juhtmete, mis kannab elektrienergiat. Seda protsessi nimetatakse elektromagnetiliseks induktsiooniks. Michael Faraday avastas, kuidas seda teha.
Elektrienergia tootmiseks saab kasutada paljusid soojusallikad. Soojusallikad võib jagada kahte liiki: taastuvad energiaallikad, mille puhul soojusenergia varud ei ammendu kunagi, ja taastumatud energiaallikad, mille puhul varud lõppevad lõpuks ära.
Mõnikord saab looduslikku voolu, näiteks tuule- või vee-energiat, kasutada otse generaatori käivitamiseks, nii et soojust ei ole vaja.
Elektrienergiat toodetakse elektrijaamades.
Küsimused ja vastused
K: Mis on elekter?
V: Elekter on elektrivoolu olemasolu ja voolamine. Seda kasutatakse energia ülekandmiseks viisil, mis võimaldab meil teha lihtsaid töid.
K: Mis on juhid?
V: Juhtmed on esemed, mis võimaldavad elektrienergial läbi nende liikuda, näiteks vasktraadid ja muud metallesemed. Need võimaldavad elektrienergial läbi nende liikuda ja elektrienergiat edasi kanda.
K: Kuidas saab elektrienergiat toota?
V: Elektrienergiat saab toota looduslikult (näiteks välk) või inimeste poolt (näiteks generaatoris).
K: Mis on staatiline elekter?
V: Staatiline elekter tekib siis, kui elektrilaengud ei liigu; see võib põhjustada looduses asjade kokku kleepumist.
K: Kuidas töötab generaator?
V: Generaator töötab, kasutades magnetit, mis liigub metalljuhtme lähedale, tekitades elektrivoolu.
K: Kuidas töötab aku?
V: Patarei töötab, ühendades kemikaalid purgis kahe erineva metallvardaga, vabastades elektrienergiat.
K: Mis on elektrikad?
V: Elektrikud on inimesed, kes töötavad elektri ja elektriseadmetega kodudes ja tehastes.
Otsige