561
16 BαΣικΗ ΗλεκΤρολογια και ΗλεκΤρονικΗ Ο ηλεκτρισμός είναι μια μορφή ενέργειας. Σε σύγκριση με άλλες μορφές ενέργειας όπως η θερμότητα, το φώς, η μηχανική και η χημική ενέργεια, έχει τα παρακάτω πλεονεκτήματα: • Υψηλές ποσότητες ενέργειας μπορούν να μεταφερθούν σε μεγάλες αποστάσεις μέσω των ηλεκτροφόρων καλωδίων και στις πιο απομακρυσμένες περιοχές. • Μπορεί να μετατραπεί εύκολα σε άλλες μορφές ενέργειας, π.χ. θερμότητα σε συστήματα θέρμανσης, φώς σε λαμπτήρες πυράκτωσης, μηχανική ενέργεια σε ηλεκτροκινητήρες και σε χημική ενέργεια όταν φορτίζουμε συσσωρευτές εκκίνησης. • Η μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε άλλες μορφές ενέργειας, είναι σε ένα μεγάλο βαθμό μη ρυπογόνος. Η γενική αρχή για την κατανόηση των ηλεκτρολογικών διαδικασιών είναι το μοντέλο του ατόμου του Bohr (Σχ. 1). Το άτομο είναι το μικρότερο, χημικά αδιαίρετο σωματίδιο ενός στοιχείου. H
Li
C
Διδακτικό Πεδίο 11
Τα ηλεκτρόνια μετακινούνται με μεγάλη ταχύτητα (περίπου 2,200 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο) σε κυκλικές ή ελλειπτικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα του ατόμου (Σχ. 2). Οι φυγόκεντρες δυνάμεις που ασκούνται με αυτό τον τρόπο από τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, αντισταθμίζονται από την ελκτική δύναμη των θετικά φορτισμένων πρωτονίων. Τα σωματίδια της ύλης με διαφορετικά ηλεκτρικά φορτία έλκονται μεταξύ τους, ενώ τα σωματίδια με το ίδια ηλεκτρικά φορτία απωθούν το ένα το άλλο.
Στην περίπτωση που ο πυρήνας του ατόμου περιέχει τον ίδιο αριθμό πρωτονίων με τον αριθμό ηλεκτρονίων που περιφέρονται γύρω του, τότε το άτομο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο προς το εξωτερικό περιβάλλον. Ηλεκτρόνιο
O Πυρήνας
Ηλεκτρόνιο Πρωτόνιο Νετρόνιο
He
Be
Ηλεκτρόνιο (–)
N
Ne
Πυρήνας ατόμου (+)
Σχήμα 1: Δομή των ατόμων
Τα θεμελιώδη συστατικά του ατόμου είναι ο πυρήνας του ατόμου και τα ηλεκτρόνια. Ο πυρήνας του ατόμου αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια . Τα πρωτόνια είναι σωματίδια της ύλης με θετικό φορτίο. Ένας πυρήνας υδρογόνου για παράδειγμα, αποτελείται από μόνο ένα πρωτόνιο. Έχει τη μικρότερη ποσότητα θετικού φορτίου, το στοιχειώδες φορτίο (θετικό). Τα νετρόνια είναι σωματίδια της ύλης που δεν έχουν καθόλου ηλεκτρικό φορτίο. Τα ηλεκτρόνια είναι σωματίδια της ύλης με αρνητικό φορτίο. Ένα ηλεκτρόνιο έχει τη μικρότερη ποσότητα αρνητικού φορτίου, το στοιχειώδες φορτίο (αρνητικό). Τα ηλεκτρόνια είναι οι φορείς των αρνητικών στοιχειωδών φορτίων, τα πρωτόνια είναι φορείς των θετικών στοιχειωδών φορτίων. Τα αντίστοιχα στοιχειώδη φορτία έχουν το ίδιο μέγεθος.
Σχήμα 2: Η δομή ενός ατόμου λιθίου
Εκτός από τα ηλεκτρόνια που είναι δεσμευμένα στον πυρήνα του ατόμου, σε κάθε ύλη υπάρχουν και εκείνα τα ηλεκτρόνια που προσωρινά αποχωρίζονται από την τροχιά τους και είναι σε θέση να κυκλοφορούν ελεύθερα μεταξύ των ατόμων. Τα ηλεκτρόνια αυτά είναι γνωστά ως «ελεύθερα» ηλεκτρόνια. Εφόσον καμία εξωτερική ενέργεια δεν εφαρμόζεται στην ύλη, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μετακινούνται τυχαία, δηλαδή δεν είναι δυνατόν να προσδιοριστεί μία συγκεκριμένη κατεύθυνση κίνησης (Σχ. 3).
Ελεύθερο ηλεκτρόνιο
Ένωση ατόμου
Σχήμα 3: Τυχαία κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων.
Οι ηλεκτρικές διεργασίες εξαρτώνται από την ύπαρξη και την κινητικότητα των ελεύθερων ηλεκτρονίων. Ο ηλεκτρισμός δεν δημιουργείται, αλλά είναι παρών σε κάθε υλικό.