Ce e, de fapt, curentul electric?
Îl folosești de zeci de ori pe zi și nu l-ai văzut niciodată. Nici eu. Dar știm destul de bine ce face. Pornim de la cele mai mici piese: electronii.
Electronii care pleacă la plimbare
Știi deja că atomii au electroni, cu sarcină minus, în jurul unui nucleu cu sarcină plus. În cele mai multe materiale, electronii stau cuminți lângă atomul lor.
În metale e altfel. În cupru, de exemplu, unii electroni sunt ținuți foarte slab și trec ușor de la un atom la altul. Li se spune electroni liberi. O sârmă subțire are miliarde de miliarde de astfel de electroni.
De obicei, electronii liberi se agită în toate direcțiile, ca elevii în pauză. Nimeni nu ajunge nicăieri. Când legi sârma la o baterie, bateria îi împinge pe toți în aceeași direcție.
Asta e tot secretul: curentul electric înseamnă sarcini electrice care se mișcă împreună, într-o singură direcție.
Un electron dintr-o sârmă obișnuită înaintează foarte încet: de obicei, mai puțin de un milimetru pe secundă. Fizicienii numesc asta viteza de drift. Atunci de ce se aprinde becul imediat ce apeși pe întrerupător?
Pentru că sârma e deja plină de electroni. Împingerea, adică câmpul electric, străbate firul aproape cu viteza luminii. E ca un tub plin cu bile: împingi una la un capăt și iese imediat una la celălalt.
Un drum fără capăt
Electronii au nevoie de un drum închis, care pleacă din baterie și se întoarce tot în ea. Drumul ăsta se numește circuit. Dacă e tăiat undeva, chiar și cu un milimetru, curentul se oprește peste tot deodată.
De aici vine numele de întrerupător: el chiar întrerupe drumul. Apeși, două bucăți de metal se ating și becul se aprinde. Apeși iar, se depărtează și becul se stinge.
Electronii pleacă de la capătul cu minus al bateriei și ajung la cel cu plus. Pe la 1750, când încă nu se știa de electroni, Benjamin Franklin a ales să spună că sarcina curge de la plus la minus. Convenția a rămas în manuale până azi și se numește sensul convențional al curentului.
Nu e o greșeală care strică vreun calcul. Electronii care merg spre plus fac exact același efect ca niște sarcini pozitive care ar merge spre minus.
Volți, amperi și ohmi
Gândește-te la apă care curge printr-un furtun. Tensiunea, măsurată în volți, e cât de tare împinge bateria. Intensitatea, măsurată în amperi, e câtă sarcină trece printr-un loc într-o secundă. Rezistența, măsurată în ohmi, e cât de greu trece curentul.
Unele materiale lasă curentul să treacă ușor: sunt conductori, mai ales metalele. Altele îl opresc: sunt izolatori, ca plasticul, cauciucul sau sticla. De aceea un cablu are cupru înăuntru și plastic pe dinafară.
Pe la 1827, profesorul german Georg Ohm a scris regula care leagă cele trei mărimi: intensitatea este egală cu tensiunea împărțită la rezistență. Mai multă împingere înseamnă mai mult curent. Mai multă rezistență înseamnă mai puțin curent.
Un bec sau un fir subțire au rezistență mare. Electronii se lovesc de atomi, iar firul se încălzește. Uneori atât de tare încât strălucește: așa luminau becurile vechi.
De unde vine curentul din priză
O baterie ajunge pentru o telecomandă. Un oraș are nevoie de centrale electrice. În 1831, englezul Michael Faraday a descoperit că un magnet mișcat lângă un fir încolăcit pune electronii din fir în mișcare. Aparatul care face asta se numește generator.
Într-o hidrocentrală, apa căzută de sus învârte o turbină, iar turbina învârte generatorul. Aburul, vântul sau gazele fierbinți pot face aceeași treabă. Panourile solare lucrează altfel: lumina pune direct electronii în mișcare, fără nimic care să se învârtă.
Aici nu mai glumesc. Bateriile mici din jucării sunt inofensive. Curentul din priză și din firele de pe stâlpi poate opri o inimă. Nu băga nimic în priză, nu atinge aparate cu mâinile ude și, dacă vezi un fir căzut, stai departe și spune unui adult.
Fapt sau legendă?
„Electronii dintr-un fir aleargă aproape cu viteza luminii.”
„Și corpul tău funcționează cu semnale electrice.”
„Timișoara a fost primul oraș din Europa cu străzi luminate de becuri electrice.”
Experiment: șirul de monede
Monedele sunt electronii, iar lovitura e împingerea bateriei. Fiecare monedă se mișcă foarte puțin, dar împingerea trece repede de la una la alta. Într-un fir adevărat, câmpul electric face asta aproape cu viteza luminii, iar electronii abia înaintează. Diferența dintre o monedă care pleacă și un șir care transmite e diferența dintre viteza electronilor și viteza semnalului.
Nu se știe încă
Unele materiale, răcite foarte tare, nu mai au deloc rezistență: sunt supraconductoare. Fără răcire, nimeni n-a găsit încă unul. Din când în când apare vestea unei descoperiri, dar până acum nicio afirmație de felul ăsta n-a trecut verificarea altor laboratoare.
Testul lui Kokodel
- Feynman R. P., Leighton R. B., Sands M. The Feynman Lectures on Physics, vol. II, 1964.
- Halliday D., Resnick R., Walker J. Fundamentals of Physics. Wiley.
- Encyclopaedia Britannica. Electric current; Ohm's law; Michael Faraday.
- Ohm G. S. Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet. Berlin, 1827.