Εφόσον διαβάζετε αυτό το άρθρο (από υπολογιστή, κινητό, τάμπλετ) κάνετε χρήση ηλεκτρικού ρεύματος. Και όσον αφορά την ενέργεια λειτουργίας της συσκευής σας αλλά και όσον αφορά την μετάδοση της πληροφορίας. Εάν, πάλι, κάποιος το διαβάζει εκτυπωμένο, θυμίζουμε πως ο εκτυπωτής δεν λειτουργεί με… μανιβέλα! Καθημερινά, λοιπόν, επικοινωνούμε, ενημερωνόμαστε και εργαζόμαστε μέσω ενός πλήθους ηλεκτρονικών συσκευών!
Αλλά και και σε πόσες άλλες περιπτώσεις -πέραν αυτών της ψηφιακής επανάστασης- δεν είναι το ρεύμα αυτό που κυριαρχεί; Σχεδόν όλες οι συσκευές που χρησιμοποιούμε, λειτουργούν με αυτό (ΟΚ, υπάρχει και η σόμπα… πετρελαίου). Είναι πολλές αυτές που αγοράσαμε, τις φέραμε στο σπίτι και για να τις χαρούμε έπρεπε να φτάσουμε στο στάδιο: “Βάλ’την στην πρίζα“. Για να λειτουργήσουν άμεσα ή για να φορτίσουν. Ακόμα και το αυτοκίνητο που έχουμε, το οποίο παίρνει ενέργεια από υγρά καύσιμα, θα ήταν αδύνατο να λειτουργήσει χωρίς την χρήση ηλεκτρικού ρεύματος. Για να μην μιλήσουμε για τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα…
Είμαστε εξοικειωμένοι με την χρήση του. Μιλάμε συχνά γι αυτό. Σχεδόν καθημερινά ακούγονται φράσεις όπως:
“Δίνει ρεύμα στο μπουζί;”
“Κάηκε η λάμπα ή έπεσε το ρεύμα;”
“Βάλε σωστά τις μπαταρίες για να πάρει ρεύμα”
και μία από τις πλέον αγωνιώδεις -ιδιαίτερα το τελευταίο διάστημα- ερωτήσεις: “ΠΟΣΟ ρεύμα καίει?”
Ξέρουμε όμως τι είναι;
Δεν αμφιβάλλω ότι ένα σεβαστό ποσοστό γνωρίζει και κατανοεί την φύση του ηλεκτρικού ρεύματος. Από την άλλη έχω έρθει αρκετές φορές σε επαφή με ανθρώπους που είτε τα είχαν κάπως θολά και μπερδεμένα είτε θεωρούσαν πως αυτό είναι κάτι που χρησιμοποιούμε μεν αλλά δεν ξέρουμε και πολλά γι αυτό. Κι όμως, αποτελεί ένα από τα φαινόμενα για τα οποία έχουμε μια αρκετά ξεκάθαρη εικόνα:
Ηλεκτρικό ρεύμα είναι η κίνηση ηλεκτρικού φορτίου!
Τόσο απλά!
Και, φυσικά, τώρα αρχίζουν οι διευκρινίσεις/επεξηγήσεις. “Αρχίσαμε…”, που λένε!
1. Κίνηση; Τι είδους κίνηση;
Οι περισσότεροι ορισμοί που θα βρούμε για το ηλεκτρικό ρεύμα, αναφέρουν: “Είναι η προσανατολισμένη κίνηση…” Συντεταγμένη, δηλαδή, κίνηση πολλών φορτίων προς μία συγκεκριμένη κατεύθυνση. Θα μπορούσε να περιγραφεί και ως ροή φορτίων, όρος που εμπεριέχει τις έννοιες και της κατεύθυνσης και του πλήθους και που δικαιολογεί την ονομασία “ρεύμα”.
Αυτό συμβαίνει επειδή τα διάφορα είδη ηλεκτρικού ρεύματος που συναντούμε -και μπορούμε να μετρήσουμε- από το γνωστό μας ρεύμα μέσα σε καλώδια μέχρι το ηλεκτρικό ρεύμα του κινούμενου πλάσματος στα αστέρια, αφορούν την κίνηση ενός τεράστιου πλήθους φορτίων. Όμως, ακόμα και η κίνηση ενός μόνο ηλεκτρονίου (η οποία από μόνη της συνεπάγεται συγκεκριμένη κατεύθυνση) αποτελεί ηλεκτρικό ρεύμα. Έτσι, η εκτόξευση ακόμη και ενός μόνο ηλεκτρονίου από πυροβόλο ηλεκτρονίων, η εξαναγκασμένη κίνησή του λόγω επίδρασης ενός ηλεκτρικού πεδίου θεωρείται ηλεκτρικό ρεύμα.
Η κίνηση των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα, στο άτομο, θα μπορούσε να θεωρηθεί και αυτή ρεύμα, μόνο όμως αν τα ηλεκτρόνια κινούνταν πραγματικά σε τροχιές γύρω από αυτόν, κάτι που -παρά την εικόνα του ατόμου που έχουμε στο μυαλό μας- δεν ισχύει. Αλλά ας μην αρχίσουμε, τώρα, με την Κβαντική Φυσική…
2. Κίνηση; Μέσα σε τι;
Όπως είπαμε και παραπάνω, οι περισσότεροι ως ηλεκτρικό ρεύμα αναγνωρίζουμε αυτό που τροφοδοτεί τις συσκευές που χρησιμοποιούμε, το οποίο διέρχεται από τα γνωστά μας καλώδια (αν και αρχίζουμε να χρησιμοποιούμε και άλλες μεθόδους όπως π.χ. η επαγωγική φόρτιση συσκευών). Για τον λόγο αυτό, οι περισσότεροι ορισμοί που θα βρούμε, αναφέρουν “Είναι η προσανατολισμένη κίνηση … κατά μήκος (ή διαμέσου) ενός ηλεκτροφόρου αγωγού.” Όμως το ηλεκτρικό ρεύμα δεν χρειάζεται, απαραίτητα, ένα μέσο διάδοσης (μπορεί και στο κενό), αλλά και στην περίπτωση που χρησιμοποιεί ένα μέσο, αυτό δεν είναι απαραίτητα ένας μεταλλικός αγωγός όπως τα καλώδια που ξέρουμε.
Τα φορτία μπορούν να κινηθούν και στο κενό (βέβαια τι… κενό είναι αυτό που περιέχει φορτισμένα σωματίδια; LOL), άρα το ίδιο μπορεί και το ηλεκτρικό ρεύμα. Ο Ηλιακός Άνεμος, το πλάσμα που εκτοξεύεται από τον Ήλιο αποτελεί ηλεκτρικό ρεύμα. Αλλά ακόμα και η ροή ηλεκτρονίων στον καθοδικό σωλήνα κενού, στις παλαιού τύπου τηλεοράσεις, παλμογράφους κ.λ.π, αποτελεί ηλεκτρικό ρεύμα μέσω κενού, όπως μπορούμε να καταλάβουμε από το όνομα του σωλήνα.
Όπως αναφέραμε, ακομη και στις περιπτώσεις όπου υφίσταται μέσο, αυτό δεν είναι απαραίτητα ένας μεταλλικός αγωγός. Έτσι, έχουμε ηλεκτρικό ρεύμα με την κίνηση των ιόντων μέσα σε ένα υδατικό διάλυμα ηλεκτρολύτη ή ακόμα και με την κίνηση των οπών στους ημιαγωγούς.
3. Ηλεκτρικού φορτίου; Δηλαδή τι είναι αυτό που κινείται;
Ηλεκτρικό φορτίο έχουν τα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια, όπως το ηλεκτρόνιο (-) και το πρωτόνιο (+), αλλά και συνδυασμοί τους, όπως είναι τα ιόντα (ένα ή περισσότερα άτομα που δεν είναι ηλεκτρικά ουδέτερα). Ως φορείς ηλεκτρικού φορτίου, μπορούν να θεωρηθούν και οι οπές στους ημιαγωγούς, οι οποίες στην ουσία αποτελούν έλλειψη φορτίου (ηλεκτρονίου) σε μία θέση όπου θα έπρεπε να βρίσκεται φορτίο.
4. Ηλεκτρικο φορτίο; Και τι είναι αυτό;
Χμμμ… Ίσως το πιο δυσκολο να απαντηθεί ή -μάλλον- το πιο αφηρημένο όλων! Το ηλεκτρικό φορτίο είναι μία ιδιότητα της ύλης. Είναι η ιδιότητα που έχουν ορισμένα υποατομικά σωματίδια να αλληλεπιδρούν με (αλλά και να δημιουργούν) ηλεκτρομαγνητικά πεδία, ή αλλιώς να ασκούνται σε αυτά δυνάμεις όταν βρεθούν μέσα σε κατάλληλο πεδίο.
Σε ένα σωματίδιο με αυτή την ιδιότητα θα ασκηθεί δύναμη όταν αυτό βρεθεί μέσα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, με τον ίδιο τρόπο που θα ασκηθεί δύναμη σε μία μάζα όταν αυτή βρεθεί μέσα σε ένα βαρυτικό πεδίο. Αντίστοιχα σε ένα σωματίδιο που διαθέτει ηλεκτρικό φορτίο, θα ακηθεί δύναμη όταν αυτό κινείται μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο.
Το ηλεκτρικό φορτίο εμφανίζεται με δύο μορφές, το θετικό και το αρνητικό.
Αφού είδαμε, λοιπόν, τι σημαίνει γενικά ηλεκτρικό ρεύμα, ας μιλήσουμε για την πιο γνωστή -και χρησιμοποιούμενη από εμάς- μορφή. Αυτό δηλαδή που τροφοδοτεί τις συσκευές μας, με τα γνωστά καλώδια. Τώρα, ο παραπάνω γενικός ορισμός μπορεί να εξειδικευτεί στην εξής περιγραφή:
“Ηλεκτρικό ρεύμα είναι η προσανατολισμένη κίνηση (ή ροή) ηλεκτρονίων διαμέσου ενός μεταλλικού (συνήθως από χαλκό) αγωγού.”
Και… πάμε πάλι για διευκρινίσεις:
Α. Τι είναι ο αγωγός;
Απλούν και μάλλον… προφανές. Αγωγοί είναι τα υλικά που επιτρέπουν την διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος, στην περίπτωσή μας των ηλεκτρονίων.
Αντίθετα, οι μονωτές δεν επιτρέπουν την διέλευση αυτή. Όμως, υπάρχουν και οι ημιαγωγοί που αναλόγως των συνθηκών άλλοτε συμπεριφέρονται ως αγωγοί και άλλοτε ως μονωτές.
Αγωγοί είναι τα μέταλλα, όμως δεν είναι οι μόνοι. Για παράδειγμα, ως αγωγός μπορεί να συμπεριφερθεί και το νερό (όταν δεν είναι “καθαρό” και έχει προσμίξεις), οπότε καλό είναι να ακολουθούμε τον κανόνα που λέει ότι νερό και ηλεκτρισμός αποτελούν επικίνδυνο συνδυασμό. Άλλα παραδείγματα μη μεταλλικών αγωγών αποτελούν ο γραφίτης αλλά και ορισμένα πολυμερή.
Συνήθως, στον ορισμό των αγωγών διαβάζουμε “…που επιτρέπουν ελεύθερα την διέλευση…”, αυτό όμως δεν είναι ακριβές. Το ηλεκτρικό ρεύμα δεν περνάει το ίδιο εύκολα μέσα από όλους τους αγωγούς. Πάντα συναντά μία δυσκολία, μία αντίσταση, άλλοτε μικρή άλλοτε μεγαλύτερη. Γι αυτό άλλωστε προτιμάμε ορισμένα μέταλλα από άλλα, όπως τον χαλκό.
Β. Γιατί ηλεκτρόνια;
Η ερώτηση αυτή είναι ισοδύναμη με την ερώτηση “Και γιατί τα μέταλλα είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος;”
Γιατί διαθέτουν ελεύθερα ηλεκτρόνια, άρα παρέχουν τους ίδιους τους φορείς του ρεύματος αλλά και το υλικό για την διέλευσή του. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι αυτά που δεν είναι αυστηρά δεσμευμένα από ένα άτομο και άρα έχουν την δυνατότητα κινούνται ελεύθερα μεταξύ των ατόμων του μετάλλου.
Τα άτομα που έχουν χάσει αυτά τα ηλεκτρόνια, έχουν μετατραπεί σε ιόντα, είναι δηλαδή και αυτά ηλεκτρικώς φορτισμένα και -αν μπορούσαν να κινηθούν- θα δημιουργούσαν ηλεκτρικό ρεύμα. Όμως δεν μπορούν! Αποτελούν τους δομικούς λίθους, το πλέγμα του υλικού, και είναι σταθερά συνδεδεμένα μεταξύ τους. Το νέφος, όμως, των ελεύθερων ηλεκτρονίων γύρω από αυτά, δεν είναι. Αυτό μπορεί να κινηθεί, και με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου κινείται! Γιατί, όπως είπαμε, όταν υπάρχει πεδίο, τότε ασκούνται δυνάμεις. Έτσι, έχουμε κίνηση φορτίου και άρα ρεύμα!
Η κίνηση των ηλεκτρονίων, όμως, δεν γίνεται απρόσκοπτα. Αρκετά συχνά συγκρούονται με τα ακίνητα άτομα, αυτά που αποτελούν το πλέγμα του υλικού, με αποτέλεσμα αυτό να “φρενάρει” την κίνησή τους. Το “φρενάρισμα” εκφράζει την δυσκολία που συναντά το ρεύμα κατά την κίνησή του, η οποία -όπως αναφέραμε παραπάνω- διαφέρει από αγωγό σε αγωγό. Μην ξεχνάμε άλλωστε, πως οι περισσότεροι αντιστάτες (ηλεκτρικά & ηλεκτρονικά εξαρτήματα που εμφανίζουν συγκεκριμένη τιμή δυσκολίας για το ρεύμα που τα διαρρέει) είναι φτιαγμένοι από μέταλλο.
Και… γιατί είναι χρήσιμο σε εμάς, τελικά;
Άντε, καταφέραμε να κινήσουμε ηλεκτρόνια μέσα σε αγωγούς. Φτιάξαμε δηλαδή εργοστάσια παραγωγής, κατασκευάσαμε καλώδια, πρίζες, μπαταρίες, δημιουργήσαμε δίκτυα μεταφοράς και τα συνδυάσαμε όλα αυτά για να έχουμε ελεγχόμενη κίνηση ηλεκτρονίων. Γιατί;
Όλα αυτά τα κάναμε γιατί τα κινούμενα ηλεκτρόνια μεταφέρουν ενέργεια. Την ενέργεια από το εργοστάσιο, από την μπαταρία, από το δυναμό του αυτοκινήτου.
Όταν αφήσουμε έναν βράχο να πέσει από ένα ύψος, αυτός αποκτά κινητική ενέργεια (όποιος δεν το πιστεύει μπορεί να καθήσει, ελεύθερα, από κάτω). Η ενέργεια αυτή προέρχεται από το έργο της δύναμης που ασκείται στον βράχο λόγω του βαρυτικού πεδίου της γής, είναι με άλλα λόγια το αποτέλεσμα της κίνησης του βράχου από ένα σημείο μεγαλύτερου προς ένα σημείο μικρότερου δυναμικού. Έτσι και τα ηλεκτρόνια! Το ηλεκτρικό πεδίο που τα κινεί τους προσδίδει και την απαραίτητη ενέργεια (ταχύτητα) αναγκάζοντάς τα να κινηθούν από υψηλότερο σε χαμηλότερο ηλεκτρικό δυναμικό (Να και η… διαφορά δυναμικού, που συνηθίζουμε να λέμε!).
Οι πηγές, όπως το εργοστάσιο, οι γεννήτριες, οι μπαταρίες κ.λ.π. δεν εφοδιάζουν το κύκλωμα με ηλεκτρόνια. Το μόνο που κάνουν είναι να προσφέρουν ενέργεια στα ηλεκτρόνια που ήδη υπάρχουν μέσα στους αγωγούς του κυκλώματος.
Και η ενέργεια αυτή, φτάνοντας σε μας μπορεί να αλλάξει μορφή. Μπορεί να μετατραπεί σε άλλες μορφές ενέργειας, παρέχοντάς μας ζέστη, ψύξη, φως, κίνηση εργαλείων και οχημάτων κ.λ.π. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως στοιχείο μεταφοράς πληροφορίας, κάτι που καθιστά το ηλεκτρικό ρεύμα το μοναδικό φαινόμενο στο οποίο μπορούμε να στηριζόμαστε -προς το παρόν τουλάχιστον- για τον τομέα της πληροφορικής.
Πολλές, πάρα πολλές χρήσεις…
Και μαζί με αυτές, έρχονται έννοιες, μεγέθη και μονάδες που χαρακτηρίζουν το ηλεκτρικό ρεύμα, όπως η τάση, η ένταση, η συχνότητα, η ισχύς, τα Volt, οι -αχχχ!- κιλοβατώρες κ.ά.
Όμως ας τα αφήσουμε αυτά για το επόμενο μέρος του “Τι είναι το ηλεκτρικό ρεύμα”. Τα λέμε, ξανά, εκεί!
