1.7 Kako nastaje električna struja

Kako metali vode električnu struju?

Kao što znate, za vodiče električne struje koriste se metalne žice. U sredini je materijal od nekog metala (najčešće je to bakar), a okolo je postavljen izolatorski materijal (najčešće plastika ili guma). Izolatorski materijal postavlja se radi sigurnosti.

Metale upotrebljavamo kao vodiče zbog posebne unutarnje strukture koju posjeduju. Pri vezivanju atomi metala gube određeni broj elektrona. Obično se odvaja vanjski elektron, tj. onaj elektron koji je najudaljeniji od jezgre atoma metala, te postaje slobodan unutar strukture metala. S druge strane atomi metala, koji su upravo postali pozitivni ioni, ostaju čvrsto vezani unutar kristalne rešetke metala. Ti mnogobrojni elektroni postaju „slobodni" i gibaju se slobodno unutar metala. Slobodno, različitim brzinama i u različitim smjerovima, nasumično, kamo god žele. Zbog te mogućnosti gibanja, takvi slobodni elektroni su u stanju izjednačavati naboje među tijelima.

Slobodni elektroni nositelji su električne struje u metalima.

Elektroni se gibaju je od mjesta gdje ih ima više (negativni pol baterije) prema mjestu gdje ih ima manje (pozitivni pol baterije). Dok još nisu znali tko su nositelji naboja u metalnim vodičima, i u kojem smjeru se gibaju, znanstvenici su pretpostavili da je smjer gibanja naboja od pozitivnog pola prema negativnom polu. Pretpostavili su da se gibaju pozitivni naboji. Danas znamo, stvarni smjer gibanja elektrona suprotan je tom dogovorenom smjeru. U svakom mjestu strujnog kruga na elektrone djeluju sile upravljajući ih uvijek u istom smjeru. Elektroni su negativnog naboja, gibaju se od negativnog prema pozitivnom polu, a njihovim gibanjem prenosi se naboj strujnim krugom.

Zato tu pojavu i nazivamo električnom strujom - usmjerenim gibanjem naboja.

Brzina gibanja elektrona u vodičima je relativno mala i iznosi od ${10}^{-4}$ do ${10}^{-3}\mathrm{m/s}.$

Kako se onda žarulja u stanu ili učionici uključi trenutno, u istom trenutku kada uključimo prekidač?

Elektroni se unutar vodiča gibaju stalno, no to je gibanje gibanje u raznim smjerovima, nasumično, neusmjereno. Između polova izvora električne struje - baterije, ali i unutar vodiča, postoji električno polje. U trenutku uključivanja, kad su izvodi baterije, vodiči, sklopke i ostali elementi zatvorili strujni krug, svi se elektroni pokrenu u istom smjeru. Poticaj se iz baterije proširio do svakog mjesta u strujnom krugu.

Kutak za znatiželjne

Cijela priča o gibanju elektrona, o električnoj struji, vrlo je pojednostavnjena. Prirodne pojave imaju svoju složenu strukturu i u skladu s time složeno objašnjenje. Fizičari se zbog toga u objašnjavanju koriste pojednostavnjenim modelima, koji u mnogočemu ne odgovaraju stvarnim pojavama, ali imaju jedno ključno svojstvo. To ključno svojstvo je uočavanje važnih poveznica. Npr. u fizici i kemiji služite se modelom atoma koji kaže: atom se sastoji od jezgre u kojoj su protoni i neutroni - koje se zamišlja kao loptice. Oko jezgre kruže elektroni - opet loptice. Sam model nekog atoma prikazan je elektronima „nacrtanima" neznatno manjima od protona i neutrona. U stvarnosti je proton približno $1836$ puta veće mase od mase elektrona.

Električna struja u elektrolitima

Destilirana voda slabo provodi električnu struju. Prije smo naučili da su elektroliti dobri vodiči struje. Ako u vodi rastopimo modru galicu ${\mathrm{(CuSO}}_{\mathrm{4}}$), modra galica se razloži na ione te tada imamo elektrolit.

Vidimo da će žaruljica zasvijetliti samo onda kada je u vodi otopljena određena količina soli. Što se točno događa u elektrolitu? U vodi se modra galica razložila na pozitivne ione bakra $\left({\mathrm{Cu}}^{\mathrm{+}\mathrm{+}}\right)$ i negativne ione sulfata $\left({{\mathrm{SO}}_{\mathrm{4}}}^{\mathrm{-}\mathrm{-}}\right).$ Obje vrste iona su lako pokretljive te ih privlače elektrode koje su uronjene u elektrolit. Pozitivne ione bakra privlači negativna elektroda katoda (-), a negativne pozitivna elektroda anoda (+).

Električna struja u elektrolitima je usmjereno gibanje iona.

Zanimljivost

Ljudi su plemenite metale primijetili zbog toga što ne korodiraju. Posuđe, alat ili pak oružje izrađeno od plemenitog materijala nije podložno koroziji, trajnost mu je neograničena. Međutim, nalazišta plemenitih metala nisu brojna ni obilata. Zato ljudi pokušavaju maksimalno iskoristiti dostupne resurse. Tako je i osmišljen postupak pozlaćivanja - postupak koji „običnom" materijalu daje trajnost, dodatnu vrijednost i estetiku.

Stoljećima su se koristili razni mehanički postupci pozlaćivanja predmeta. Danas je elektrolitska pozlata najrašireniji postupak. Taj postupak istiskuje zastarjele postupke, a događa se na sljedeći način: Metal se spaja na negativni pol izvora istosmjerne struje, a zatim uranja u elektrolit koji sadržava otopine zlatne soli. Pozitivan pol spajamo na ploču od zlata ili nekoga drugoga plemenitog metala. Na kraju procesa na „običnom" se metalu nataložio sloj zlata, a što je proces dugotrajniji, sloj atoma zlata je sve deblji.

Estetsku svrhu postupka sve više zamjenjuju tehnički razlozi. Recimo, ako želimo trajni medicinski implantat ili medicinski instrument primijenit ćemo takav postupak. Isto tako svako računalo u sebi ima određenu količinu zlata - zlata koje je izvrstan vodič pa se koristi pri izgradnji elektroničkih elemenata.

Općenito, galvanizacija je elektrolitički postupak nanošenja metalnog sloja na izabrani predmet. Uronimo predmet u otopinu soli željenog metala te ga spojimo na negativni pol izvora. Kad kroz otopinu poteče struja, metalni ioni gibaju se prema predmetu (katodi) te se na površini predmeta stvara tanki metalni sloj.

Električna struja u plinovima

Jeste li kada uspoređivali običnu žarulju sa žarnom niti i fluorescentnu žarulju, poznatiju pod nazivom "neonka"?

Što mislite, gdje se nalazi žarna nit u fluorescentnim žaruljama?

Fluorescentne žarulje ispunjene su razrijeđenim plinom, a na krajevima su metalne elektrode. Kada strujni krug zatvorimo, dolazi do ionizacije čestica plina, molekule plina gube elektrone, postaju pozitivni ioni. Kako su elektroni brži i pokretljiviji od iona, zbog svoje manje mase, električnu struju u plinovima čini uglavnom njihovo gibanje, ali i gibanje iona iako u manjim iznosu. Znamo da je zrak izolator pa je zanimljivo pitanje kako tijekom oluje kroz zrak nekad poteče struja u obliku munje.

Grmljavina i munje zimi nisu čest prizor, ali su uobičajeni dio ljeta. Kada je najtoplije, najsparnije, često nastanu grmljavinske oluje. Intenzivne, burne i najčešće kratkotrajne.

Što se točno dogada?

Kako Sunce zagrijava površinu Zemlje, zagrijava se i zrak u blizini površine. Zagrijavamo li zrak, gustoća mu se smanjuje, postaje lakši pa ide uvis, pritom uporedno snažno isparava vlaga s površine tla. Kako se zagrijani, vlagom bogati zrak penje u više slojeve, dolazi u područja gdje je temperatura niža te se stvara kondenzacija i nastaju oblaci. Takvi ljetni, grmljavinski oblaci, nazivaju se kumulonimbusima. Na visinama od nekoliko tisuća metara tako je hladno da se kondenzirana vodena para pretvara u kristale leda.

Unutar oblaka nastaje jaka zračna struja, od tla prema vrhu oblaka. Struja zraka podiže vodenu paru i sitnije kristale leda. Krupnije kapljice i veći komadići leda, padaju niže. Tako nastaje trenje između čestica koje se uzdižu i onih koje padaju, dolazi do razdvajanja naboja, do elektriziranja oblaka. Gornji dijelovi oblaka postaju pozitivno, a donji negativno naelektrizirani. Slično kao kad se vunena krpica povlači po plastičnom materijalu.

Površina Zemlje je uglavnom neutralna, ali kad se nad njom nađe negativno nabijeni donji dio oblaka, naelektrizira se pozitivno. Razlika u nabojima postaje golema pa zrak u kratkom vremenu postaje vodičem te dolazi do intenzivnog, silovitog proboja naboja, naboji se izjednačavaju. Izjednačavanje naboja moguće je u kombinaciji oblak-oblak, ili u kombinaciji oblak-tlo. Munjom nazivamo iskru koja pritom nastane, a zvuk koji čujemo je grmljavina, odnosno grom.

Pokus

Zadatak za samostalni rad ili rad u paru.

Potreban pribor: ispravna neonska lampa, naelektrizirani objekt - objekt treba biti naelektriziran negativno. Može se pripremiti npr. aluminijski tanjur, stiropor i vunena tkanina. Vunenom tkaninom trljamo stiropor, a zatim pustimo da aluminijski tanjur padne na naelektrizirani komad stiropora. Dotaknemo kontaktima neonske lampe aluminijski tanjur - lampa nakratko zasvijetli.