Το ηλεκτρικό ρεύμα ⚡
Κάθε φορά που φορτίζεις το κινητό σου ή ανάβεις ένα φως, στα καλώδια συμβαίνει κάτι αόρατο: κυκλοφορεί ηλεκτρικό ρεύμα. Χωρίς αυτό, δεν θα μπορούσαμε να μετατρέψουμε τόσο εύκολα τη μια μορφή ενέργειας σε άλλη.
Σε έναν απλό φακό, η χημική ενέργεια της μπαταρίας γίνεται πρώτα ηλεκτρική ενέργεια και μετά, μέσα στον λαμπτήρα, θερμική ενέργεια που ζεσταίνει το νήμα τόσο πολύ ώστε αυτό να φωτοβολεί. Τρεις μορφές ενέργειας σε ένα μόνο αντικείμενο!
Τι υπάρχει μέσα σε ένα καλώδιο 🔬
Ένα μεταλλικό καλώδιο δεν είναι «άδειο» στο εσωτερικό του. Μέσα στο μέταλλο υπάρχουν πάρα πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αυτά δεν ανήκουν σε ένα συγκεκριμένο άτομο· μετακινούνται συνέχεια μέσα στο μέταλλο, σαν μια «θάλασσα» ηλεκτρονίων που περιβάλλει τα άτομα.
Το αν αυτά τα ηλεκτρόνια θα προκαλέσουν κάτι χρήσιμο (π.χ. να ανάψει ένας λαμπτήρας) εξαρτάται από το αν το κύκλωμα είναι κλειστό ή ανοικτό.
Όταν ο διακόπτης είναι ανοικτός
Φαντάσου ένα κύκλωμα με μπαταρία, καλώδια, λαμπτήρα και διακόπτη — σαν ένα απλό κύκλωμα με μπαταρία τσέπης. Όσο ο διακόπτης είναι ανοικτός, ο λαμπτήρας δεν φωτοβολεί. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια μένουν ακίνητα. Αντίθετα, κινούνται με τεράστια ταχύτητα, περίπου — δηλαδή πολλά εκατομμύρια μέτρα το δευτερόλεπτο! Η κίνησή τους όμως είναι εντελώς τυχαία: κάθε ηλεκτρόνιο πηγαίνει προς μια τυχαία κατεύθυνση, σαν μπάλες σε ένα φλιπεράκι που χτυπούν δεξιά-αριστερά χωρίς κοινό προορισμό. Επειδή δεν υπάρχει κοινή κατεύθυνση, δεν προκύπτει ρεύμα και ο λαμπτήρας δεν ανάβει.
Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός
Μόλις κλείσεις τον διακόπτη, κάτι αλλάζει: τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συνεχίζουν την τυχαία τους κίνηση, αλλά τώρα αποκτούν επιπλέον μια κοινή, προσανατολισμένη κίνηση προς την ίδια φορά. Η ταχύτητα αυτής της κοινής κίνησης είναι πολύ μικρή, μόλις περίπου — αργότερη κι από ένα σαλιγκάρι! Παρόλο που είναι τόσο αργή, αυτή η κίνηση αρκεί για να φωτοβολήσει ο λαμπτήρας.
Ποιος καθορίζει προς τα πού θα κινηθούν τα ηλεκτρόνια; Η πηγή (π.χ. η μπαταρία): τα ηλεκτρόνια, που έχουν αρνητικό φορτίο, απωθούνται από τον αρνητικό πόλο της πηγής και έλκονται από τον θετικό πόλο. Έτσι όλα κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση, από το − προς το +.
Ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται η προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρικού φορτίου. Σε ένα μεταλλικό καλώδιο, οι φορείς αυτού του φορτίου —δηλαδή αυτά που κινούνται προσανατολισμένα— είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια.
Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται τυχαία πάντα, ακόμη και με ανοικτό διακόπτη. Ρεύμα δημιουργείται μόνο όταν προστεθεί μια κοινή, προσανατολισμένη κίνηση πάνω σε αυτή την τυχαία κίνηση. Μην μπερδεύεις τα δύο: μόνο η προσανατολισμένη κίνηση μετράει ως ηλεκτρικό ρεύμα.
Η φορά του ηλεκτρικού ρεύματος 🧭
Είδαμε ότι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, όταν κινούνται προσανατολισμένα, πηγαίνουν από τον αρνητικό προς τον θετικό πόλο της πηγής. Θα περίμενε κανείς λοιπόν ότι κι εμείς θα λέγαμε πως το ρεύμα έχει αυτή τη φορά. Όμως δεν είναι έτσι, για έναν ιστορικό λόγο.
Πριν ανακαλυφθεί το ηλεκτρόνιο, οι επιστήμονες είχαν ήδη αποφασίσει αυθαίρετα μια φορά για το ηλεκτρικό ρεύμα. Όταν αργότερα ανακαλύφθηκε ότι στην πραγματικότητα κινούνται τα (αρνητικά) ηλεκτρόνια προς την αντίθετη κατεύθυνση, η σύμβαση δεν άλλαξε — παρέμεινε όπως είχε οριστεί αρχικά.
Το ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα καλώδιο θεωρείται ότι έχει φορά από τον θετικό προς τον αρνητικό πόλο της πηγής — δηλαδή αντίθετη από την πραγματική φορά κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων (που κινούνται από το − προς το +).
Δηλαδή έχουμε δύο «φορές» ταυτόχρονα σε ένα κύκλωμα: την πραγματική φορά κίνησης των ηλεκτρονίων (από − προς +) και τη συμβατική φορά του ρεύματος, που είναι αυτή που χρησιμοποιούμε σε σχήματα και υπολογισμούς (από + προς −).
Η πρώτη χρήση ηλεκτρικού ρεύματος στην Κύπρο έγινε το 1903, όταν εγκαταστάθηκε μία ηλεκτρογεννήτρια στη Λευκωσία για τις ανάγκες του τότε Κυβερνήτη του νησιού. Η Αρχή Ηλεκτρισμού Κύπρου (ΑΗΚ), που όλοι ξέρουμε σήμερα, ιδρύθηκε πολύ αργότερα, το 1952.