Elektra apšviečia mūsų namus, įstaigas ir gatves, maitina įvairius mechanizmus ir transporto priemones. Ar galėtume šiandien išgyventi bent mėnesį be elektros? O kiek jūs žinote elektrą?
Jonas Grigas
Daug žmonių per šimtmečius tyrė elektrą. Rašoma, kadgraikų filosofas Talis Miletietis eksperimentuodamas su gintaru ir plunksnomis 600 m. atrado elektrą. Anglų gydytojas Williamas Gilbertas eksperimentavo su magnetais ir 1600-aisiais pavartojo terminą „electricus“ elektros krūvių apibūdinimui. Anglas Thomas Brownas knygoje „Vulgarios klaidos“ 1682 m. sukūrė terminą „elektra“. 1800 m. italų išradėjas Alessandro Volta sugalvojo, kaip iš cinko, vario ir sūriame vandenyje mirkyto kartono gaminti elektros baterijas. 1831 m. anglas Michaelas Faradėjus atrado būdą generuoti elektros srovę sukant magnetą vielos ritėje. Toliau elektros taikymai didėjo eksponentiškai.
O kas yra elektra?Ji yra visur. Kiekvienas atomas susideda iš branduolio ir aplink jį skriejančių neigiamai įelektrintų elektronų. Kai kurie iš šių elektronų yra stipriai surišti su savo atomo branduoliu, o kiti yra labiau laisvi. Kai elektronai atitrūksta nuo atomo, jis virsta jonu. Laisvi elektronai ir jonai gali judėti. Tų judančių elektronų ir jonų sukelti reiškiniai ir yra elektra.
Žaibas, sukeliamas audros debesų generuojamų elektros krūvių, yra graži elektros galios demonstracija. Vidutinis žaibas yra 3 – 5 kilometro ilgio. Žaibo energija įkaitina orą iki 30 000 laipsnių Celsijaus temperatūros, penkis kartus didesnės už Saulės paviršiaus temperatūrą. Žaibai vyksta kažkur Žemėje maždaug 44 kartus per sekundę.
Per elektros audras augalai reaguoja į audrų sukeltus elektrinius laukus, skleisdami elektros kibirkštis. Šios kibirkštys gali sukurti silpną mėlyną miglą, vadinamą korona. Jos įtakoja oro kokybę. 2022 m. tyrime, paskelbtame žurnale „Journal of Geophysical Research: Atmospheres“, mokslininkai nustatė, kad koronos gamina daug labai reaktyvių cheminių medžiagų, vadinamų radikalais. Radikalams trūksta elektronų ir jie gali pavogti juos iš netoliese esančių atomų, taip pakeisdami aplink juos esančius cheminius junginius. Jie gali pašalinti kai kuriuos kenksmingus junginius iš oro, bet ir sukurti oro teršalų.
Nervų ląstelės bendrauja elektros impulsais, kuriuos sukelia nervinių ląstelių membranų pokyčiai, leidžiantys įelektrintoms molekulėms tekėti į ląstelę ir reaguoti į cheminius signalus. Kitaip tariant, smegenys gamina savo elektros energiją.
Elektra dūzgia, nes į mūsų namus ir darbo vietas teka kintamoji srovė. Tinklo dūzgimas, kurį girdite esant šalia elektros prietaiso, iš tikrųjų yra prietaiso viduje esančio elektromagneto vibracijos šalutinis poveikis. Kintamosios srovės ūžesys skiriasi priklausomai nuo to, koks yra srovės dažnis. Vienose šalyse srovės dažnis yra 60 hercų, kitose 50 hercų, t. y. jos kryptis pakinta 50 kartų per sekundę.
Elektros suvartojimas auga.Pasaulis sunaudoja daug elektros energijos. 2019 metais pasaulinis elektros suvartojimas siekė 22 848 teravatvalandes. Teravatas yra vienas trilijonas vatų. Tarptautinės energetikos agentūros duomenimis, pramonė sunaudojo apie 41 proc. viso šio kiekio, 27 proc. – skirti naudojimui gyvenamuosiuose namuose, o komercinėms ir viešosioms paslaugoms – apie 21 proc. Likusi dalis skirta transportui, įskaitant elektromobilius, ir kitiems tikslams. Elektros suvartojimas nuolat auga. 2019 m. naudojimas buvo 1,8 proc. didesnis nei 2018 m. Kinija yra didžiausia elektros vartotoja pasaulyje, po jos seka JAV ir Indija.
Elektrą kuria ir bitės.Bičių spiečius gali šokiruoti ne tik dėl jų įgėlimų. 2022 m. spalio mėn. žurnale „iScience“ paskelbti tyrimai, kad bičių spiečius generuoja elektrinius laukus, panašius į tuos, kuriuos sukuria perkūnija. Bitės nuolat trinasi į augalų paviršius ir orą, jų sparneliai plaka šimtus kartų per sekundę. Dėl to jie generuoja elektrą. Mokslininkai išmatavo elektros krūvį šalia bičių avilių, kai spiečius pakilo ir nustatė, kad bitės gali sukurti nuo 100 iki 1000 voltų į metrą elektrinį lauką.
Po vandenyno dugnu ir po žeme sausumoje esančios geobakterijos iškvepia elektrą. Metabolinis aktyvumas generuoja elektronų perteklių. Žmonės ir kiti organizmai, gyvenantys aerobinį gyvenimo būdą, naudoja deguonį, kad jis prisijungtų prie šių papildomų elektronų ir pašalintų juos iš kūno. Tačiau anaerobiniai organizmai, kurie nenaudoja deguonies, kaip geobakterijos, 100 000 kartų plonesniais nei žmogaus plaukas vamzdeliais išstumia elektronus iš savęs į aplinką. 2021 m. mokslininkai nustatė, kad šie maži elektros laidai yra pagaminti iš baltymo citochromo. Geobakterijų kolonijos gali būti naudojamos net elektros prietaisams maitinti.
Elektros reikia ir deimantams. Deimantai gali būti geriausias merginos draugas, bet elektra yra geriausias deimantų draugas. 2021 m. mokslininkai pranešė, kad deimantams giliai Žemės mantijoje susiformuoti reikia šiek tiek elektros pagalbos. Žurnale „Science Advances“ paskelbtame tyrime paaiškėjo, kad anglis nevirsta blizgančiu deimantu be maždaug 1 volto elektros. Mantijoje išsilydžiusi uoliena gali kurti elektros krūvius. Mažytis elektrinis laukas, silpnesnis už buitinės baterijos, suteikia papildomų elektronų, kad padidėtų kristalizacijos procesas, kurio metu susidaro deimantai.
Bet yra ir kitokia elektra – statinė – elektros krūvių kaupimasis ant objekto paviršiaus. Žaibas yra dramatiškiausias ir potencialiai mirtinas debesų statinės elektros iškrovos pavyzdys. Gera jos iliustracija yra komiškai pasišiaušiantys „įelektrinanti“ plaukai. Bet kas yra ta statinė elektra ir kaip ji sukuriama?
Statinė elektra atsiranda dėl disbalanso tarp atomų neigiamai įelektrintų elektronų ir teigiamai įelektrintų protonų objekte. Teigiami ir neigiami elektros krūviai gali kauptis objekto paviršiuje, kol randa būdą išsikrauti.
Kuo skiriasi statinė ir elektros srovės elektra? Elektros srovė teka laidais ir kitais laidininkais ir perduoda energiją. Statinė elektra sukaupia elektros krūvius, kurie gali greitai judėti iš vienos vietos į kitą tik esant iškrovai. Jos perduodama energija dažniausiai yra nežymi.
Kodėl ši elektra vadinama statine? Todėl, kad elektros krūviai išlieka fiksuoti vienoje objekto paviršiaus vietoje, kol jiems atsiranda kelias ištrūkti kaip elektros iškrova.
Ekstremaliausias natūralus statinės elektros iškrovos pavyzdys yra žaibas. Taip atsitinka, kai atsiranda krūvių disbalansas tarp debesies ir žemės, pastato ar kito debesies. Indijos Bengalijoje teko stebėti fantastiškus žaibus tarp debesų sluoksnių.
Kas dar gamina statinę elektrą? Kai du objektai trinami vienas į kitą, vienas atiduoda elektronus ir įsielektrina teigiamai, o kitas surenka elektronus ir įsielektrina neigiamai. Todėl objektai įgyja vienodus tik priešingus elektros krūvius. Studijų VU laikais dirbant diplominį darbą laboratorijoje tekdavo ilgai trintis lakuotoje kėdėje prie prietaisų, o prisilietus prie jų trenkdavo elektros iškrova. Kilovoltmetru pamatavau, kad mano užpakalis įsielektrindavo iki 15 000 voltų įtampos.
Paprastai elektronų ir protonų krūviai atome susibalansuoja, todėl dauguma medžiagų yra elektriškai neutralios (išskyrus ilgai mano tirtus savaime poliarizuotus feroelektrikus ir piroelektrikus). Tačiau trynimas suteikia silpnai surištiems elektronams pakankamai energijos, kad jie atitrūktų nuo savo atomų ir prisijungtų prie kitų, judant tarp skirtingų paviršių.
Šie judrūs elektronai prisijungia prie kito objekto ir atkuria neutralaus elektros krūvio pusiausvyrą. Šiltą ir sausą dieną išlipant iš automobilio ir palietus duris arba namuose palietus metalinius daiktus gali supurtyti statinė elektra. Šukuojant plaukus, jie įsielektrina ir atsistoja. Statinė elektra gali būti nemaloni ir net pavojinga. Kaip kovojama su statinės elektros grėsme? Žaibolaidis yra metalinis vario strypas, kuris apsaugo konstrukciją nuo tiesioginių žaibo smūgių. Jis žaibo sroves nukreipia į žemę.
Užkirsti kelią statinės elektros kaupimuisi namuose galima atidarant langą, kad padidėtų drėgmės kiekis ore, arba oro drėkintuvu. Oro drėkinimas yra veiksmingas būdas pašalinti statinę elektros energiją gamybos aplinkoje.
Darbuotojai pramoninėje aplinkoje dažnai avi apsauginius batus su antistatine apsauga, kad dėl sąlyčio su grindimis nesusikauptų statinis krūvis.
Į skalbimo mašinose naudojamus audinių minkštiklius dedama antistatinių medžiagų, kad būtų išvengta statinio lipnumo.
Statinė elektra yra pavojinga pilant į orlaivį degalų. Degalų judėjimas papildymo metu gali sukurti statinį elektros krūvį, o iškrova uždegti kuro garus. Kad taip neatsitiktų, kuro užpylimo žarnos yra įžemintos.
Dėl statinės elektros televizoriaus ekranai ir kompiuterių monitoriai traukia dulkes ir nešvarumus.
Statinė elektra turi ir naudingų pritaikymų: spausdintuvuose ir kopijavimo aparatuose statiniai elektros krūviai pritraukia rašalą arba tonerį į popierių.
Statinė elektra, kaip minėta, gali būti tūkstančių voltų? Bet jos srovė labai silpna. Todėl jos galia ar energija yra nereikšminga. JAV Nacionalinės meteorologijos tarnybos duomenimis tik apie 10 proc. žmonių, į kuriuos trenkia žaibas, žūva, kitiems jis gali sukelti tik įvairią negalią.