Bežne rozšírené mylné predstavy o elektrónoch a „elektrine“.
Mýliť sa je ľudské, ale zostávať v omyle je zbytočné a hlúpe.
Mnohí si asi pamätajú búrlivé diskusie odporcov jadrovej energie (keď z jadrových elektrární na Slovensku svietila každá druhá žiarovka) a tiež bizarnú situáciu (ktorá bola tuším aj v slovenskej televízii), keď jedna známa a vtedy veľmi populárna pani na otázku odkiaľ bude mať elektrinu odpovedala „veď predsa zo zástrčky...“
Kým to hovoria ľudia od ktorých nezávisia vážne rozhodnutia tak to môže byť akceptované, horšie je keď je to tak ako dávno povedal veľký francúzsky mysliteľ Voltaire:
"Je nebezpečné mať pravdu vo veciach, v ktorých sa etablovaní muži mýlia." - Voltaire (1752).
Veď aj rôzni politickí predstavitelia štátov EÚ niekedy vykrikujú že nechcú „tú rádioaktívnu elektrinu z Bohuníc, Mochoviec či Temelína, alebo z Dukovian“
Ako to teda vlastne je?
Každý sa môže mýliť, je to „ľudské“. Samozrejme že taktiež nikto nemá rád byť kritizovaný, alebo keď sa mu iní smejú že tomu nerozumie (inými slovami „že je hlúpy“). Ale zostávať v omyle je zbytočné a môže byť dokonca niekedy aj nebezpečné. Riešením teda nie je ignorovať naše nepohodlie a predstierať, že elektrine rozumieme, ale riešením je konfrontovať zdroj nášho nepohodlia. Ak nemáme správne informácie, alebo ak im nerozumieme, či ich považujeme za mätúce, je to preto, že naše sú v nás samotných mylné predstavy a bránia nám spoznať realitu.
Zbavme sa mylných predstáv a stratíme zmätok.
Aké sú najčastejšie mylné predstavy o elektrine?
Nech sa páči tu je zoznam:
1. Všetky elektrické prúdy sú toky elektrónov. (Nesprávne).
2. „Elektrina“ je vyrobená z elektrónov, nie z protónov. (Nie).
3. Elektróny sú druh energetických častíc. (Nesprávne).
4. "Elektrina" nesie nulovú hmotnosť, pretože elektróny majú malú hmotnosť. (Nie).
5. Kladný náboj je v skutočnosti len strata elektrónov. (Nesprávne).
6. Pozitívny náboj nemôže prúdiť. (Úplne zle).
7. Aby sme vytvorili "statický" náboj, pohybujeme elektrónmi. (Nie vždy).
Všetkých týchto sedem tvrdení je mylná predstava.
1. Tvrdenie: Všetky elektrické prúdy sú toky elektrónov?
Realita: Nesprávne.
Elektrické prúdy nie sú vždy toky elektrónov, môžu to byť toky akéhokoľvek typu elektrického náboja. Typ nosiča náboja závisí od typu vodiča. Protóny aj elektróny majú presne rovnaké množstvo „elektriny“. Ak prúdia protóny alebo elektróny, je to elektrický prúd. Áno, v pevných kovoch prúdia elektróny. To však nemusí platiť pre iné typy vodičov. Napríklad v slanej vode, vo fluorescenčných žiarovkách, v špine a v ľudských telách môžu prúdiť atómy s extra protónmi a tento tok je skutočný elektrický prúd. Alebo v kyseline batérie, membránach palivových článkov a v pevnom ľade je elektrický prúd vlastne tok kladných vodíkových iónov, nazývaných tiež jednotlivé protóny.
2. Tvrdenie: "Elektrina" je vyrobená z elektrónov, nie z protónov?
Realita: Nie.
Náboje „elektriny“ nesú elektróny aj protóny. Tieto dva typy častíc majú veľmi rozdielnu hmotnosť (hmotnosť), ale obe majú presne rovnaké množstvo elektrického náboja. Elektróny sa dajú odstrániť z atómov ľahko, zatiaľ čo protóny sú zvyčajne „prilepené“ k iným protónom, ale to neovplyvňuje množstvo náboja, ktoré protóny nesú. Ak odstránime elektrón z neutrálneho atómu, v tomto atóme zostane príliš veľa protónov, a to je jediný dôvod, prečo má atóm prebytok kladného elektrického náboja. (Predstavte si atóm vodíka, potom odstráňte elektrón. Je to čistý protón!) Pozitívny náboj nie je „len nedostatok elektrónov“, (pozrite si bod č.5 nižšie). Namiesto toho všetky kladné náboje v objektoch a v obvodoch vytvárajú protóny. Odstránenie elektrónu len odhalí kladný náboj, ktorý už bol skrytý v neutrálnom atóme. (Premýšľajte zjednodušene napríklad takto: neutrálne atómy sú vyrobené zakejsi „zrušenej elektriny“, z rovnakých kladných a záporných pólov. Ak sa protóny nerovnajú elektrónom, potom budeme mať nejakú „nezrušenú elektrinu“ spôsobenú buď príliš veľkým počtom kladných protónov. alebo príliš veľa negatívnych elektrónov.)
3. Tvrdenie: Elektróny sú druh energetických častíc?
Realita: Nesprávne.
Elektróny a protóny sú hmota, nie energia. Tok elektrónov NIE JE tok energie, je to tok hmoty a tok elektrického náboja. To isté platí pre protóny: v kyselinách sú pohybujúce sa protóny elektrickým prúdom, ale sú tiež skutočným tokom hmoty. A čo je najdôležitejšie: ak máte na jednom mieste určité množstvo náboja, nebudete mať ani potuchy o množstve prítomnej energie. Náboj totiž nie je energia! A ak náboj prúdi pozdĺž, nebudete vedieť nič o smere alebo rýchlosti toku energie.
Jednotky “Coulomby“ nie sú „Jouly“, taktiež ako „Ampéry“ nie sú „Watty“ a znalosť množstva náboja vám nehovorí o množstve prítomnej energie.
Pohybujúci sa elektrón so sebou nenesie elektrickú energiu, rovnako ako pohybujúca sa molekula vzduchu so sebou nesie zvukovú vlnu. Náboj je totiž „médium“ a elektrická energia je „energia vĺn“. Náboj sa môže kývať tam a späť, zatiaľ čo elektrická energia prúdi iba dopredu. Náboj sa môže pohybovať pomaly, zatiaľ čo energia sa približuje rýchlosťou svetla.
4. Tvrdenie: "Elektrina" nesie nulovú hmotnosť, pretože elektróny majú malú hmotnosť?
Realita: Nie
Veličiny "Elektriny" (čo znamená náboj) majú váhu, pretože náboj je súčasťou častíc hmoty. Tok náboja vždy vyžaduje tok nosných častíc, takže elektrický prúd musí vždy niesť hmotu so sebou. Elektrické prúdy v drôte nie sú tokom energie, sú tokom elektricky nabitej hmoty. Iónové prúdy v galvanizačnom kúpeli sú tokom značného množstva hmoty: elektrické prúdy môžu transportovať materiál a ukladať hmotu na elektródy. V bežných okruhoch si však pohybujúcu sa hmotu všimneme len zriedka. Sú na to dva dôvody:
· Prúdenie je kruhové, takže elektrický prúd nemusí nikde vytvárať extra hmotu.
· Po druhé, tok je veľmi pomalý, takže aj keby prúd pohyboval obrovským množstvom hmoty, nikdy by sme si to nevšimli.
5. Tvrdenie: Kladný náboj je naozaj len strata elektrónov.
Realita: Nesprávne.
Pozitívny náboj nie je vyrobený z „chýbajúcich elektrónov“. Kladný náboj je sám osebe originálnym typom náboja. Vezmite si napríklad neutrálny atóm vodíka, odstráňte jeden elektrón a teraz máme kladný náboj: jediný osamelý protón.
Teda žiadne „chýbajúce elektróny“. Áno, kedykoľvek sú protóny a elektróny blízko seba, dá sa povedať že ich náboje sa zrušia. Odstránenie elektrónov z neutrálnej hmoty odhaľuje náboj na protónoch, a to je pravdepodobne miesto, odkiaľ táto konkrétna mylná predstava pochádza. Neutrálne materiály obsahujú "zrušené" protóny a elektróny v rovnakých množstvách. Pretože neutrálne atómy dostávajú kladnú nerovnováhu náboja, keď sú ich elektróny odstránené, zdá sa, ako keby bol kladný náboj nič iné ako chýbajúce elektróny. Ale toto je nesprávne. Protóny tam už boli, len skryté. Odstránenie elektrónov ich práve zrušilo. Ak máme hŕstku protónov, máme hŕstku kladného náboja. Protón nie je chýbajúci elektrón, rovnako ako elektrón nie je „chýbajúci protón“. A čo je najdôležitejšie: ak máme vákuum (ktoré obsahuje iba „chýbajúce elektróny“), neznamená to, že sú prítomné kladné náboje. Vákuum nie je kladne nabité, aj keď je vákuum plné chýbajúcich elektrónov! V obvodoch (a v každodennej hmote), aby sme mali kladné náboje, musíme mať protóny.
6. Tvrdenie: Pozitívny náboj nemôže prúdiť?
Realita: Úplne zle.
Elektrické prúdy v pevných kovových drôtoch sú toky elektrónov, ale v mnohých iných materiáloch môžu prúdiť kladné aj záporné náboje. Všetko závisí od typu vodiča.
Napríklad, keď dostaneme elektrický šok, cez naše telo nepretekajú žiadne elektróny. Elektrický prúd v našich tkanivách je tvorený kladne nabitými atómami prúdiacimi jedným smerom a záporne nabitými atómami prúdiacimi druhým smerom.
To isté platí pre elektrické prúdy v slanej vode, v zemi a v elektrolyte batérie. Keď vaša autobatéria dodáva 300 ampérov do štartovacieho motora, cez kyselinu batérie prúdi 300 A v hodnote +H iónov (čisté protóny) plus malé množstvo negatívnych sulfátov prúdiacich opačným smerom. Plazmy môžu mať tiež pozitívne iónové prúdy, ako aj negatívne toky elektrónov: príkladmi sú neónové nápisy, fluorescenčné svetlá, blesky fotoaparátov a iskry všetkého druhu. (Vo vodíkovej plazme prúdia protóny jedným smerom a elektróny druhým.) V tekutých kovoch je zase hlavnou časťou elektrického prúdu prúd elektrónov, ale pohyblivé kladné ióny kovov prúdia aj v opačnom smere, čo spôsobuje prúdenie tekutín pri vysokých ampéroch. Existujú dokonca niektoré typy vodičov, kde celý prúd je tok kladných vodíkových iónov, +H iónov, inak známych ako protóny. Jedným z bežných „protónovým vodičom“ je ľad. Iné protónové vodiče sa používajú ako tuhé-kyselinové elektrolyty v exotických batériách a v poslednom čase sa používajú ako protónovo vodivé pevné elektrolytové membrány v palivových článkoch.
7. Tvrdenie: Aby sme vytvorili "statický" náboj, prenášame elektróny?
Realita: Nie vždy.
"Statické" alebo nevyvážené náboje môžu vzniknúť odstránením elektrónov z neutrálneho atómu. Môžu byť tiež vytvorené pridaním alebo odstránením nabitých atómov z objektu a odstránené ióny môžu byť negatívne alebo pozitívne ióny. Dokonca je možné pridať alebo odstrániť „holé“ protóny z niektorých materiálov (napokon, protóny sú rovnaké ako H+ kladne nabité atómy vodíka prítomné v akejkoľvek kyslej povrchovej vrstve.) Ak máme napríklad nejakú kladne nabitú vodu, alebo ľad, alebo kyselinu, potom pravdepodobne máme príliš veľa holých protónov (príliš veľa H+ iónov, málo -OH iónov na neutralizáciu každého protónu.)
Existujú aj ďalšie mylné predstavy, napríklad:
Tvrdenie: „Elektróny“, ktoré tečú v drôtoch dodávajú generátory, alebo batérie (teda môžu byť zrejme rádioaktívne).
Realita: Nesprávne.
Elektrické prúdy v drôtoch sú síce tokom elektrónov, ale tieto elektróny nie sú dodávané ani z batérií a ani z generátorov. Generátory „negenerujú“ žiadne elektróny. Namiesto toho elektróny pochádzajú z drôtu.
V medenom drôte dodávajú atómy medi prúdiace elektróny. Elektróny v obvode tam boli už pred pripojením k batérii či ku generátoru. Elektróny tam boli dokonca ešte predtým, ako sa táto meď ťažila a vyrábali z nej drôty! Batérie a generátory tieto elektróny nevytvárajú, iba ich „pumpujú“ a elektróny pôsobia kvázi ako už „existujúca tekutina“, ktorá sa vždy nachádza vo všetkých drôtoch. Aby sme porozumeli elektrickým obvodom, musíme pochopiť, že všetky vodiče (teda drôty) nie sú ako duté rúry. Sú bez nejakých povolených bublín.
Aby ste to ľahšie objasnili zoberieme príklad generátora a batériu teraz vynecháme (lebo je pre tento náš prípad zložitejšia).
Všetci zrejme poznáme dynamo, ktoré sa kedysi používalo na bicykloch. Je to vlastne maličký jednoduchý generátor. Dynamo (generátor) krúti koleso (turbína) a tak je zdroj energie. A odtiaľ presne pochádza aj prúdiaca „elektrina“ vždy, keď dynamo (generátor) napája žiarovku.
Dynamo (generátor) totiž obsahuje cievku a niekoľko magnetov. Keď sa točí, prijíma elektróny z jedného terminálu a súčasne ich "vypľuje" druhým terminálom. Zároveň generátor "tlačí" elektróny cez rotujúcu cievku drôtu vo svojom vnútri. Posúva ich aj cez zvyšok okruhu. Odkiaľ sa teda tieto elektróny vzali? Na rozdiel od situácie s obvodom napájaným z batérie tu máme len drôty. Vo vnútri generátora je len viac drôtov.
Kde je teda zdroj tejto prúdiacej "elektriny?"
Keď do obvodu zahrnieme generátor, zistíme, že obvod je súvislá uzavretá slučka a nemôžeme nájsť jediné miesto, kde vznikajú množstvá „elektriny“. Dynamo (generátor) je ako čerpadlo s uzavretým okruhom, ale nedodáva čerpanú látku. Tá "látka" bola celý čas vo vnútri drôtov.
Takto sa správajú aj batérie. Kvapalina medzi doskami batérie je elektrolyt a elektrolyty sú vodiče plné pohyblivých nábojov. Niektoré batérie obsahujú kyselinu, iné sú alkalické batérie a ďalšie používajú vodivú slanú vodu. Pretekajúce náboje prechádzajú cez batériu a vo vnútri sa nehromadia žiadne náboje. (Alebo lepšie, mali by sme povedať, že vlastné náboje elektrolytu môžu byť resp. sú nútené prúdiť.)
"Batérie a generátory teda spôsobujú tok elektrického náboja." No a na doplnenie obrazu je treba vnímať, že vlastne všetky vodiče sú vždy plné pohyblivého náboja. Teda to je vodič, to je ten materiál, ktorý obsahuje pohyblivý náboj.
Je to podobne ako v našom tele – batéria, alebo generátor je ako naše srdce: hýbe našou krvou, ale nevytvára krv. Keď sa generátor zastaví alebo keď sa otvorí kovový okruh, všetky elektróny sa zastavia tam, kde sú, a drôty zostanú naplnené elektrickými nábojmi. Ale to nie je nič neočakávané, pretože drôty boli vždy od samého začiatku plné obrovského množstva náboja.
A to už nehovoríme navyše o tom, že medzi elektrárňou a prenosovou sústavou je transformátor, a taktiež že ešte ďalší transformátor je na strane medzi prenosovou a rozvodnou sústavou. Takže o nejakých rádioaktívnych elektrónoch nemôže byť ani reči. Lenže to zrejme na zanietených odporcov (napríklad politikov) asi neplatí. Je zbytočné presviedčať niekoho, kto už vopred nechce byť presvedčený.
Ďalšie všeobecné nepochopenie je že "ELEKTRINA" je fenomén zložený z energie. Nie je to správne vnímanie.
Štúdium elektrických javov siaha až do staroveku, teoretické porozumenie postupovalo pomaly až do 17. a 18. storočia. Ale je to paradoxné, a pre mnohých bude asi až neuveriteľné, ale v skutočnosti technický termín "elektrina" neexistuje!
Pojem „elektrina“ je všeobecné slovo s mnohými významami. Bohužiaľ, tieto významy sú protichodné a odborníci sa nezhodujú v tom, ktorá z nich je štandardná definícia používaná vo fyzike. To vedie k znepokojujúcemu faktu, že neexistuje jediná látka alebo energia nazývaná „elektrina“. Keď hovoríme „množstvo elektriny“, môžeme hovoriť o množstve nabitých častíc. Môžeme však hovoriť aj o množstve energie, množstve prúdu alebo potenciálu, silách, poliach, čistom náboji, výkone alebo dokonca o elektrických javoch. Všetky z nich sa nachádzajú ako samostatné slovníkové definície slova „elektrina“. Ale prúd nie je výkon, častice nie sú polia a náboj nie je energia. „Množstvo elektriny“ je nezmyselný pojem kvôli protichodným definíciám slova „elektrina“. Elektrina je vlastne pomenovanie súboru fyzikálnych javov spojených s prítomnosťou a pohybom hmoty s elektrickým nábojom.
Elektrina súvisí s magnetizmom, pričom obe sú súčasťou fenoménu elektromagnetizmu (opísané v Maxwellových rovniciach). S „elektrinou“ ale súvisia v našich životoch bežné javy, vrátane bleskov, statickej elektriny, elektrického ohrevu, elektrických výbojov a mnohých ďalších. Napríklad že prítomnosť kladného alebo záporného elektrického náboja vytvára elektrické pole. Alebo, že pohyb elektrických nábojov je elektrický prúd a vytvára magnetické pole. Vo väčšine aplikácií určuje silu pôsobiacu na elektrický náboj Coulombov zákon. A elektrický potenciál je skalárna fyzikálna veličina, ktorá popisuje potenciálnu energiu jednotkového elektrického náboja v nemennom elektrickostatickom poli.
Veľká časť tohto problému by zmizla, keby sme slovo „elektrina“ používali len na označenie oblasti vedy alebo triedy javov.
Toto je spôsob, akým používame slová „fyzika“ alebo „optika“ a nikdy sa nepokúšame merať množstvo „optiky“. Ak by sme sa potom potrebovali dostať do detailov, nikdy by sme nediskutovali o „elektrine“. Namiesto toho by sme použili slová ako „náboje“, „energia“, „prúd“ atď.
Slovo „elektrina“ by týmto spôsobom bolo používané iba príležitostne. Ale sami si to kazíme - keď napríklad učíme naše deti, keď im hovoríme, že „elektrina tečie v drôtoch“ alebo že „žiarovky premieňajú elektrinu na svetlo“. A ak ste čítali pozorne, zistili ste že aj ja sám som v článku použil tento výraz „elektrina“. Proste je to v nás..
Niektorí by však mohli namietať – „A čo slovníky“?
Tu by sme (z technického, vedeckého hľadiska) mali byť opatrní, a nie vždy slovníkom slepo dôverovať. Slovník totiž iba nevinne zaznamenáva slová, ktoré ľudia používajú. Slovníky nie sú vždy vedecké odkazy. A pokiaľ ľudia budú stále používať slovo „elektrina“ zavádzajúcim a protirečivým spôsobom, potom budú aj slovníky stále obsahovať protichodné definície.
V tejto súvislosti si spomínam na výstižný vtip.
Vo Francúzsku sa v posledných rokoch výrazne rozmohlo hnutie ľudí z mesta kupovať si na dedine chalupu. Nakoniec aj pandémia Covidu tomu tiež pomohla. No ale po čase sa stalo že noví majitelia sa stali na starousadlíkov sťažovať, pretože im začali vadiť smrady z hnojísk, ranné kikiríkanie, či bučanie kráv a podobne.
Končilo to až na súdoch. Ale Francúzi ako vyznávači slobody nevedeli ako ďalej. Nakoniec to vyriešil francúzsky parlament, ktorý prijal zákon o tom že tieto prirodzené veci nemôžu byť zákonne napadnuteľné.
V tejto súvislosti vtedy jeden z francúzskych humoristických časopisov opublikoval kreslený vtip na ktorom bol tradičný sedliak v zablatených čižmách a moderne oblečený aktivista, protestujúci proti jeho farme s transparentom nad hlavou. A sedliak sa ho pýta: „A kde budeš chcieť zohnať zemiaky?“ A aktivista mu dopovedá: „Ja zemiaky vôbec nepotrebujem, lebo ja jem iba hranolky!“
