Elektros grandinė. Elektros srovės kryptis grandinėje

Elektros srovės šaltiniai (elektrinės, baterijos, akumuliatoriai) gamina elektros energiją, o ją naudoja įvairūs prietaisai ir įrenginiai, dar vadinami elektros energijos imtuvais. Paprastesni elektros energijos imtuvai – elektros lemputė, elektrinė viryklė, lygintuvas, sudėtingesni – televizorius, elektros variklis, kompiuteris, sudėtinga automatinė linija. Pavyzdžiui, automobiliuose elektros srovės šaltiniai yra akumuliatorius ir generatorius, o imtuvai – variklio paleidimo, maitinimo, aušinimo, apšvietimo, saugos ir kitos sistemos. Elektros energija iš srovės šaltinių imtuvams perduodama laidais, o jos tiekimas reguliuojamas jungikliais. Elektros srovės šaltinis, elektros energijos imtuvai, jungiamieji laidai, jungikliai sudaro elektros grandinę (2.3.1 pav., a). Pagrindinė elektros grandinės paskirtis – perduoti elektros energiją iš srovės šaltinio elektros energijos imtuvui.

Elektros grandinės gali būti matomos, gali būti ir paslėptos. Jungdami elektros grandines matote ir liečiate elektrinius prietaisus, jungiamuosius laidus (2.3.1 pav., a). Mobiliojo telefono, kompiuterio, gyvenamojo būsto elektros grandinės arba jų dalys dažniausiai būna paslėptos – įmontuotos prietaiso korpuse ar pastato sienose (2.3.1 pav., b).

Elektros grandinė gali būti uždaroji (2.3.2 pav., a) ir atviroji (2.3.2 pav., b).

Nuolatinė (nekintanti) elektros srovė gali tekėti tik uždarąja grandine. Išjungti elektros grandinę paveiksle (2.3.2 pav., b) pavaizduotu būdu būtų nepatogu (kartais – ir nesaugu), todėl elektros grandinės valdomos – atidaromos ir uždaromos – jungikliais (2.3.2 pav., c). Išjungus jungiklį elektros grandinė tampa atvira. Elektros srovė negali ja tekėti, todėl elektros lemputė užgęsta (2.3.2 pav., c). Elektros srovė nustoja tekėti grandine ir tada, kai kurioje nors vietoje nutrūksta jungiamieji laidai.

Įjungus elektros grandinės jungiklį elektrinis laukas grandinės laidais išplinta šviesos greičiu (300 000 km/s). Jis priverčia judėti laisvuosius elektronus iš karto visuose laidininkuose – grandinėje atsiranda elektros srovė, o elektriniai prietaisai pradeda veikti (2.3.3 pav., a). Laisvieji elektronai uždarojoje elektros grandinėje juda ratu. Jų judėjimą galima tapatinti su žmogaus bėgimu ratais stadione (2.3.3 pav., b). Anglų kalba elektros grandinė – circuit. Ši sąvoka kilusi iš anglų kalbos žodžio circle, kuris reiškia ratą. Uždaroji grandinė atitinka ratą, o atviroji – neužbaigtą apskritimą.

Piešti elektros grandines nepraktiška, nes tam reikia daug laiko. Be to, neįmanoma sudėtingų elektros grandinių pavaizduoti paprastais piešiniais. Todėl elektros grandines priimta vaizduoti elektrinėmis schemomis (2.3.4 pav.). Elektrinė schema – tai brėžinys, kuriame sutartiniais ženklais pažymėti elektriniai prietaisai ir jų jungimo būdai. Norint nubraižyti arba perskaityti elektrinę schemą reikia žinoti sutartinius elektrinių prietaisų ir jų jungimo būdų ženklus. Kai kurių prietaisų sutartiniai ženklai pateikti 2.1 lentelėje.

Elektros srovės kryptimi priimta laikyti kryptį iš teigiamojo šaltinio poliaus į neigiamąjį (2.3.6 pav.). 

Vis dėlto elektronai elektros grandinėje juda priešinga kryptimi. Siekdami suprasti šiuos procesus turime prisiminti medžiagos sandarą. Kai jungiklis išjungtas, laidininko atomai yra neutralūs (2.3.7 pav., a). Įjungus jungiklį laidininke atsiranda elektrinis laukas, nukreiptas iš srovės šaltinio teigiamojo poliaus link neigiamojo. Šio lauko veikiami elektronai pradeda judėti teigiamojo šaltinio poliaus kryptimi (2.3.7 pav., b). Pavyzdžiui, pirmo atomo elektronas atitrūksta ir juda teigiamojo šaltinio poliaus kryptimi. Pirmas atomas virsta teigiamuoju jonu. Tada prie jo prisijungia antro atomo elektronas. Pirmas atomas vėl virsta neutraliuoju atomu, tačiau antras atomas virsta teigiamuoju jonu ir taip toliau (2.3.7 pav., b). Elektronai paveiksle juda į viršų, o jonai – žemyn.

Elektronų judėjimo krypties ir srovės tekėjimo (teigiamųjų jonų judėjimo) krypties modelį galima sukurti ir klasėje. Mokiniai turėtų atlikti elektronų vaidmenį, suolas su jame sėdinčiu mokiniu – neutraliojo metalo atomo vaidmenį, o tuščias suolas – teigiamojo jono vaidmenį. Pirmas mokinys turėtų palikti pirmą suolą ir nueiti prie lentos (lenta atliktų šaltinio teigiamojo gnybto vaidmenį). Pirmas suolas liktų tuščias – atstotų teigiamąjį joną. Tada antras mokinys iš antro suolo turėtų persėsti į pirmą suolą. Pakeisdamas padėtį jis pasislinktų lentos kryptimi. Atsilaisvinęs antras suolas atliktų teigiamojo jono vaidmenį. Vadinasi, teigiamasis jonas būtų pasislinkęs į klasės galą (lentai priešinga kryptimi). Taip toliau persėsdami mokiniai judėtų link lentos, o suolai atsilaisvintų klasės galo kryptimi.

Painiava tarp elektronų judėjimo krypties ir elektros srovės krypties atsirado vystantis fizikos mokslui. XVIII a. tyrinėdamas kūnų įsielektrinimą B. Franklinas iškėlė hipotezę, kad kūnai pripildyti kažkokio skysčio. Jis pastebėjo, kad stiklinis vamzdelis, patrintas į medžiagą, įgyja naują savybę – palietus jį pajuntama elektros iškrova. Stikliniame vamzdelyje esantį skystį (dabar mes žinome, kad tai statinis elektros krūvis) B. Franklinas pavadino teigiama (positive) elektra, o esantį žmogaus rankoje – neigiama (negative) elektra. Remdamasis analogija su vandens tekėjimu iš didesnio slėgio srities į mažesnio slėgio sritį B. Franklinas teigė, kad elektra turi tekėti iš vamzdelio (kur elektros daugiau) link žmogaus rankos (kur elektros mažiau).

1906 m. britų fizikas Džozefas Džonas Tomsonas (Josepf John Thomson, 1856–1940) gavo Nobelio premiją už elektronų atradimą. Atradus elektronus paaiškėjo, kad jų judėjimo kryptis yra priešinga B. Franklino pasiūlytai elektros srovės krypčiai. Elektronai, kurių kryptingas judėjimas ir yra elektros srovė, juda iš neigiamojo šaltinio poliaus į teigiamąjį. Vis dėlto buvo nuspręsta nekeisti nusistovėjusios taisyklės: elektros srovės kryptimi laikoma kryptis iš teigiamojo šaltinio poliaus į neigiamąjį.