Energija IV: Elektrika, električno delo in električna energija dr. Mojca Čepič Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta, Oddelek za fiziko in tehniko S tem prispevkom zaključujem serijo člankov o energiji in komunikaciji v povezavi z njo. Ker pa področje, ki ga imenujemo »elektrika in magnetizem«, vsebuje še nekaj komuni- kacijskih zanimivosti, se nameravam na kratko posvetiti tudi njim. Začnimo z besedo »elektrika«. V predavateljske namene pogosto pokukam v Strnadov učbenik Fizika 1 in 2, ki sem ga uporabljala med lastnim študijem in je izšel leta 1978 [1]. Fizika 2 se prične z naslovom ELEKTRIKA in na nekaj več kot 150 straneh pokriva štiri področja: tok, napetost in upor; električno polje; magnetno polje; električno nihanje in elektromagnetno valovanje. Razen v naslovu se beseda »elektrika« ne pojavi nikjer več. Ni je niti na seznamu gesel. Enako je tudi v kasnejših izdajah. Na novo vpeljani pojmi, kot so električni tok, električni naboj, električni krog itd., so fiziku dobro znani in si pod njiho- vimi imeni natanko predstavlja, kaj pomenijo. Razlage besede »elektrika« pa ne najdemo. Podobno velja tudi za osnovnošolske in srednješolske učbenike. Beseda »elektrika« se kot pogovorni sinonim za električni tok v smislu »teče elektrika« pojavi v uvodih v poglavje, na nekaj mestih je pogovorno uporabljena tudi kasneje ob obravnavi tokov, kjer lahko naj- demo zapis »teče elektrika« namesto »teče električni tok«. Iz analogij z vodnimi tokovi je ohlapno omenjeno, da lahko besedo »elektrika« obravnavamo kot sinonim za »električni naboj«, saj električni tok v fiziki pomeni pretakanje naboja [3–5]. V vsakdanjem življenju je elektrika sinonim za nekaj, kar poganja električne naprave naj- različnejših vrst in/ali nas lahko »strese«. Pogovorno pravimo tudi, da za ta nekaj, torej »elektriko«, plačujemo. Nisem prepričana, da je električni naboj, kot ga razumemo fiziki, mogoče kar enačiti z laičnim razumevanjem »elektrike« kot neke snovi, ki je v hišo pritek- la po žicah podobno kot plin po plinski napeljavi, električni aparati so jo porabili in zanjo smo plačali, čeprav tako pojmovanje ponujajo učbeniki [3–5]. Bolj se mi zdi smiselno, da pri pouku fizike pojma »elektrika« sploh ne uporabljamo, da omenimo, kako je uporab- ljan v vsakdanji govorici in da ga v strokovnem jeziku ni. Fizika v šoli 59 Upodobitve v fiziki 60 Kot fiziki želimo imeti jasne predstave, kaj posamezna poimenovanja pomenijo. Naštejmo najprej fizikalne pojme, ki jih poznamo, o njihovem pomenu pa ne bomo razpravljali, če to ne bo potrebno. T orej: električni naboj e, električni tok I, gostota električnega toka j, električna napetost U, električni upor oz. električna upornost R, električno polje oziroma njegova jakost E in gostota D, električni dipol p e pa še kaj bi lahko našli. K tej zgod- bi sodijo tudi jakost H in gostota B magnetnega polja pa magnetni pretok φ m in induktivnost L ... V ektorskih znakov na simbolne oznake količin načrtno nisem pi- sala. Kaj je vsem tem pojmom oziroma fizikalnim veli- činam skupnega? Morda to, da je vsaka od njih poveza- na s premikajočimi se in/ali z mirujočimi električnimi naboji? Bi morda v fiziki lahko besedo »elektrika« kot nadpomenko uporabljali v tem smislu? Glede na pogos- tost besede v vsakdanjem besednjaku je verjetno nima smisla popolnoma izključiti iz fizikalnega besednjaka, a kot kaže predhodna analiza, pomen besede v fizikalnem besednjaku ni jasno opredeljen. V sukanju po področju naletimo še na množico različ- nih poimenovanj enakih pojmov, naletimo na predpise, ki določajo, kako smemo govoriti o fizikalnih količinah ali, kot je zapovedano in mi še vedno ne gre z jezika, veličinah [2]. Pogosto naletimo na poimenovanja, ki povzročajo težave vpeljavi konsistentne slike dogajanj v električnih krogih in obravnavi energije. Poleg tega se poimenovanja močno razlikujejo od stroke do stroke – npr. elektrotehnik se bo smejal poimenovanju »električni naboj«, zanj obstaja »elektrina«. A tudi fiziki si med seboj nismo enotni, kako poimenovati različne pojme. Naj na- vedem nekaj poimenovanj, ki jih najdemo v učbenikih. V spodnji tabeli se ne opredeljujem glede uzakonjene ali kake druge pravilnosti, le navajam poimenovanja. (a) vir električnega toka/ napetosti izvir električnega toka (b) sestavina električnega vezja (e. v.) element električnega vezja (c) napetost na sestavini e. v. padec napetosti na ... (d) upornik upor (e) upor upornost (f) upornost specifična upornost (g) pretvornik električnega dela v druge oblike energije porabnik (električne energije) (h) električno delo električna energija Na levi sem uporabila besednjak, za katerega se spomin- jam, da sta ga uporabljala prof. Ferbar in prof. Hribar pri predavanjih iz Didaktike fizike. Nekatere izraze sem v težnji po jasnem izražanju in po pogovorih z učitelji predlagala tudi sama. Pa se lotimo dogovorov po vrsti. Še najmanj se mi zdi problematična mešana raba (a) vi- rov oziroma izvirov električnega toka/napetosti. Osebno mi je bližji »vir«, ker se mi zdi, da »izvir« bolj poudarja napačno predstavo, da v viru nastajajo električni naboji. Prof. Ferbar je vztrajal (b), da so žarnica, stikalo, elek- tromotorček in podobno SESTAVINE električnega vez- ja in ne ELEMENTI. Potrebo po izključevanju besede »element« je prof. Ferbar utemeljeval z zmedo, ki v glavi mlajšega učenca nastaja, ko se pri različnih predmetih (kemija in fizika) seznanja z novo, a isto besedo, ima pa ta beseda pri vsakem predmetu drug pomen. Mi, iz- kušeni stari kozli, natanko vemo, kaj imamo v mislih, ko govorimo o elementih vezja, učencem, ki se s temi poimenovanji srečujejo prvič, pa pomaga, če so jim be- sede pomensko že znane, npr. električni krog sestoji iz naslednjih sestavin ... Delim njegovo mnenje. Napetost (c) je razlika potencialov med dvema točkama v vezju. Na srednji šoli in kasneje točki, med katerima merimo napetost, pogosto navajamo eksplicitno, kadar pa merimo napetost na sestavini vezja, pa uporabimo enostaven predlog »na«. Napetost na sestavini vezja je lahko pozitivna ali negativna, predznak pa je odvisen od tega, kako smo priključili voltmeter, ali merimo na- petost vira ali napetost na drugih sestavinah vezja, za meritev napetosti na sestavini pa je pomembna še smer toka skoznjo. Samo v zelo enostavnih enozančnih elek- tričnih krogih je vir lahko vedno pozitiven, napetost na sestavinah pa vedno negativna. Če je vezje le malo bolj zapleteno, vse napetosti na sestavinah niso nujno »padci napetosti«. Zato menim, da se je treba elektrotehniške- mu izrazu »padec napetosti« popolnoma izogniti, saj učenci ob vpeljavi električnih tokov pozitivna in nega- tivna števila ter pravila za računanje z njimi že poznajo. Seveda pa je smiselno ozaveščati, da je potencial točke za sestavino glede na neko izbrano točko v vezju vedno niž- ji od potenciala glede na isto točko pred sestavino vezja, če »za« in »pred« razumemo v smeri električnega toka skozi to sestavino. V eliko enostavnih eksperimentalnih vaj je na voljo za raziskovanje potencialnih razlik in za utrjevanje konceptov, povezanih z njimi. Naslednja triada izrazov (d)–(f) je po nepotrebnem uzakonjena [2] bolj zapleteno, kot bi bilo potrebno. Prof. Hribar je poudarjal naslednjo zvezo: UPORNIK (predmet) iz snovi z UPORNOSTJO (lastnost snovi) ... ima UPOR (lastnost predmeta) ... Formalno pravilno je treba poved zapisati takole: UPOR (predmet) iz snovi s SPECIFIČNO UPORNOSTJO (lastnost snovi) ... ima UPORNOST (lastnost predmeta) ... Osebno mi prva poved zveni enostavneje, lepše in natančneje. Kako so nastala poimenovanja in kdo je pri teh poimenovanjih sodeloval, ne vem. V starejši verziji od [2] je uradno ob- stajala celo samo »elektrina«, zato je verjetno imela glav- no besedo elektrotehnika, vpeljani pa so bili izrazi, ki so v uporabi tam. Slišala pa sem, da so močno želeli poenotiti poimenovanja – upornost, kapacitivnost in induktivnost kot lastnosti predmetov: upora, kondenzatorja in tuljave. Ali je to potrebno ali ne, ne vem, a verjetno glede tega ni Fizika v šoli 61 Upodobitve v fiziki mogoče kaj preveč storiti in moramo uporabljati zapis (d)–(f) v desnem stolpcu, tudi če nas bolita roka in uho. Posvetimo se še zadnjima (g) in (h). Običajno za sesta- vine električnih vezij, kot so žarnice, upori (uporniki) in podobno, uporabljamo generično ime »porabniki«. Kaj porabniki porabljajo, da so si zaslužili takšno ime? Elektriko, vendar, oziroma »bolj strokovno« – električ- no energijo. T oda kaj je vendar »električna energija«? Energija je lastnost predmetov. Če predmeta ne more- mo opredeliti, potem obravnavamo gostoto energije kot energijo na prostorsko enoto – v Bernoullijevi enačbi nastopa gostota kinetične in potencialne energije, pra- znemu prostoru, v katerem je električno ali magnetno polje, pa lahko pripišemo gostoto električne in magnetne energije. A električna energija določenega dela prostora, v katerem je električno polje, ni ista »električna energi- ja«, kot jo »porablja porabnik«. Sestavina vezja prejme namreč električno delo, PRET- VORI ga v notranjo energijo (npr. grelec), v svetlobo (npr. LED), v kinetično energijo (npr. mešalnik) ali kombinacijo teh energij (npr. sušilec za lase). Energijsko enačbo iz [6, 7, 8] razširimo še z eno vrsto prenosa ener- gije – z električnim delom A el . . (1) V enačbi (1) je na levi prek različnih mehanizmov, torej mehanskega dela A meh , toplote Q in električnega dela A el prenesena energija iz različnih predmetov oziroma oko- lice na predmet na desni, ki se mu je zato spremenila celotna energija za ΔW. Predmet (npr. sušilnik za lase) zato težko imenujemo porabnik, saj ničesar ne porablja, še posebej ne energije, temveč je struktura električne na- prave takšna, da pretvarja prejeto električno delo v neko drugo obliko energije in potem to energijo prek različnih mehanizmov prenaša naprej v okolico, ko npr. ogreva prostor, kuha kosilo, mesi testo ali stepa smetano. V tej luči zato predlagam naslednje – pri poučevanju fi- zike uporabljajmo zgolj in samo pojem »električno delo«, tudi pri obravnavi primerov iz vsakdanjega življenja. Namesto »porabnik električne energije« je morda bolje vpeljati pojem »pretvornik električnega dela«. Pretvorni- kom in porabnikom se s pazljivo govorico in z dejanskim poimenovanjem sestavin vezij lahko tudi popolnoma iz- ognemo. Zakaj bi moral biti problem abstrakten – ko- likšen tok teče skozi porabnik ... če je lahko vprašanje zastavljeno konkretno – kolikšen tok teče skozi likalnik? [1] Strnad, J. (1978). Fizika, 2. del: Elektrika, Optika. Ljubljana: DZS. [2] http://www.mirs.gov.si/fileadmin/um.gov.si/pageuploads/Dokpdf/Dogodki/Razno/Merske_ enote_predstavitev.pdf [3] Kuščer, I., Moljk, A. (1991). Fizika, 3. del: Elektrika, Atomika. Ljubljana: DZS. [4] Kuščer, I., Moljk, A., Kranjc, T., Peternelj, J., Rosina, M., Strnad, J. (2002). Fizika za srednje šole, III. del. Ljubljana: DZS. [5] Hribar, M., Kocijančič, S., Likar, A. in drugi (1997). Elektrika, svetloba in snov, Fizika za 3. in 4. letnik srednjih šol. Ljubljana: Modrijan. [6] Čepič, M. (2017). Energija in delo, Fizika v šoli 22(1), str. 55–59. [7] Čepič, M. (2017). Energijski zakon in primeri iz vsakdanjega življenja, Fizika v šoli 22(2), str. 54–59. [8] Čepič, M. (2018). Energija III: Toplota, delo in notranja energija. Fizika v šoli 23(1), str. 53–60.