Χημικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος
Για να μάθουμε τι συμβαίνει όταν το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από υγρά, εκτελούμε το ακόλουθο πείραμα: Συνδέουμε μια μπαταρία με ένα λαμπάκι με τέτοιο τρόπο ώστε το λαμπάκι να ανάβει. Στη συνέχεια κόβουμε σε ένα σημείο το σύρμα και βυθίζουμε τα άκρα του σε ένα δοχείο που περιέχει καθαρό νερό. Το άκρο του σύρματος που είναι βυθισμένο στο νερό και είναι συνδεμένο στο θετικό πόλο της μπαταρίας λέγεται θετικό ηλεκτρόδιο. Το άλλο άκρο που είναι βυθισμένο στο νερό και είναι συνδεμένο με τον αρνητικό πόλο της μπαταρίας λέγεται αρνητικό ηλεκτρόδιο. Παρατηρούμε ότι το λαμπάκι σταματά να ανάβει και έτσι συμπεραίνουμε ότι το καθαρό νερό δεν επιτρέπει τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος από το εσωτερικό του.
Επαναλαμβάνουμε το ίδιο πείραμα, αλλά αυτή τη φορά έχουμε διαλύσει στο δοχείο με το νερό χλωριούχο νάτριο (μαγειρικό αλάτι). Παρατηρούμε τώρα ότι το λαμπάκι ανάβει και έτσι συμπεραίνουμε ότι το διάλυμα του χλωριούχου νατρίου επιτρέπει τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος από το εσωτερικό του, δηλαδή το διάλυμα χλωριούχου νατρίου είναι αγωγός.
Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό: Ηλεκτρολύτες ονομάζονται οι ουσίες των οποίων τα υδατικά διαλύματα τους επιτρέπουν την διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος από το εσωτερικό τους. Ένα παράδειγμα ηλεκτρολύτη είναι το υδατικό διάλυμα χλωριούχου νατρίου. Άλλοι ηλεκτρολύτες είναι συνήθως τα υδατικά διαλύματα των οξέων, βάσεων και αλάτων. Τα υδατικά διαλύματα αυτών των ουσιών ονομάζονται ηλεκτρολυτικά.
Ένα ηλεκτρόνιο μετακινείται από το άτομο νατρίου στο άτομο του χλωρίου και μετατρέπονται σε ιόντα
Γιατί τα ηλεκτρολυτικά διαλύματα είναι αγωγοί; Από τη μελέτη της χημείας γνωρίζουμε ότι όταν δυο άτομα πλησιάσουν κοντά το ένα το άλλο, είναι δυνατόν ηλεκτρόνια της εξωτερικής τροχιάς του ενός να μετακινηθούν στην εξωτερική τροχιά του άλλου. Με αυτό τον τρόπο το ένα άτομο μετατρέπεται σε θετικό ιόν και το άλλο σε αρνητικό ιόν. Αποτέλεσμα τα δυο ιόντα που προκύπτουν να έλκονται μεταξύ τους με ισχυρή ηλεκτρική δύναμη. Επειδή δημιουργείται ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ του θετικού και αρνητικού ιόντος, σχηματίζουν στερεές ιοντικές ενώσεις που βρίσκονται σε κρυσταλλική μορφή.
Σε αυτές τις ιοντικές ενώσεις, επειδή βρίσκονται σε στερεά μορφή, δεν είναι εφικτή η ελεύθερη κίνηση των ιόντων. Έτσι αυτές οι στερεές ιοντικές ενώσεις δεν είναι αγωγοί, δηλαδή δεν επιτρέπουν την διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος από το εσωτερικό τους. Παράδειγμα ιοντικής ένωσης είναι το χλωριούχο νάτριο, που βρίσκεται σε κρυσταλλική μορφή. Επειδή τα ιόντα του χλωρίου και του νατρίου αλληλεπιδρούν ισχυρά, δεν έχουν την δυνατότητα να κινούνται ελεύθερα και έτσι δεν είναι αγωγός του ηλεκτρικού ρεύματος.
Διαλύοντας το χλωριούχο νάτριο σε νερό, τα μόρια του νερού παρεμβάλλονται μεταξύ των ιόντων της ουσίας και η ισχυρή ελκτική δύναμη εξασθενίζει και έτσι ο κρύσταλλος του στερεού χλωριούχου νατρίου καταστρέφεται και στο υδατικό διάλυμα τα θετικά και αρνητικά ιόντα μπορούν και κινούνται ελεύθερα μέσα σ’ αυτό.
Βυθίζοντας σε ένα ηλεκτρολυτικό διάλυμα όπως εκείνου του χλωριούχου νατρίου δυο ηλεκτρόδια που τα έχουμε συνδέσει στους πόλους μιας μπαταρίας, τα θετικά ιόντα του νατρίου έλκονται από το αρνητικό ηλεκτρόδιο (που το έχουμε συνδέσει στον αρνητικό πόλο της μπαταρίας) και τα ιόντα του χλωρίου έλκονται από το θετικό ηλεκτρόδιο (που το έχουμε συνδέσει στον θετικό πόλο της μπαταρίας). Λόγω των ελκτικών δυνάμεων που αναπτύσσονται, τα ιόντα κινούνται προς τα ηλεκτρόδια και έτσι με αυτό τον τρόπο, ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται μέσα από το διάλυμα χλωριούχου νατρίου.
Όταν από ένα ηλεκτρολυτικό διάλυμα διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα, πραγματοποιούνται διάφορες χημικές μεταβολές πάνω ή γύρω από τα ηλεκτρόδια, με την παραγωγή χημικών στοιχείων ή ενώσεων. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ηλεκτρόλυση. Πράγματι κατά τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από το διάλυμα χλωριούχου νατρίου, παρατηρείται η δημιουργία φυσαλίδων αερίου πάνω στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, ενώ το διάλυμα κοντά στο θετικό ηλεκτρόδιο θολώνει.
Κατά την ηλεκτρόλυση χημική ενέργεια αποθηκεύεται στα χημικά στοιχεία ή ενώσεων που παράγονται με τον τρόπο αυτό. Σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργειας, η χημική ενέργεια που αποθηκεύεται στα χημικά στοιχεία ή ενώσεις που παράγονται κατά την ηλεκτρόλυση προέρχεται από την ηλεκτρική ενέργεια που μεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύμα καθώς διέρχεται από το ηλεκτρολυτικό διάλυμα.
Βιολογικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος
Στο νευρικό σύστημα του ανθρώπου η διάδοση των νευρικών ερεθισμάτων πραγματοποιείται μέσω ηλεκτρικών παλμών. Επομένως διαφορές δυναμικού και ρεύματα παίζουν βασικό ρόλο στο νευρικό σύστημα του ανθρώπου. Η διάδοση των νευρικών ερεθισμάτων με ηλεκτρικούς παλμούς καθιστά τον ανθρώπινο οργανισμό ιδιαίτερα ευαίσθητο στο ηλεκτρικό ρεύμα.
Οι κίνδυνοι που διατρέχουμε από το ηλεκτρικό ρεύμα είναι οι εξής:
Α] Εγκαύματα που προκαλούνται από θέρμανση του σώματος.
Β] Βλάβες που προκαλούνται από μυϊκές συσπάσεις, όπως συσπάσεις του μυοκαρδίου.
Γ] Παρέμβαση στη λειτουργία του νευρικού συστήματος.
Όταν ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το ανθρώπινο σώμα, το είδος των αλλοιώσεων που γίνονται στον ανθρώπινο οργανισμό είναι:
Α] Ρεύματα έντασης 1 mA ουσιαστικά δεν γίνονται αισθητά οπότε δεν προκαλούν θέρμανση του σώματος.
Β] Ρεύματα έντασης 20mA είναι δυνατόν να προκαλέσουν ισχυρές συσπάσεις των μυών οι οποίες προκαλούν πόνο. Λόγω της συνεχούς σύσπασης των μυών ο άνθρωπος που βρίσκεται σε επαφή με το ρευματοφόρο αγωγό, δεν μπορεί να αποσπαστεί από αυτόν με αποτέλεσμα να πάθει ηλεκτροπληξία.
Γ] Ρεύματα έντασης 100mA είναι δυνατόν να προκαλέσουν και θάνατο καθώς παρεμβαίνουν στη λειτουργία του νευρικού συστήματος.
Η αντίσταση του ανθρωπίνου σώματος εξαρτάται από το μέρος στο οποίο μετριέται. Τα υγρά του σώματος είναι αγωγοί λόγω της ύπαρξης ιόντων και μπορεί να έχει τιμή 1,5ΚΩ. Η αντίσταση του δέρματος είναι υψηλή και μπορεί να φτάσει έως 100ΚΩ για πολύ ξηρό δέρμα. Με αντίσταση 20 ΚΩ από το νόμο του Ωμ βρίσκουμε ότι η τάση 220V του ηλεκτρικού δικτύου προκαλεί ρεύμα έντασης 11mA. Η τιμή αυτή είναι εξαιρετικά επικίνδυνη για τον άνθρωπο. Έτσι μία τάση των 220V του ηλεκτρικού δικτύου είναι επικίνδυνη. Η επαφή με γυμνά μη μονωμένα καλώδια μπορεί να προκαλέσει το θάνατο μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα. Γενικά η επαφή με τάσεις πάνω από 40V θεωρούνται επικίνδυνες.