Tak, jak ryba nie może żyć bez wody, tak i elektronika nie istnieje bez prądu!
Dziś właśnie zajmę się podstawowym zagadnieniem, jakim jest prąd elektryczny. Zastanawiasz się czym tak właściwie jest i skąd się bierze prąd elektryczny? Dlaczego żarówka podłączona do baterii świeci? Postaram się rozjaśnić Ci
to zagadnienie w tym artykule. Wpis jest kontynuacją cyklu kierowanego
do początkujących, który zapoczątkowałem notką pt. „Elektronika – jak zacząć”. Zapraszam do lektury 🙂
Czym jest prąd elektryczny?
Prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych… Tak…
Ale co to są ładunki elektryczne? Co to znaczy, że ten ruch jest uporządkowany? Trochę słabe wytłumaczenie, szczególnie dla początkującego. Spójrzmy więc
na sprawę z innej strony. W jaki sposób naocznie przekonać się o istnieniu
prądu elektrycznego, jego przepływie i efektach tego zjawiska? Tu jest już prościej. Najlepszym przykładem będą zachodzące w przyrodzie zjawiska,
takie jak zachodzące podczas burz, silne wyładowania elektrostatyczne,
czyli pioruny. Wyładowania takie powodują wydzielanie się ogromnych ilości energii – występują napięcia rzędu setek, a nawet tysięcy kilowoltów, a wartość natężenia samego prądu dochodzi do kilkudziesięciu kiloamperów!
Po burzy zawsze świeci… światło!
Dla przykładu – załóżmy, że podczas wyładowania mamy do czynienia
z napięciem 50 000 kV (pięćdziesiąt tysięcy kilowoltów, czyli aż 50 milionów woltów) i natężeniem prądu równym 50 kA (pięćdziesiąt kiloamperów).
To oznacza, że wydziela się moc równa… 2 500 000 MW! Tak, dobrze widzisz,
są to miliony megawatów (samo „mega” oznacza milion). Zaraz, zaraz… Aż tyle? Nie do końca 🙂 Z uderzeniem pioruna związana jest ogromna energia, bardzo duże napięcie i wartość prądu – to fakt. Z drugiej jednak strony pojedyncze wyładowanie może trwać krótko, bardzo krótko – ok. 100 mikrosekund.
A jedna mikrosekunda to „milionowa” część sekundy (czyli 0.000 001 s).
2 500 000 MW wydzieliłoby się w przypadku, gdy wyładowanie trwałoby
jedną sekundę, trwa ono jednak dużo krócej. W takim wypadku (biorąc pod uwagę nasz przykład) wydziela się 250 MW (czyli ok. 70 kWh). Dużo mniej, ale… Nadal dużo. Jak dużo? Posłużmy się przykładem żarówki o mocy 40W (to oznacza, że taka żarówka przez godzinę pobiera z sieci elektrycznej moc równą właśnie czterdziestu watom), możliwe, że akurat takiej używasz w swojej „lampce biurkowej”. Gdyby całą energię pioruna udało się gdzieś zgromadzić,
to moglibyśmy nią zasilać naszą lampkę przez ponad dwa miesiące. Mało, dużo? Tę kwestię pozostawiam Ci do przemyślenia. Miej na uwadze, że energia pozwalająca na zasilanie małej lampki biurkowej, jest w tym wypadku wydzielana w bardzo krótkim czasie – 100 mikrosekund, to 0.0001 sekundy.
Sęk w tym, że nie potrafimy jeszcze ujarzmić energii takiego pioruna,
nie potrafimy jej „przechwycić” i magazynować.
Podsumujmy:
- napięcie podczas wyładowania: 50 000 kV
- natężenie prądu podczas wyładowania: 50 kA
- czas trwania wyładowania: 0.0001 s
- moc (w ciągu jednej sekundy): 2 500 000 MW
- moc (w ciągu stu mikrosekund): 250 MW równa ok. 70 kWh
- moc żarówki w lampce biurkowej: 40 W
- czas działania lampki zasilonej mocą wyładowania: ok. 72 dni
Nieźle prawda? Pamiętaj, że napięcie, natężenie prądu oraz czas trwania wyładowania mogą się różnić w zależności od sytuacji.
Dane, jakie przedstawiłem potraktuj jako „przybliżone”.
Wracając jednak do sedna. Wyładowania występujące podczas burz
są przykładem, jak ogromna energia może być związana z przepływem
prądu elektrycznego i jak duża jest rola elektryczności w otaczającym nas środowisku. Posłużę się teraz innym przykładem. Wiesz już, że prąd elektryczny jest czymś naturalnym. Jest naturalny do tego stopnia, że… Sami dzięki niemu funkcjonujemy! Może niezupełnie dzięki niemu, ale nasz organizm również wykorzystuje prąd elektryczny w swoim funkcjonowaniu. Chodzi tu o neurony, które potrafią przewodzić impulsy elektryczne, przy pomocy jonów.
Tutaj sprawa jest bardziej zawiła i podaję Ci ten przykład jako ciekawostkę.
A może dioda LED?
Jak widzisz prąd elektryczny i sama elektryczność jest czymś naturalnym.
Ale czym tak właściwie jest ów prąd? Tak bardziej precyzyjnie… Wcześniej wspomniałem, że prąd elektryczny to „uporządkowany ruch ładunków elektrycznych” i tak jest w istocie. Jeśli weźmiemy jakieś źródło energii elektrycznej, np. małą baterię 1.5V i podłączymy do niej małą żarówkę,
która potrzebuje właśnie takiego napięcia do pracy, to ujrzymy efekt przepływu prądu elektrycznego – żarówka będzie świecić. Równie dobrze można wziąć jako przykład jakiekolwiek urządzenie elektryczne – mniej lub bardziej złożone.
Ja w tej chwili posłużę się przykładem prostego układu z baterią 9V,
rezystorem 150Ω i diodą elektroluminescencyjną (czyli LED).
Poniższy schemat obrazuje „o co chodzi”…
Żeby nie być gołosłownym sfilmowałem działanie tego prostego układu.
Nie będziemy teraz wnikać dokładnie „jak działa układ?”, „co to jest rezystor?”, etc. Dodam, że już niedługo opublikuję materiał, w którym przedstawię Ci,
w jaki sposób działa taki prosty układ z diodą LED i jak obliczyć rezystor potrzebny do jego prawidłowego działania. Wracając do tematu. Wiesz już
jaki jest efekt działania prądu elektrycznego – jego przepływu w obwodzie. Żarówka, albo dioda świecąca, zasilona ze źródła napięcia (u nas baterii 9V) zaczyna emitować światło. Widzisz jednak efekt – nie sam prąd. Pytanie – czy da się zobaczyć pojedyncze elektrony? Niestety nie ma takiej możliwości.
Dokąd pędzisz elektronie?
Zajmijmy się teraz ładunkami elektrycznymi i ich ruchem. W materiale,
który przewodzi prąd elektryczny, np. drucie miedzianym, podłączonym do baterii, poruszają się elektrony. Jak się pewnie domyślasz, żeby nasza poczciwa żarówka świeciła musi być zasilona, czyli musi nastąpić uporządkowany
(tzn. w określonym kierunku) ruch elektronów. W którą stronę? Biorąc baterię do ręki widzisz, że posiada oznaczenia „+” oraz „-„. Te symbole oznaczają odpowiednio dodatni i ujemny biegun elektryczny. Sprawa jest o tyle ciekawa, że… Mówi się o ruchu w kierunku (+) —> (-), czyli od bieguna dodatniego
do ujemnego, ale też o kierunku przeciwnym. Który jest właściwy?
Już wyjaśniam 🙂
Kiedyś uważano, że prąd elektryczny płynie od bieguna dodatniego (plusa)
do bieguna ujemnego (minusa). Dziś nazywamy to „umownym” kierunkiem przepływu prądu elektrycznego. Wydawałoby się logiczne, że coś porusza się
od bieguna dodatniego (wyższy potencjał) do bieguna ujemnego (potencjał niższy). W rzeczywistości jest jednak inaczej, gdyż później odkryto, że elektrony poruszają się w kierunku przeciwnym. Wynika to z tego, że mają ujemny ładunek elektryczny. Czegoś nie zrozumiałeś? Nie przejmuj się. W tej chwili wystarczy,
że zapamiętasz, iż umowny kierunek przepływu prądu elektrycznego to ten „od plusa do minusa”.
Skąd się bierze prąd elektryczny?
Z gniazdka 😀 Odpowiedź nie jest wcale taka prosta jakby mogło się wydawać. Istnieje wiele źródeł, z których możemy pobierać energię elektryczną. Wspomniane „gniazdko”, czyli tak naprawdę elektrownia, to tylko jeden z wielu przykładów. Są przecież baterie w pilocie do telewizora, akumulatory
w samochodach, dynamo w rowerze i wiele innych. Mamy mnóstwo sposobów na wytwarzanie, przesyłanie i magazynowanie energii elektrycznej – mnóstwo odpowiedzi na pytanie „skąd się bierze prąd elektryczny”. Postaram się przybliżyć kilka możliwości.
Po pierwsze elektrownie, czyli miejsca, z których pochodzi nasz „prąd
w gniazdku”. Elektrownia jest miejscem, gdzie z pomocą odpowiednich
procesów przetwarzania wytwarza się energię elektryczną. Z czego wytwarza się tę energię? Tak naprawdę… Z innych rodzajów energii, stąd użyłem zwrotu „procesy przetwarzania”. Mamy elektrownie, tzw. „konwencjonalne”,
czyli korzystające z węgla czy też procesów rozszczepiania jąder atomów uranu, elektrownie jądrowe. W elektrowniach tych wykorzystuje się wspomniane surowce do wytwarzania ciepła – ogrzewana jest woda, wskutek czego powstaje para wodna napędzająca turbinę, która z kolei napędza generator. To tak w dużym skrócie.
Zróbmy małą dygresję. Jak to się dzieje, że obracające się turbiny pozwalają (we współpracy z innymi elementami) wytwarzać energię elektryczną? Jeśli posiadasz multimetr i zbędny wentylator komputerowy, to możesz zrobić mały eksperyment. Musisz podłączyć multimetr do wentylatora. Ustawić pomiar napięcia i zacząć kręcić wentylatorem. Wskutek tego powinno pojawić się napięcie. Możesz też dołączyć rezystor i sprawdzić wartość płynącego prądu. Pamiętaj o odpowiednim podłączeniu multimetru! Jeśli nie wiesz, w jaki sposób podłączyć go prawidłowo, to już wkrótce pojawi się artykuł na ten temat.
Teraz już „czujesz”, w jaki sposób można wytwarzać energię elektryczną
(co za tym idzie „skąd bierze się prąd”)? W podobny sposób działa dynamo
w rowerze czy elektrownia wiatrowa. Innym sposobem na pozyskanie
prądu elektrycznego (właściwie to energii elektrycznej) jest użycie ogniw galwanicznych potocznie nazywanych… bateriami. W tym wypadku
korzystamy z reakcji chemicznych zachodzących wewnątrz.
Dlaczego żarówka świeci?
Rozumiesz już, że efektem działania prądu elektrycznego może być świecenie żarówki. Bateria o napięciu 1.5V zasila żarówkę, a właściwie „żaróweczkę”,
która potrzebuje właśnie takiego napięcia. Podobnie jest z żarówkami,
które oświetlają domy. Ale jak to właściwie jest? Dlaczego żarówka świeci? Przecież zwykły drut miedziany podłączony do baterii nie będzie emitował światła… Ano właśnie. Wewnątrz żarówki jest drucik – pręt zbudowany z wolframu. Wysoka temperatura topnienia owego pierwiastka (3422 °C)
pozwala na używanie go w temperaturach, jakie panują we wnętrzu żarówki, podczas świecenia. Podłączamy żarówkę do zasilania, przez wolfram zaczyna płynąć prąd. Wolfram stanowi dla prądu opór, rezystancję. Intuicyjnie – utrudnia on przepływ elektronów – wytwarza się ciepło (elektrony muszą się bardziej „spocić” żeby przecisnąć się przez pręt). Wskutek tego pręt się rozgrzewa
do naprawdę wysokiej temperatury i zaczyna emitować światło. Mam nadzieję, że czujesz, o co chodzi. Chciałem wytłumaczyć Ci to jak najprościej (trochę „naciągałem” – pamiętaj, że elektrony się nie pocą 🙂 ).
Podsumowanie
To już koniec na dziś. Jeśli nie zrozumiałeś wszystkiego – nie martw się.
Na tę chwilę wystarczy Ci, że będziesz „czuł” czym jest prąd elektryczny
i pamiętał, że umownie zakładamy, iż płynie on od bieguna dodatniego
do bieguna ujemnego. Od plusa do minusa. Jeśli w którymś miejscu popełniłem błąd, albo z czymś się nie zgadzasz – pisz w komentarzu.
Wpis Ci się spodobał? Kliknij „Lubię to!” (ikona pod artykułem). Zapraszam też do polubienia profilu elektroniczny.eu na Facebooku.
Zdjęcie: Andreas. / Foter / CC BY-SA