Dlaczego elektrony nie uciekają do ziemi?


Dzień dobry!

Po moim ostatnim artykule zatytułowanym ,,Dlaczego N’ka nie kopie? (i czemu nie warto w to wierzyć)” otrzymałem szereg pytań na temat tego dlaczego elektrony nie uciekają uziemieniem do gruntu. Bynajmniej nie jest to pytanie głupie, bo… no właśnie, czemu tego nie robią? Krótkie odpowiedzi nie są w moim stylu, dlatego zapraszam na drobiazgową, psychologiczno-filozoficzną analizę zachowania elektronów w obwodzie.

Dzisiejszy artykuł powstał dzięki wsparciu Patronów na Patronite.

Dziękuję za Wasz wkład!

Dokąd nocą tupta elektron

Zacznijmy od zarysowania problemu. Mamy źródło, przewód i jakąś żarówkę.

Obwód jest zamknięty, brakuje rozgałęzień, więc naturalnym dla nas jest, że elektrony płyną sobie dookoła. Kierunek ich przepływu, a także to czy mamy do czynienia z prądem stałym, czy zmiennym, nie ma absolutnie żadnego znaczenia. Dlaczego? Bo żarówka to żarówka – świeci dopóki płynie przez nią prąd. Nie dba ona o to w którą stronę akurat podążają elektrony i jak często zawracają. A teraz doczepiamy do naszego układu uziemienie.

Gdyby prąd był jak woda, to jasne jest, że taki uziom zadziałałby jak odpływ i po chwili po naszym płynie nie byłoby śladu. Dlatego właśnie z tego typu porównaniami trzeba uważać. Owszem, analogia wodna jest niezwykle pomocna przy objaśnianiu Prawa Ohma i Praw Kirchhoffa, ale tutaj może nas doprowadzić do błędnych wniosków. Wszystko dlatego, że elektrony nie mają tyle swobody co woda i nie mogą płynąć tam gdzie chcą.

Czy elektrony faktycznie są takie ,,wolne”?

W wielu moich artykułach możesz znaleźć frazę wolne elektrony albo morze wolnych elektronów. Często mówi się też o tzw. elektronach swobodnych, aczkolwiek jest to trochę szersze pojęcie. Do rzeczy. Każdy atom, jak doskonale wiesz, posiada pewną liczbę elektronów. Wodór ma 1 elektron, miedź ma 29, a ołów 82. Bez elektronów atom nie może istnieć, bowiem cząstki te, obdarzone ładunkiem ujemnym, stanowią równowagę dla dodatnio naładowanego jądra atomowego. Na przykład miedź ma 29 dodatnio naładowanych protonów w jądrze, wokół którego znajduje się 29 negatywnie naładowanych elektronów. Prosta matematyka.

Atom miedzi – wizualizacja

Drobna uwaga:

Powyższy model atomu (przypominający układ słoneczny) jest jedynie wizualizacją rozmieszczenia elektronów na poszczególnych powłokach. Nie odzwierciedla on ani falowej natury cząstek elementarnych, ani rzeczywistych trajektorii, po jakich się poruszają. Wizualizacja ta jest jednak zupełnie wystarczająca do zrozumienia podstawowych zjawisk elektrycznych.

Jak atomy utrzymują tę równowagę? Dlaczego ot tak nie gubią atomów? Wynika to z praw fizyki. Prosty przykład: jeśli założymy, że dodatni proton ma ładunek równy +1, a ujemny elektron ma -1, to bilans zrównoważonego atomu miedzi wynosi: +29 – 29 = 0. Gdyby jeden elektron uciekł, wówczas bilans ten wyniósłby: +29 – 28 = +1. Ubierając matematykę w słowa, atom stałby się wówczas dodatnio naładowany.

Podstawowa zasada dotycząca ładunków elektrycznych jest taka, że dwa przeciwne ładunki elektryczne będą się zawsze przyciągać. Stąd, między wybrakowanym atomem (+1), a uciekającym elektronem (-1) zupełnie naturalnie powstaje siła przyciągająca dezertera z powrotem. Jest to w pełni automatyczny proces, który w praktyce nie pozwala elektronom za bardzo się oddalać.

Biznes rządzi się jednak swoimi prawami i gdy dochodzi do spotkania większej liczby atomów, elektrony stają się ich podstawową walutą. Są one wymieniane, udostępniane, lub oddawane w zamian za określone korzyści (np. stworzenie związku chemicznego). Zawsze jest to jednak bardzo wyrachowana transakcja i nie ma tutaj mowy o jakiejkolwiek wolności elektronów.

Swobodne struktury

Skoro atomy tak pilnują swoich elektronów, to gdzie to całe morze wolnych cząstek możemy znaleźć? Odpowiedź brzmi: w strukturach krystalicznych.

Struktura krystaliczna chlorku sodu, czyli popularnej soli kuchennej

Czym jest struktura? Ot rozległą (i zwykle trójwymiarową) siecią połączonych ze sobą atomów. Czy w każdej strukturze znajdują się wolne elektrony? Jasne, że nie. To by było zbyt proste. Tak naprawdę w większości z nich elektrony są sztywno ulokowane i o jakiejkolwiek swobodzie nie ma mowy. Wyjątek stanowią np. struktury metali, które mają nieco luźniejsze podejście do takich spraw.

Niech za przykład ponownie posłuży miedź. Jak już wspomniałem, atom miedzi ma 29 elektronów, ale nas w kontekście wolności interesuje tylko ten ostatni. Należy on do grupy tzw. elektronów walencyjnych. Żeby nie wchodzić przesadnie w chemiczne szczegóły: elektrony walencyjne to te najbardziej oddalone od jądra atomowego.

Tak się składa, że atomom miedzi do trwałego połączenia się ze sobą (czyli stworzenia struktury) wystarczy 28 elektronów. Ten ostatni nie ma w niej jakiegoś szczególnego znaczenia, dzięki czemu zyskuje nieco więcej swobody niż jego koledzy. Innymi słowy staje się wolnym elektronem. Czy taki elektron może sobie teraz po prostu opuścić swój atom i rozpocząć nowe życie? I tak, i nie.

Zacznijmy od tego, że mówimy teraz o strukturze, czyli np. milionie połączonych ze sobą atomów miedzi, które nadają milionowi elektronów status ,,wolnych”. Skłamałbym mówiąc, że liczby atomów i elektronów w strukturze są przez cały czas sobie równe. Wiadomo jak to jest w życiu: a to wiatr zawieje, a to coś uderzy w strukturę, porwie kilka elektronów i poleci dalej. Na szczęście działa to też w drugą stronę i za sprawą tych samych zderzeń miedź może odzyskiwać elektrony. Liczba elektronów w strukturze podlega zatem pewnym wahaniom, ale nie są też jakieś kolosalne. Nigdy nie będzie na przykład tak, że przy milionie atomów, sto tysięcy wolnych elektronów ogłosi niepodległość i gdzieś sobie pójdzie. Przy tak masowej ucieczce z urzędu pojawiłaby się ogromna siła Coulomba, która natychmiast udaremniła by takie zapędy.

No dobrze, zakładamy zatem, że liczba atomów w strukturze jest mniej więcej równa liczbie elektronów i cząstki te generalnie nie mogą uciec. Co w takim razie daje elektronom ta cała wolność? Zacznijmy od czegoś prostego: mając dwa połączone ze sobą atomy miedzi, możemy na przykład zamienić ich wolne elektrony miejscami.

Niby nic, a jednak cieszy. Atomy to wbrew pozorom bardzo tolerancyjne jednostki. Nie obchodzi ich życiorys fruwających dookoła elektronów. Dopóki ich liczba się zgadza, dopóty atom nie będzie protestował przed taką podmianą. Jasne, zamiana miejscami dwóch elektronów walencyjnych nie jest może nad wyraz przydatna, ale odnotujmy fakt: my wywołaliśmy ruch ładunku elektrycznego, a miedź nam w tym nie przeszkodziła.

I to właśnie ten z pozoru drobny fakt pozwala nam transportować energię elektryczną na ogromne odległości. Jak to działa? Zacznijmy od tego, że potrzebujemy nie dwóch, a całego łańcucha połączonych ze sobą atomów. Żeby wszystko było czytelne, uprośćmy nieco rysunek. Zamieńmy 28 niebiorących udziału w zabawie elektronów w ,,szarą chmurę”, a te, które są wolne, nieco powiększmy. Uprośćmy też jądro atomowe do postaci pomarańczowego kółka i tak oto otrzymujemy łańcuszek 8 jajek sadzonych, posiadających po jednym elektronie.

Możemy oczywiście, tak jak wcześniej, zamienić miejscami dwa elektrony dowolnych, sąsiadujących ze sobą atomów, ale możemy też zrobić coś bardziej epickiego. W tym celu wykorzystamy inną podstawową zasadę dotyczącą ładunków, mianowicie że dwa takie same ładunki będą się zawsze odpychać. Mówiąc prościej: elektrony po prostu się nie lubią. Zbliżając jedną taką cząstkę do drugiej, ta druga będzie nam uciekać. Jak to działa w ruchu pokażę na końcu. Najpierw jednak zobaczmy jakby to wyglądało w sytuacji, gdyby elektrony mogły poruszać się tylko ,,jeden po drugim”. Zaczynamy!

Jak elektrony wędrują po obwodzie?

Cała nasza praca polega na schwytaniu jednego z elektronów i przesunięciu go do sąsiedniego atomu. Oto jak cały układ reaguje na takie działanie:

Tam skąd elektron zabraliśmy, pojawia się dodatnio naładowana czerwona strefa (bo tamten atom stracił właśnie jeden elektron, a więc jego bilans ładunku wynosi +29 – 28 = +1). W miejscu zaś, do którego nasz elektron przyprowadziliśmy, mamy teraz kolor niebieski, czyli strefę ładunku ujemnego (bo ten atom ma teraz o jeden elektron za dużo, a więc jego bilans to +29 – 30 = -1).

Tym samym doprowadziliśmy do powstania różnicy ładunków elektrycznych, Różnica ta natychmiast wywołuje do tablicy siłę Coulomba. Atom, który jest dodatni zaczyna delikatnie przyciągać (bo chce uzupełnić braki). Z drugiej strony, tam gdzie ładunek jest ujemny, dojdzie do wypchnięcia jednego z elektronów. Aby nasza praca nie poszła na marne i nasz elektron nie wrócił przypadkiem z powrotem, przytrzymujemy go miejscu. Dzięki temu będziemy mieć pewność, że wypchnięty zostanie ten drugi. W takim układzie, po chwili elektrony przemieszczą się w ten sposób:

Obie strefy, czerwona i niebieska, trochę nam się przesunęły, ale zasadniczo sytuacja w obwodzie się nie zmieniła: gdzieś brakuje elektronu, a gdzieś jest o jedną cząstkę za dużo. Stąd cykl wypychania i przyciągania się powtórzy: do strefy dodatniej trafi kolejny elektron, a u góry następny zostanie wypchnięty. Po dwóch takich cyklach dochodzimy do ostatniego kroku naszej reakcji łańcuchowej:

W tym momencie ostatni elektron zostaje wypchnięty i trafia wprost do strefy dodatniej. Tym samym ładunek wszystkich atomów się wyrównuje, reakcja łańcuchowa się zatrzymuje, a my wracamy do punktu wyjścia. Oczywiście nie nie stoi na przeszkodzie by rozpocząć całą tę zabawę od nowa, a później znowu i znowu. Wystarczy wyłapywać nadlatujące elektrony i ,,przerzucać” je dalej. W pełnej prędkości, gdy wszystkie cząstki poruszają się jednocześnie, wygląda to mniej więcej tak:

Przesuwanie całego łańcucha elektronów za pomocą oddziaływania na jedną tylko cząstkę to idealny sposób na przesyłanie informacji. My stoimy na jednym końcu łańcucha i poruszamy elektronami. Na drugim końcu każemy komuś obserwować obwód i wykonać jakieś zadanie, gdy tylko dostrzeże ruch.

Ale to nie wszystko! Jako że z jednej strony napędzamy cząstki kołowrotkiem, to co stoi na przeszkodzie, by zamontować drugi kołowrotek po drugiej stronie? Jego siłą napędową byłyby uderzające w niego elektrony. W ten sposób pracę wykonaną na jednym końcu łańcucha moglibyśmy przekazać na drugi koniec. Na podobnej zasadzie działa rower: za pomocą łańcucha przekazujemy siłę napędową z zębatki przy pedałach, do zębatki tylnego koła. Jak widać elektryczność można przyrównać nawet do kolarstwa, jeśli się bardzo chce.

Energia skuta łańcuchem

Sztuczka z przerzucaniem kolejnych elektronów działa, bo dzięki sile Coulomba kolejne elektrony same podlatują pod nasz kołowrotek. Gdyby tak nie było, gdyby po wystrzeleniu pierwszego elektronu kolejny się nie pojawił, to cała reakcja natychmiast by się zatrzymała. Dlatego moim zdaniem najlepszą analogią dla zrozumienia dzisiejszego problemu jest analogia łańcucha – tym razem nie rowerowego, a takiego zwykłego.

Z jednej strony elektrony, niczym pojedyncze ogniwa, mają odrobinę swobody. Z drugiej zaś wszystkie są ze sobą połączone i ruch jednego ogniwa wywołuje ruch kolejnych. Dzięki temu, że za każdym ,,przepchniętym” ogniwem pojawia się kolejne, my możemy podtrzymać całą reakcję i wszystko kręci się dalej. Zupełnie jak w przypadku kołowrotka i elektronów.

Podsumujmy krótko:

  • Elektron może opuścić atom miedzi tylko wtedy, gdy na jego miejsce pojawi się kolejny.
  • Jeśli elektrony nie będą uzupełniać się nawzajem, przepływ prądu nie może być podtrzymany.
  • W zamkniętym obwodzie wzajemne przesuwanie się ,,elektronowego łańcucha” jest procesem zupełnie naturalnym, wynikającym z działania Prawa Coulomba

Czy już wiesz dlaczego elektrony nie uciekają ot tak uziemieniem? Dlaczego nie mają absolutnie żadnego powodu, by to robić? Jeśli nie, bez obaw. Jestem przygotowany na więcej! W dalszej części artykułu prześledzimy cały proces przepływu elektronów w obwodzie posiadającym uziemienie. Krok po kroku rzecz jasna.

Zaczniemy od zbudowania obwodu. Co jest jego podstawą? Miedziane przewody oczywiście! W tym wypadku będą dwa: z pierwszego zrobimy pętlę (czyli nasz obwód), a za pomocą drugiego połączymy wszystko z ziemią. Oba przewody wykonane są z miedzi, więc znajduje się w nich jeden wolny elektron na każdy atom tego pierwiastka. Pozwolę sobie nie rysować już pojedynczych atomów miedzi, zostawiając jedynie interesujące nas wolne elektrony (odpowiednio powiększone rzecz jasna). Aha i nie zapominajmy o ziemi! Nie jest ona może czystym metalem, ale w jej składzie wolnych elektronów również nie brakuje!

Jak widać, w naszym obwodzie nie ma jeszcze żadnego źródła energii, a więc nie ma też żadnej siły popychającej elektrony w konkretnym kierunku. Same cząstki są teraz rozłożone równomiernie, a więc znajdują się w stanie jako takiej równowagi. Napisałem ,,jako takiej”, bo oczywiście elektrony zawsze mniej lub bardziej się poruszają, czy choćby drgają. Mimo to ich wycieczki są raczej chaotyczne i niezbyt dalekie, stąd nie ma się co nimi przejmować.

Teraz dodajmy rzecz, która zaburzy ten status quo, mianowicie źródło napięcia.

Moje źródło jest akurat źródłem napięcia przemiennego. Innymi słowy jest to taki kołowrotek, który raz pcha elektrony w jedną, raz w drugą stronę. My rozpatrzymy tutaj tylko jeden z tych kierunków. Mam nadzieję, że na koniec dostrzeżesz, iż kierunek i tak nie ma znaczenia.

Załóżmy zatem, że nasze źródło pcha pierwszy elektron w dół. Zróbmy zbliżenie i zajrzyjmy do środka:

Widzimy tutaj ostatni moment, w którym wszystko jest w równowadze. Za ułamek ułamka sekundy wirnik uderzy w elektron i zacznie go pchać w dół. Co się wtedy wydarzy? Wcześniej, gdy rozprawiałem o łańcuchu 8 atomów miedzi, pokazywałem najpierw ruch, a potem opisywałem jak to wpływa na rozkład ładunku i siłę Coulomba. W rzeczywistości siła Coulomba nie czeka aż jeden elektron się przemieści, by uderzyć w kolejny. Siła ta działa cały czas.

Oznacza to, że gdy tylko pierwszy elektron w obwodzie choćby drgnie, a więc pokona pierwszy pikometr, femtometr czy inną długość Plancka, to już równowaga ładunku zostanie zaburzona. Wszystko przez to, że przed nim zrobi się trochę odrobinkę, a za nim odrobinkę luźniej. I choć będą to bardzo małe różnice, to jednak już dadzą one informację elektronom dookoła, że coś się zmieniło i wypada zacząć się ruszać. Wiem, brzmi to skomplikowanie, dlatego po kolei: zacznijmy może analizę od tego co dzieje się przed poruszonym kołowrotek elektronem.

Im bliżej siebie są elektrony, tym silniej się odpychają, to już wiemy. Oczywistym zatem jest, że skoro nasz elektron nieco przysunął się do sąsiada, to zaczyna go odrobinkę mocniej odpychać. Obszar ten nazwijmy obszarem odpychania i oznaczmy kolorem niebieskim. Na rysunku to przesunięcie cząstki jest oczywiście wyolbrzymione, ale chciałem, żeby było wszystko dobrze widać. W rzeczywistości, jak mówiłem, obszar niebieski pojawia się zaraz po tym gdy elektron choćby drgnie. A jak to jest z drugiej strony?

Nad elektronem sytuacja to niemal lustrzane odbicie. Skoro pod elektronem zrobiło się ciaśniej, to siłą rzeczy nad nim musiało się zrobić trochę luźniej. Tam też siła z jaką odpycha sąsiada nad sobą robi się mniejsza, co możemy oznaczyć sobie kolorem czerwonym.

I tak to się zaczyna. Elektron z przodu zaczynają kolejno podrygiwać i odpychać siebie nawzajem. U góry z kolei, z racji większej ilości miejsca, siła Coulomba przysuwa kolejne elektrony ciut bliżej (możemy powiedzieć, że czerwony obszar niejako je zasysa). Zaznaczam ponownie: żadna cząstka na dobre jeszcze się nie ruszyła. Rozpatrujemy tutaj bardzo krótką chwilę od uruchomienia źródła, a więc sam początek tego ruchu. Jest to raczej proces, w którym kolejne elektrony delikatnie nachylają się w jedną stronę i niejako przesyłają kolejnym wiadomość: dołem biegnie informacja ,,zaczynamy się odsuwać!”, zaś górą ,,dajemy trochę do przodu!”. A skoro wystarczy choćby drgnięcie elektronu, by kolega obok poczuł różnicę, to jak sądzisz, ile czasu wysłane informacje okrążą obwód i elektrony będą gotowe do ruchu?

Odpowiedź niesie ze sobą kij do gry w bilard. Kij taki ma około 1,5 m długości i wydaje się dość jednorodnym obiektem. To znaczy, że jeśli pchniemy jeden koniec kija, to cały kij natychmiast się przesunie – niczym zwarte, sztywne ciało. Prawda jest jednak inna. W rzeczywistości bowiem działa tutaj bardzo podobna zasada do tej z obwodu: my popychamy cząstki znajdujące się w jednym końcu kija, te popychają kolejne i dopiero po chwili cała ,,fala popychająca” trafia na drugi koniec. Przez kij przetacza się więc swego rodzaju fala mechaniczna, której prędkość równa jest prędkości dźwięku. Dla naszych powolnych zmysłów jest to prędkość zbyt duża, przez co wydaje nam się, że kij jest jedną, idealnie sztywną całością.

Prędkość dźwięku w drewnie to około 4800 m/s. W obwodzie elektrycznym sytuacja różni się o tyle, że tam nie musi dojść do fizycznego zderzenia cząstek, by została przekazana informacja. Elektrony to cząstki otoczone rozległym polem elektrycznym i to one są ich podstawowym ,,środkiem komunikacji”. Stąd, jak pisałem wcześniej, wystarczy choćby drobna zmiana położenia elektronu, by informacja o tym poszła dalej. W tym wypadku mówimy więc nie o fali mechanicznej, a elektromagnetycznej. Nie o prędkości dźwięku, a o prędkości światła – nie o 4800 m/s, a o 270 000 km/s (dla miedzi). Taka drobna, a jednak dość znacząca różnica.

Fale elektromagnetyczne

W związku z powyższym nie przejmuj się, że między elektronami widocznymi w obwodzie są tak duże przerwy – to niczego nie zmienia, bo nie gęstość upakowania tu chodzi, a o fakt, że cząstki te naturalnie się odpychają. Dzięki temu nasze dwie informacje (pchająca i zasysająca) płyną jako dwie fale elektromagnetyczne i rozlewają się po całym obwodzie na długo nim jakikolwiek elektron zdąży się istotnie przemieścić. Ale powoli! Jeszcze zanim puścimy nasze dwie fale samopas, wypadałoby zatrzymać czas w pewnym dość nieoczywistym miejscu. Jak myślisz, co dzieje się z falą w punkcie rozwidlenia?

Akurat w naszym przypadku to fala niebieska ma bliżej, więc dociera do tego miejsca jako pierwsza. No i teraz mamy zagadkę: w którą stronę fala podąży? Pamiętajmy: nie zastanawiamy się tutaj, w którą stronę popłynie elektron, bo on się jeszcze praktycznie nie porusza. To się okaże za moment. Jesteśmy dopiero chwilę po włączeniu źródła i obie fale wytyczają dopiero drogę którą cząstki podążą. Więc jak, w dół czy w prawo?

Gdyby fala była jak woda, to oczywiście grawitacja ciągnęłaby ją dalej w dół. Ale fala nie ma masy. Jest ona jedynie reprezentacją siły odpychania jaką kolejne elektrony wywierają na siebie. Skoro tak, to elektron znajdujący się tuż przed rozgałęzieniem powinien odpychać zarówno elektron poniżej, jak i elektron po prawej. I tak rzeczywiście będzie – fala rozpłynie się w dwóch kierunkach. Gdyby tak się nie działo, to obwody równoległe nie mogłyby działać.

Żeby jednak nie komplikować, a jednocześnie pokazać pewną ważną rzecz, zróbmy małe zamieszanie. Wstawmy po prawej stronie włącznik, tak by fala miała tylko jedną drogę do wyboru. Oto jak to będzie wyglądać:

Niebieska fala podążyła w dół. Czerwona dotarła do włącznika i musiała się zatrzymać. Owszem, fale potrafią podróżować w powietrzu, co odkryliśmy przeszło 300 lat temu i nazwaliśmy zjawiskiem indukcji elektrycznej. Prawdą jest jednak też to, że są w nim dużo słabsze, więc możemy na razie pominąć ten wątek. Koniec końców mamy sytuację w której obie fale całkowicie się rozpropagowały, ale z powodu wyłącznika się nie spotkały. Czy to źle? Zobaczymy. Skoro wszystko jako tako się ustaliło, to możemy teraz przyspieszyć nieco upływ czas i pozwolić wreszcie cząstkom się poruszyć. Ale po kolei! Zaczniemy od fali niebieskiej: wszystkie cząstki, które znajdują się w jej obszarze, zostaną wypchnięte, a więc przesuną się nieco w dół:

Zgadza się? A no chyba się zgadza. Teraz fala czerwona, w której dojdzie de facto do takiego samego przesunięcia:

Mamy to, elektrony się poruszyły! Technicznie rzecz biorąc, w tym momencie wytworzyliśmy prąd, prawda?. No nie do końca… Póki co to był tylko baaardzo krótki impuls prądowy, wręcz niewykrywalny przez jakiekolwiek urządzenia pomiarowe. Aby prąd mógł faktycznie coś dla nas zrobić, wykonać jakąś pracę, musi płynąć znacznie dłużej. A muszę Cię niestety z przykrością poinformować, że w układzie jaki mamy na powyższym rysunku, prąd dalej nie popłynie. Dlaczego? Spójrz na miejsce, które pokazuje zielona strzałka:

W tym punkcie elektron został odciągnięty w prawo. To znaczy, że oddalił się od swojego atomu miedzi. A co mówiłem w poprzedniej części artykułu? Elektron może przejść z jednego atomu do kolejnego tylko wtedy, gdy na jego miejsce pojawi się inny elektron. Bilans ładunku musi zostać wyrównany, inaczej miedź będzie protestować. Tutaj nie ma możliwości uzupełnienia brakującego elektronu, bo jest przerwa w obwodzie w postaci wyłącznika. Ładunek nie został więc wyrównany, a więc automatycznie pojawiła się siła Coulomba, która będzie powstrzymywać elektron przed dalszą ucieczką.

Jasne, możemy z tą siłą walczyć – zamontować mocniejsze źródło, które wyciągnie elektrony jeszcze dalej. My jednak nie chcemy zużywać energii na walkę z siłą Coulomba. A już na pewno nie po to, by wytworzyć jedynie krótszy lub dłuższy impuls prądu. My chcemy, by ta siła działała na naszą korzyść. Chcemy za jej pomocą przekazywać pracę i energię. Chcemy, żeby elektrony miały szansę się w ogóle rozpędzić. I wreszcie chcemy, żeby były w stanie napędzić ten hipotetyczny kołowrotek po drugiej stronie obwodu, a nie tylko leniwie stukać w jego łopatki.

Aby to osiągnąć musimy dbać, by każdy atom miedzi miał przez cały czas zerowy bilans ładunku. W naszej sytuacji osiągniemy to tylko w jeden sposób: pora zamknąć wyłącznik i zlikwidować przerwę w obwodzie. Przyjrzyjmy się teraz naszemu rozwidleniu ponownie:

Punkt ten stał się teraz miejscem spotkania naszych dwóch fal. Upozorowałem to specjalnie, bo widać w ten sposób jak na dłoni co się za chwilę stanie. Zagadka dla Ciebie: jak myślisz, jak teraz zachowa się elektron wskazywany przez strzałkę? Ma on dwie opcje: posuwać się dalej w dół, albo skręcić w prawo. Na dole czeka go odpychanie kolejnych elektronów. Po prawej zaś zaś ma fragment pustej, dodatniej strefy, która sama go przyciąga.

Odpowiedź jest prosta: oczywiście, że wypadkowa siła zadziała tak, że ten elektron podąży w prawo. Tam będzie miał po prostu łatwiej. Tak samo zrobi kolejny elektron, który zajmie jego miejsce, a za nim kolejne. A wszystko to dzięki połączeniu dwóch sił, które sprawiają, że to zamknięty obwód będzie zawsze preferowaną przez elektrony drogą. Dodajmy do tego fakt, że tylko w zamkniętym obwodzie elektrony mogą zastępować siebie nawzajem, tworząc długi, elektryczny łańcuch i już otrzymujemy odpowiedź. Odpowiedź na pytanie dlaczego elektrony nie uciekają do ziemi.

Ale czy o czymś nie zapomnieliśmy? A no właśnie: co z uziemieniem i elektronami, które już się tam trochę poruszyły? Cóż… pewne jest, że dalej się poruszać nie będą, bo skoro elektron nad nimi dał dyla w prawo, to nie będzie już na nie dłużej naciskał. A skoro zniknęła siła popychająca je do przodu, to mogą teraz spokojnie zająć się swoim zwyczajowym, chaotycznym ruchem w strukturze. Taki już ich los.

KONIEC

Dziękuję bardzo za wytrwanie do tego momentu. Jeśli w głowie rodzą Ci się jakieś pytania lub wątpliwości, to zapraszam do sekcji komentarzy. Pytania mogą być z gatunku tych najprostszych jak i najtrudniejszych – postaram się odpowiedzieć na każde!


Dzięki za poświęcony czas!



Podobało się? Zajrzyj na
PATRONITE
i wspieraj moją dalszą pracę!
Krótka Historia Elektryczności
A może chciałbyś przeczytać ciekawą książkę?
Pewnie!

Czytaj dalejDlaczego elektrony nie uciekają do ziemi?

Dlaczego N’ka nie kopie? (i czemu nie warto w to wierzyć)

Dzień dobry! W ostatnich artykułach dowiedzieliśmy się jak działa sieć jednofazowa, dlaczego potrzebna jest zarówno Faza jak i Nka i dlaczego sieć jest uziemiona. Jeśli chcesz nadrobić te zagadnienia, to polecam zacząć od pierwszego artykułu:

#1 Jak prąd dociera do gniazdka? – artykuł na TeoriaElektryki.pl

Dziś pójdziemy o krok dalej i skupimy się na samej N’ce. Dlaczego ten przewód się tak nazywa? Czym różni się od fazy? Dlaczego faza kopie, a N’ka, teoretycznie, nie? Zapraszam!

Dzisiejszy artykuł powstał dzięki wsparciu Patronów na Patronite.

Dziękuję za Wasz wkład!

Teoria napięcia

Głównym aktorem dzisiejszego artykułu będzie napięcie. Nie będę oczywiście omawiał tego fenomenu od podstaw, bo napisałem o nim osobny artykuł. Jednakowoż o kilku jego podstawowych cechach dziś sobie przypomnimy. A całą historię zaczniemy od zwykłej baterii.

No dobra, nie takiej zwykłej, bo napięcie powyższego egzemplarza wynosi aż 230 V. Tak, to dość niebezpieczne ogniwo, ale bez obaw, wiem co robię. Warto przy okazji wyjaśnić, że wartość 230 V mówi nam tylko i wyłącznie o tym, że potencjał jednego końca baterii jest o 230 V wyższy od drugiego. Aby te końce dodatkowo rozróżnić, na jednym z nich producenci umieszczają zawsze symbol „+”. To właśnie tam potencjał jest wyższy.

Określenia typu wysoki, wyższy, niższy nie są przypadkowe, bo już od dawien dawna ludzie wyobrażali sobie różnicę potencjałów jako różnicę wysokości. Wyobraźmy sobie, że nasza bateria to winda, która transportuje metalowe kulki (czyli ładunki elektryczne). Całość działa następująco: bateria wynosi kulki na szczyt góry. Stamtąd, za sprawą siły grawitacji, toczą się swobodnie w dół zbocza. Na dole trafiają z powrotem do windy i cykl się powtarza.

Kulki płyną z wyższego punktu do niższego, bo działa na nie siła grawitacji. Analogicznie prąd elektryczny płynie w obwodzie od potencjału wyższego do niższego, bo działa na niego siła Coulomba. Siła ta to taka nieco bardziej skomplikowana kuzynka grawitacji, jednak w tym prostym przypadku możemy traktować je tak samo.

Aby było nam jeszcze wygodniej, różnicę wysokości naszego wzniesienia możemy oznaczyć kolorami. Jeśli przyjmiemy, że szczyt ma kolor czerwony, a dół zbocza kolor niebieski, to całą górę możemy zamalować gradientem kolorów, czyli stopniowym przechodzeniem jednej barwy w drugą.

Nie ma to oczywiście żadnego fizycznego znaczenia, a jedynie pomaga nam zobrazować różnicę wysokości. Gdybyśmy na przykład spacerowali w dół takiego pomalowanego zbocza, to jego kolor mógłby sygnalizować nam jak blisko końca naszej wędrówki jesteśmy. Byłby to z pewnością ciekawy sposób oznakowania górskich szlaków turystycznych.

Ale wróćmy do elektryczności. Skoro malowanie wzniesienia pomaga nam zobrazować różnicę wysokości, to ten sam zabieg powinien się sprawdzić przy wizualizacji różnicy potencjałów. Rolę zbocza góry przejmie w tym wypadku miedziany drut. Jego koniec wychodzący z plusa baterii oznaczmy kolorem czerwonym, a ten drugi (wychodzący z minusa, masy, jak wolisz) kolorem niebieskim. W ten oto sposób obwód zostaje zamknięty, gradient kolorów rozlewa się po całym przewodzie, a metalowe kulki mogą płynąć dokładnie tak samo jak po zboczu.

Kulka kulką pogania

Porównanie obwodu elektrycznego do wysokiego wzniesienia niezwykle otwiera wyobraźnie. Intuicyjnie czujemy na przykład, że wysokość wzniesienia i jego stromość musi wpływać na to jak szybko kulki toczą się w dół. Tak samo zatem powinno to działać w przypadku napięcia elektrycznego.

Jest jedno ALE: my jak odbiorcy nie mamy niestety wpływu na to jakie napięcie dostarcza nam zakład energetyczny. Innymi słowy nasza góra ma ,,wysokość” 230 V i niczego z tym nie zrobimy. Na szczęście istnieje jeszcze jeden sposób, by wpłynąć na ruch naszych kulek. Wystarczy, że „rozciągniemy” całe zbocze, przez co stanie się ono mniej strome.

Wiem, wiem, rozciąganie zbocza brzmi abstrakcyjnie, ale taka operacja pokazuje nam coś niezwykle istotnego. Zauważ, że w obu przypadkach wysokość jest taka sama, a jednak w sytuacji po prawej kulki mają znacznie dłuższą drogę do pokonania, nim dotrą na sam dół. Aby dobitnie pokazać skutki takiego „rozciągania”, musiałbym narysować naprawdę długie i niemal płaskie zbocze. Niestety nie mam tutaj wystarczająco dużo miejsca, dlatego pozwolę sobie nasze wzniesienie trochę pociąć i dostawić do niego sekwencję mniejszych, nachodzących na siebie spadków. Nazwijmy ten fragment labiryntem.

Zauważ, że gdy zbocze było strome, to z każdym pokonanym przez kulki metrem, jego kolor zmieniał się dość gwałtownie. Teraz kulki muszą przebyć znacznie dłuższą drogę, by kolor uległ zauważalnej zmianie. Jest to bardzo ważne spostrzeżenie, które za moment rozwiniemy.

Idąc za ciosem, wypada teraz powrócić do obwodu elektrycznego i pokazać jak w jego przypadku wygląda takie ,,rozciąganie zbocza”. Nie będziemy oczywiście ciągnąć za nasze kable – to by było nierozsądne. Zamiast tego dolutujemy do naszego obwodu kłębek zwiniętego kabla – to właśnie będzie nasz elektryczny labirynt. Po tej operacji całość wygląda tak:

Widoczny na obrazku kłębek kabla, który ja nazwałem labiryntem, znany jest szerzej pod nazwą: odbiornik elektryczny. Możemy też nazwać go pralką, lodówką, telewizorem, nie ma to większego znaczenia. Tym co w rzeczywistości się liczy jest to, co ten kłębek robi z naszym obwodem. I gdy tak dokładniej przyjrzymy się powyższemu obrazkowi to zauważymy, że na odcinku od baterii do początku kłębka kolor przewodu zmienia się nieznacznie, niemal niezauważalnie. Później mamy kłębek, w którym to zachodzi najbardziej zauważalna zmiana, a na koniec ponownie prosty odcinek przewodu, którego barwa jest już niemal stała. Porównajmy to sobie jeszcze z naszym oryginalnym obwodem:

Widać różnicę? Tutaj już na samym zakręcie kolor robi się „fioletowawy”. Gdy jednak w obwodzie znajdował się odbiornik, to właśnie w nim zachodziło 99% magii, bo to tam kulki spędzały 99% czasu. Fizycy powiedzieli by, że to właśnie w odbiorniku kulki oddały 99% energii. Zaraz zaraz, jakiej energii?

Gradient, a energia

Wróćmy myślami do naszego wzniesienia. Do tej pory nasze kulki toczyły się w dół bez celu, bo tak kazała im grawitacja. Z kolei nasza winda bez pytania transportowała je do góry. Jednak prawdziwy świat to nie bajka i windy jakie znamy nie działają bez energii. Skąd ją biorą? Normalnie z sieci, ale my zamiast tego zbudujemy sobie układ odzyskiwania energii toczących się kulek.

W tym celu wykładamy zbocze specjalnym podłożem, zdolnym do zamiany energii cieplnej (wytworzonej przez trące o zbocze kulki) w energię elektryczną zasilającą windę. Zakładamy, że w układzie nie ma żadnych strat, a więc jedna kulka tocząca się w dół jest w stanie oddać tyle energii, by winda była w stanie przetransportować ją z powrotem do góry. W ten sposób powstaje nam kulkowe perpetuum mobile.

Układ ten działa oczywiście świetnie, ale co stanie się, jeśli będziemy specjalnie zabierać kulki ze szczytu i puszczać je dopiero w połowie zbocza?

W tym scenariuszu nasza winda nie odzyska wystarczająco dużo energii i układ bardzo szybko się zatrzyma. Przykład ten pokazuje, że z im większej wysokości toczą się kulki, tym dłużej przekazują energię do windy. A im dłużej przekazują energię, tym sumarycznie jest jej więcej.

Warto zwrócić na to uwagę, gdy na przykład chcemy podłączyć do jakiegoś obwodu żarówkę. Jeśli ma ona otrzymać całą dostępną energię, powinniśmy podłączyć ją między dwoma najbardziej skrajnymi kolorami: krwistą czerwienią i ciemnym błękitem. Jeśli zamiast tego podepniesz ją między dwoma odcieniami czerwonego albo niebieskiego, to mimo, że prąd dalej będzie przez nią płynął, to energii może nie wystarczyć do jej rozpalenia.

Czy do tego momentu wszystko jest mało wiele jasne? No to uziemiamy.

Uziemienie

Przyznam się bez bicia – nie mam pojęcia jak pokazać uziemienie stosując moją górską analogie. Na szczęście temat tego czym jest i po co nam uziemienie omówiłem w ostatnim artykule, więc nie będziemy się nad nim zbyt długo rozwodzić.

Zacznijmy może od przypomnienia: aby płynął prąd, musimy połączyć ze sobą dwa różne kolory. Słowo klucz: połączyć. Możemy bowiem przyczepić do czerwonego plusa baterii dowolnie długi przewód, zrobić to samo w przypadku minusa, ale jeśli tych przewodów nie połączymy ze sobą, to gradient kolorów nie powstanie.

Podoba zasada tyczy się już zamkniętych obwodów. Jeśli w dowolnym ich punkcie doczepimy przewód, ale jego drugiego końca nie połączymy z innym kolorem, to takim przewodem również prąd nie popłynie.

I tym właśnie jest uziemienie – przewodem, którego jeden koniec podłączony jest do naszego obwodu, a drugi do czegoś innego – najczęściej ziemi (stąd nazwa uziemienie). Dzięki temu przewód ten spełnia rolę zabezpieczającą (o której pisałem ostatnio), a z drugiej strony nie ucieka nim żaden prąd, który jest przeznaczony dla naszych odbiorników.

Ktoś może zapytać: no dobrze, skoro uziemienie to taka fajna sprawa, to czemu nie uziemiamy też drugiego przewodu? A no dlatego, że ziemia też przewodzi prąd. Tym samym, uziemiając oba przewody, tworzymy nic innego jak połączenie między kolorem czerwonym i niebieskim. Przez to prąd zaczyna płynąć niekoniecznie tą drogą, którą byśmy chcieli..

Warto zwrócić uwagę, że żarówka na powyższym obrazku mocno przygasła. Dlaczego tak się stało? Otóż zdarza się niekiedy, że gdy jedną drogą płynie bardzo duży prąd, to nie wystarcza go, by wypełnić inną gałąź obwodu. Zwarcia i wydajność źródeł napięcia to jednak temat na zupełnie inny artykuł, dlatego na razie zostawiam to jako taką ciekawostkę. Póki co wracamy do naszego jednostronnego uziemienia, bo przyszedł czas na testy.

Obwód vs. Człowiek

UWAGA!

Wszelkie eksperymenty teoretyczne przedstawione w dalszej części artykułu należy pozostawić sferze wyobraźni.

Nie baw się wysokim napięciem – szkoda umierać.

Z elektrycznego punktu widzenia nie ma znaczenia, który przewód uziemiamy. U siebie wybrałem niebieski, bo to taka chłodna, bezpieczna barwa, czyż nie? No nie wiem… lepiej będzie to sprawdzić.

Naszym testerem będzie patykowy ludzik, który podejdzie do obwodu i dotknie po kolei przewodów po obu stronach odbiornika. Zacznijmy może od przewodu czerwonego:

Wszystko byłoby w tej sytuacji w porządku, gdyby nie fakt, że ciało człowieka to dość dobry przewodnik. Przez to, stojąc na ziemi, nasz nieustraszony ludzik staje się niejako mostkiem między czerwony przewodem, a ziemią. Tam, w głębi gruntu, czeka również uziemiony przewód niebieski. Dodając jedno do drugiego bardzo łatwo przewidzieć scenariusz tego filmu.

Jeśli do kogoś bardziej przemawiają liczby niż obrazki, to proszę bardzo. Napięcie baterii wynosi 230 V, a rezystancja ciała ludzkiego (czy też impedancja, jeśli mówimy o prądzie przemiennym) to, powiedzmy, 2000 Ω. Podstawiając te wartości do Prawa Ohma dowiemy się, że w tym momencie przez patykowaty organizm naszego testera może płynąć prąd o natężeniu nawet 0,115 A. Niezbyt przyjemna i dość śmiertelna sprawa. A co z przewodem niebieskim? Jak kończy się jego dotknięcie?

Lewą część ciała naszego bohatera pomalowałem na taki sam kolor jak chwytany przez niego przewód, by dobrze było widać co się tu dzieje. A co się dzieje? Właściwie nic. Dopóki łączymy kolor niebieski z niebieskim, to nic wielkiego nam się nie stanie. Owszem, oba odcienie tej barwy z pewnością nie są identyczne, ale różnica jest na tyle znikoma, że prąd płynący przez organizm naszego ludzika jest wielokrotnie niższy od odczuwalnego.

Reasumując – niebieski przewód, niejako dzięki uziemieniu, jest dla nas kompletnie niegroźny. Moglibyśmy nawet powiedzieć, że jest dla nas… neutralny.

Ciekawostka

Choć bardzo bym tego chciał, to niestety określenie przewód neutralny nie wzięło się stąd, że jest to przewód neutralny dla nas, a więc nas ,,nie kopie”. Prawdziwa definicja przewodu neutralnego zdradza nam, że nazwa ta wzięła się z faktu, iż jest to przewód połączony bezpośrednio z punktem neutralnym układu sieci. Co to znaczy? Tego dowiemy się przy okazji rozpracowywania układów trójfazowych.

definicja zaczerpnięta z ,,Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych”, autorstwa B. Lejdy i M. Sulkowskiego, wyd. 5.

Dlaczego mimo wszystko nie warto dotykać przewodu neutralnego?

Teoretycznie przewód uziemiony jest dla nas niegroźny. No właśnie: teoretycznie. Praktyka mówi jednak, że teorię lepiej zostawić w książkach, a w życiu wszystko należy sprawdzać dwa razy.

W rzeczywistości jest bowiem tak, że obwody elektryczne ulegają awariom. Dochodzi w nich do różnego rodzaju zakłóceń, zwarć, przepięć i przebić. Jednak najgroźniejszy dla każdego śmiałka chwytającego za niebieski przewód, (bo przeczytał w internecie, że nic mu nie grozi) jest przerwany przewód neutralny

Jako automatyk bardzo często widywałem sytuacje, w których ktoś gdzieś czegoś nie dokręcił. Pół biedy, jeśli była to faza – wtedy po prostu nic nie działało. Gorzej, gdy niedokręcony został przewód neutralny, którzy przez elektryków łapany jest nagminnie w poszukiwaniu usterek.

Jeden skutek przerwania N’ki jest dość oczywisty: powstaje przerwa w obwodzie, przez którą nasza żarówka gaśnie:

Powyższy obrazek nie mówi jednak całej prawdy. Jak pamiętasz, na początku założyliśmy, że niebieski kolor ma tylko i wyłącznie przewód połączony z minusem baterii. Jednak ten odcięty fragment, od nożyczek, do żarówki, nie jest już połączony z minusem. Jego kolor nie może być zatem niebieski. W takim razie jaki?

Przewód ten wciąż jest połączony z żarówką, więc może… szary? Ale szara jest tylko obudowa żarówki, która ukrywa to co jest w środku. A w środku przewód ten łączy się z niczym innym jak z przewodem czerwonym.

I to jest właśnie ta groźna sytuacja. Wcześniej wspomniałem, że nieważne jak długie przewody podłączysz do baterii. Dopóki nie są one połączone, nie ma gradientu kolorów. Dlatego też, gdy obwód jest przerwany, cały przewód od plusa baterii, przez żarówkę, aż do nożyczek staje się czerwony. Mówiąc językiem sieci jednofazowych: tam gdzie wcześniej była N’ka, teraz jest faza.

Co w takim układzie spotka naszego ludzika, który odważnie chwyta za Nkę, by sprawdzić, czy potrząśnięcie nią naprawi żarówkę? Cóż… trzeba mu oddać, że usterka faktycznie zostanie naprawiona, bo żarówka ponownie się zapali. Problem w tym, że nasz bohater zbyt długo się tym faktem nie nacieszy.

Dziękuję za uwagę

Dziś było trochę zabawnie, a trochę upiornie. Mam jednak nadzieje, że artykuł ten rozwiał wszelkie wątpliwości dotyczące przewodu neutralnego, a w szczególności, że skutecznie zniechęcił Was do niepotrzebnej zabawy w elektryka. To tyle ode mnie – w razie wątpliwości komentarze są do Waszej dyspozycji. Do zobaczenia następnym razem!


Dzięki za poświęcony czas!



Bibliografia

  1. Ochrona od porażeń w układach IT, TT i TN. Współdziałanie dwóch różnych układów w jednej instalacji – E. Musiał, Politechnika Gdańska, 2012 (http://www.edwardmusial.info/pliki/ochrona_it_tt_tn.pdf , dostęp: 25.10.2021)
  2. Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych – B. Lejdy, M. Sulkowski, PWN, 2019


Podobało się? Zajrzyj na
PATRONITE
i wspieraj moją dalszą pracę!
Krótka Historia Elektryczności
A może chciałbyś przeczytać ciekawą książkę?
Pewnie!

Czytaj dalejDlaczego N’ka nie kopie? (i czemu nie warto w to wierzyć)

Koniec treści

Nie ma więcej stron do załadowania