Czym jest napięcie elektryczne?

Czym jest napięcie elektryczne?

Jeżeli szukasz szybkiej odpowiedzi na pytanie zadane w tytule artykułu, to znajdziesz ją z pewnością na Wikipedii. Moim celem natomiast jest takie przybliżenie idei napięcia, byś po zakończeniu lektury pomyślał: ,,A więc tym tak naprawdę jest napięcie!”. Dlatego też tekst, który przygotowałem dziś dla Ciebie nie należy do najkrótszych, ale za to zawiera sporo obrazków do oglądania. Zapraszam!

Napięcie? A co to takiego?

Gdybym zapytał cię z czym kojarzy ci się słowo ,,napięcie” pewnie wspomniałbyś coś o prądzie elektrycznym, domowym gniazdku elektrycznym albo o półtora woltowej baterii typu ,,paluszek”. Zasadniczo miałbyś rację – wszystkie te rzeczy istnieją, bo udało nam się okiełznać napięcie elektryczne. Ale czym samo napięcie jest i skąd się bierze? Otóż podstawą napięcia jak i wszystkich innych zjawisk elektrycznych są ładunki elektryczne. Dlatego jeśli nie do końca wiesz czym są ładunki i pole elektryczne, które je otacza, to poświęć chwilę dwóm krótkim artykułom:

Czym jest ładunek elektryczny? – artykuł na TeoriaElektryki.pl

Pole elektryczne i Prawo Coulomba – artykuł na TeoriaElektryki.pl

Jeśli wiedza w nich zawarta jest ci znana, to jesteś gotowy, bym wtajemniczył cię w temat napięcia elektrycznego.

Energia, praca, siła

Może to być dla ciebie zaskoczeniem, ale spośród wszystkich zjawisk fizycznych i elektrycznych napięcie najbardziej i wręcz nierozerwalnie związane jest z energią. Można powiedzieć, że bez niej nie miałoby ono sensu ani racji bytu! I tutaj pojawia się problem, bo o ile istnienie napięcia każdy jest w stanie zauważyć (znajdziemy je w baterii, akumulatorach czy gniazdkach domowych) o tyle energia jest zjawiskiem mniej uchwytnym, a przez to mniej oczywistym.

Zasadniczo energii nie można dotknąć, zobaczyć, czy w prosty sposób wskazać gdzie się znajduje. Umiemy ją natomiast opisać i nią manipulować oraz wiemy, że towarzyszy ona praktycznie wszystkim zjawiskom fizycznym. Oto garść wstępnych informacji na temat energii:

  • rodzajów energii w fizyce jest wiele i każdy ma swoją nazwę, np. energia kinetyczna, potencjalna, elektryczna, chemiczna,
  • energii nie da się stworzyć ani zniszczyć,
  • możemy zamieniać jeden rodzaj energii w inny (np. energię chemiczną w elektryczną),
  • energię gromadzić i przetwarzać można jedynie poprzez wykonanie pracy.

Ale skąd tak naprawdę wiemy, że energia w ogóle istnieje? Jak już wspomniałem nie jesteśmy w stanie jej zobaczyć, ani usłyszeć, ale jesteśmy za to w stanie ją wyczuć. Wyobraź sobie, że z całych sił naciągasz cięciwę łuku. Kiedy tak trzymasz łuk w gotowości do strzału, wręcz podświadomie czujesz, że drzemie w nim energia zdolna wystrzelić strzałę na dziesiątki metrów. A ową energię ty sam właśnie zgromadziłeś – gdyby nie wykonana przez ciebie praca (czyli naciągnięcie cięciwy) strzała nie miałaby szans gdziekolwiek polecieć.

Naciąganie cięciwy łuku czy sprężyny to nic innego jak gromadzenie energii

Energia zgromadzona w łuku nie bierze się oczywiście znikąd – aby naciągnąć cięciwę zużywasz energię znajdującą się w twoich mięśniach. Dlatego zawsze mówimy raczej o przekształcaniu energii, aniżeli o jej wytwarzaniu. Poniżej kilka innych przykładów:

  • Kiedy samochód przyspiesza zyskuje energię kinetyczną dzięki przetwarzaniu energii chemicznej w procesie spalania benzyny.
  • Pocierając o siebie dłonie rozgrzewamy je. W ten sposób energię zgromadzoną w mięśniach zamieniamy na energię cieplną.
  • Wbijając zwykły gwóźdź wykorzystujemy zjawisko przekazywania energii poprzez zderzenie dwóch obiektów.

Jak widzisz każdej przemianie energii towarzyszy jakieś działanie, jakaś praca. Tu coś pocieramy, tam coś uderzamy, innym razem coś naciągamy… Praca to nic innego jak czynność wykonana przy pomocy siły. Im silnej naciągniemy cięciwę łuku, tym więcej się napracujemy, więcej zgromadzimy w łuku energii i tym dalej strzała pofrunie. Warto zapamiętać tę uniwersalną zasadę: im bardziej się napracujemy, tym efekt jest lepszy. Fizyka jest pod tym względem dosyć uczciwa.

Energia potencjalna

Do tej pory ustaliliśmy, że energią manipuluje się poprzez pracę, która to najczęściej wiąże się z użyciem siły. Ale gdzie w tym wszystkim miejsce na napięcie? Tak jak mówiłem napięcie jest dość blisko związane z energią. Ale z którą? Kinetyczną? A może chemiczną? Nic z tych rzeczy. Napięciu najbliżej jest do pojęcia energii potencjalnej.

Energia potencjalna to dość szczególny rodzaj energii, gdyż znajdziemy ją wszędzie tam, gdzie coś przemieszczamy. I nie tyczy się to tylko naciągania cięciwy, czy rozciągania sprężyny. Gromadzić energię potencjalną możemy wszędzie tam, gdzie jakiś obiekt zmienia swoje położenie: skrzynka, klocek, cegła czy co tam ci wyobraźnia podpowiada. Ale zaraz… Czy to znaczy, że jak przesunę skrzynkę mandarynek o 1 metr do przodu to automatycznie zgromadzę w niej energię potencjalną? Nie do końca.

Ideą gromadzenia energii potencjalnej jest przemieszczanie obiektów wbrew jakiejś sile zewnętrznej. Jeśli w ruchu który wykonujemy nic nam nie przeszkadza, to żadnej energii nie będziemy w stanie zgromadzić. Naciągając cięciwę łuku cały czas czujemy, że coś się nam sprzeciwia, coś nam przeszkadza – są to siły wynikające z konstrukcji łuku i jego elastyczności.

Przesuwając skrzynkę po płaskim podłożu nie narażamy się na kontrę ze strony jakiejś innej siły. Przez zmianę położenia nie zyskuje ona potencjału do zrobienia czegoś spektakularnego. Owszem, przy jej przesuwaniu musimy pokonać tarcie, a jeśli skrzynka była ciężka, to wymaga to od nas całkiem sporej siły i z pewnością należy nam się za to nagroda. Problem polega na tym, że tarcie jest zbyt mało wymagającym przeciwnikiem. Gdy tylko skrzynka dotrze do docelowego miejsca, tarcie przestaje sprawiać problemy i skrzynka zwyczajnie sobie stoi. Cała wykonana przy tym praca ulatuje w postaci ciepła spowodowanego tarciem skrzynki o podłożę.

Inaczej sprawa wygląda, jeśli taką skrzynkę przesuwać będziemy pod górę lub po prostu uniesiemy ją nad ziemię. W tym wypadku zyskujemy zupełnie nowego przeciwnika, który bardzo chce, by skrzynka utrzymała kontakt z podłożem i jest w dążeniu do tego bardzo uparty. Przeciwnikiem tym jest grawitacja.

Grawitacja to klasyczny przykład oddziaływania, które pozwala nam z łatwością gromadzić energię potencjalną. Jako że jej podstawowym zadaniem jest ściąganie wszystkiego na ziemię, to wystarczy, że zrobimy jej na złość i uniesiemy coś w powietrze – w ten niezwykle prosty sposób możemy zgromadzić nieco energii potencjalnej. Oczywiście trzeba pamiętać, że grawitacja działa na każdy obiekt z pewną siłą (Fg) i jeśli chcemy coś podnieść, siła naszych mięśni (Fm) musi być większa od siły grawitacji. Jako że grawitacja nigdy nie daje za wygraną, to nawet trzymając przedmiot w górze, przez cały czas czuć będziemy ,,nacisk” grawitacji, zwany inaczej ciężarem.

siła w polu grawitacyjnym
Na skrzynię przez cały czas działa siła grawitacji Fg. Aby unieść skrzynię, musimy przezwyciężyć ją siłą naszych mięśni Fm.

Trzymanie skrzynki w górze porównać możemy do utrzymania napiętego łuku lub naciągniętej sprężyny. W każdym z tych przypadków czujemy siłę, która przez cały czas nam się sprzeciwia i to jest właśnie oznaką zgromadzonej energii. Energii jest oczywiście tym więcej, im bardziej się napracujemy, a w przypadku grawitacji decydują o tym dwie rzeczy:

  • Im cięższy przedmiot podnosimy, tym energii jest więcej,
  • Im wyżej przedmiot podnosimy, tym energii jest więcej.

Nawet niezwykle ciężki przedmiot leżący spokojnie na płaskim podłożu nie jest w stanie niczego złego nam zrobić. Wystarczy jednak tylko podnieść go na odpowiednią wysokość, by jego energia drastycznie wzrosła, a upadek był potencjalnie tragiczny w skutkach. Energię fizycy lubią wyrażać w dżulach [J] i jeśli chciałbyś sprawdzić ile dżuli energii zgromadzi skrzynia o określonej masie, to skorzystać możesz z banalnego wzoru widocznego na poniższej grafice:

energia w polu grawitacyjnym
Im wyżej uniesiemy skrzynię, tym większa wykonana praca i więcej zgromadzonej energii

Elektryczna energia potencjalna

Tyle ,,gadam” o tej energii, a miałem przecież wyjaśnić czym jest napięcie elektryczne. Nie martw się – właśnie do tego zmierzam. Grawitacja jest bowiem o tyle charakterystyczna, że obszarem swego działa obejmuje całą naszą planetę, a nawet obszar daleko poza nią. Wygląda to zupełnie jak ogromne, niewidzialne pole siłowe, które wciąga cię w swoje objęcia i bardzo trudno się z niego wyrwać. Jeżeli czytałeś mój artykuł o ładunku i polu elektrycznym, to tam też pisałem o bardzo podobnym zjawisku – o tajemniczym polu siłowym otaczającym ładunki, tzw. polu elektrycznym. Gdyby ładunek elektryczny był rozmiaru naszej planety, to okazałoby się, że pola otaczające oba obiekty są dziwnie do siebie podobne:

Pole grawitacyjne i pole elektryczne wyglądają niezwykle podobnie…

Przypadek? W żadnym wypadku. Oddziaływanie grawitacyjne polega na przyciąganiu do siebie obiektów o pewnej masie (duża masa Ziemi przyciąga człowieka o małej masie), a oddziaływanie elektryczne na przyciąganiu (bądź odpychaniu) obiektów o pewnym ładunku. Oba pola mają niezwykle duży zasięg, ich ,,siła” słabnie wraz z oddalaniem się od ich centrum i oba pozwalają na gromadzenie energii. Pole grawitacyjne umożliwia gromadzenie energii potencjalnej, a pole elektryczne gromadzenie elektrycznej energii potencjalnej.

Czy elektryczną energię potencjalną pozyskuje się podobnie jak jej grawitacyjny odpowiednik? Nie do końca… Siła grawitacji jest siła przyciągającą – stąd gromadzić energię potencjalną możemy w jeden tylko sposób – unosząc obiekty na pewną wysokość. W przypadku wersji ,,elektrycznej” do głosu dochodzi fakt, że istnieją dwa rodzaje ładunków (dodatnie oraz ujemne) i mogą one oddziaływać na siebie dwojako. Widać to doskonale na poniższym rysunku:

Oddziaływanie elektromagnetyczne ładunków
Oddziaływanie elektromagnetyczne ładunków

Gromadzenie energii potencjalnej polega na sprzeciwianiu się siłom natury. Skoro zatem dwa ładunki dodatnie będą się zawsze odpychały (tak samo dwa ładunki ujemne), to my w celu zwiększenia energii musimy siłą je do siebie zbliżyć. Z kolei ładunek dodatni z ujemnym będą się zawsze przyciągać, dlatego tutaj energię gromadzimy odciągając ładunki od siebie. Wydaje się proste, prawda? I takie w rzeczywistości jest. Kondensatory znajdujące się w każdym urządzeniu elektronicznym gromadzą energię elektryczną właśnie w ten sposób. Utrzymują one ładunki dodatnie i ujemne w pewnej odległości od siebie i im więcej tych ładunków jest, tym większą energię udaje się gromadzić.

Ale czy ilość idzie zawsze w parze z jakością? Tutaj niestety czeka na ciebie pewna pułapka. Dla przykładu standardowa bateria AA w trakcie swojego życia przepuszcza przez nasze urządzenia tysiące kulombów ładunku (każdy kulomb to miliardy miliardów pojedynczych elektronów), przy czym energia jaką nam w tym czasie dostarcza wynosi około 13 000 dżuli. Wydaje się sporo, prawda?

A czy wiesz jaką energię podczas burzy wyzwala jedno uderzenie pioruna? Około 1 000 000 000 J. To ile w takim razie ładunków elektrycznych podczas takiego wyładowania płynie? I tutaj ciekawostka – zaledwie kilka kulombów…

Ogromna ilość ładunku nie wystarczy, by dostarczyć dużo energii

Skąd taka różnica? Dzieląc energię przez ilość ładunków wychodzi nam, że każdy kulomb ładunku w baterii ma energię 1,4 J, a w błyskawicy aż 66 000 000 J. Aby wyjaśnić tę dysproporcję wróćmy ponownie do przykładu grawitacji.

Podnosząc skrzynię ważącą 20 kg na wysokość 1 metra gromadzimy energię potencjalną równą około 200 J. Gdybyśmy jednak polecieli na Księżyc i tam zrobili dokładnie to samo, to zebrana energia wyniesie zaledwie 31 J. Na tej samej zasadzie puszczając obie skrzynie, ta na Ziemi huknie z impetem o podłoże, a na Księżycu leniwie opadnie na jego powierzchnię. Normalnie powiedzielibyśmy, że Księżyc ma słabszą grawitację. Elektryk natomiast stwierdziłby, że jego pole ma po prostu niższy potencjał.

Potencjał elektryczny

Potencjał to niezwykle przydatna i przy tym konkretna wartość pozwalająca nam porównywać ze sobą dwa różne pola. Na czym on polega? Na początek potrzebujemy nieco danych:

  • Podnosząc na wysokość jednego metra masę 10 kg, zgromadzimy energię potencjalną około 100 J.
  • Podnosząc na tę samą wysokość masę 20 kg energia wyniesie już 200 J.
  • Ta sama wysokość i masa 30 kg pozwoli nam osiągnąć 300 J energii.

Dzieląc energię przez liczbę kilogramów dowiemy się, że we wszystkich trzech przypadkach na każdy podniesiony kilogram masy przypada aż 10 J zebranej energii. I to jest właśnie istota potencjału. Wiedząc, że potencjał na danej wysokości wynosi 10 J / kg, a nasza skrzynia waży np. 23 kilogramy, to z łatwością możemy obliczyć, że zgromadzona energia wyniesie 230 J. I to właśnie w potencjale leży różnica między polem ziemskim, a księżycowym. U nas potencjał na wysokości 1 metra wynosi 10 J / kg (dżuli na kilogram), a na księżycu już tylko 1,5 J / kg. Podnoszenie dużych ciężarów jest zatem na Księżycu łatwiejsze, ale i mniej energii w ten sposób przetwarzamy.

Potencjał oczywiście rośnie wraz z wysokością. Przy dwóch metrach wyniesie on na Ziemi około 20 J / kg, a przy 3 metrach około 30 J / kg. Porównanie z Księżycem pokazuje poniższa grafika:

Potencjał pozwala bardzo łatwo porównać te same punkty dwóch różnych pól

Potencjał pola grawitacyjnego określa ilość energii (w dżulach) przypadającą na 1 kg masy. W elektryce działa to podobnie. Potencjał elektryczny oznacza się dużą literą V i określa on ilość energii (również w dżulach) przypadającą na 1 kulomb ładunku. Jego jednostką jest zatem [J/C], ale ze względu na to, że jest on w elektryce niezwykle ważną wielkością, to otrzymał on własną, znacznie wygodniejszą jednostkę nazwaną woltem, na cześć wynalazcy pierwszej baterii – Alessandro Volty.

O ile potencjał pola grawitacyjnego wzrasta wraz z oddalaniem się od powierzchni Ziemi, to z potencjałem elektrycznym tak już nie jest. Sprawę komplikuje ponownie istnienie dwóch różnych ładunków, dodatniego i ujemnego, których pola elektryczne są sobie przeciwne. Przyjęło się opisywać pole ładunku ujemnego jako przyciągające, a więc działające podobnie jak grawitacja. Pole ładunku dodatniego z kolei określa się mianem pola odpychającego. Dlaczego akurat tak? A dlaczego nie? Wybór ten jest oczywiście kwestią przyjęcia pewnej konwencji i musimy po prostu zaufać w tej sprawie fizykom. Oni wiedzą jak jest. Dla lepszego zapamiętania kierunek działania obu pól przedstawiam jeszcze na rysunku:

pole-elektryczne-ladunkow
Pole elektryczne ładunku dodatniego (po lewej) oraz ujemnego (po prawej).

Jako, że ładunek dodatni nas odpycha, to naturalnym wydaje się fakt, że im bliżej niego jesteśmy, tym większa staje się potencjalna energia. Z tego samego względu wraz ze zbliżaniem się do ładunku dodatniego potencjał jego pola rośnie.

Z drugiej strony ładunek ujemny zawsze nas przyciąga, stąd energii potencjalnej jest tym więcej im bardziej się od niego oddalimy. Co za tym idzie potencjał rośnie wraz z oddalaniem się od ładunku ujemnego.

Ale jak wyznacza się potencjał elektryczny? Równanie jest na szczęście niezwykle proste:


(1)   \begin{equation*} V  = k\frac{q_1}{r} \end{equation*}


Aby obliczyć potencjał elektryczny V wystarczy, że podzielimy wartość ładunku q przez odległość r w jakiej się od niego znajdujemy i całość pomnożymy jeszcze przez stałą kulomba k, aby nasze wyniki były prawidłowo wyskalowane w woltach. Sprawdźmy dla przykładu jaki potencjał znajduje się w odległości 10, 20 i 30 kilometrów od ładunku dodatniego +1 mC (mC = milikulomb) i ujemnego -1 mC. Oto wyniki:

Lewa część rysunku, ta z ładunkiem dodatnim, jest zgodna z naszymi przewidywaniami. Potencjał rośnie wraz ze zbliżaniem się do ładunku i wynosi kolejno 300 V, 450 V i 900 V. Co jednak stało się po prawej stronie? Potencjał owszem, maleje wraz ze zbliżaniem się do ładunku, ale skąd wzięły się tam ujemne liczby? Potencjał powinien przecież maleć do zera, prawda? Czy potencjał może być w ogóle ujemny?

Jednym słowem? Może. Jednym zdaniem? Energia potencjalna to pojęcie czysto względne i jej wartość zależy od wybranego przez nas punktu odniesienia. Może wróćmy do przykładu skrzyni – skrzynie są proste.

Załóżmy, że stoisz na ziemi, a przed tobą stoi skrzynka. Jej energia potencjalna wynosi zero. Unosisz ją teraz na pewną wysokość i jej energia potencjalna rośnie. W między czasie ktoś w miejscu gdzie stała wykopuje niewielki dołek. Następnie ty chcąc odłożyć skrzynię na to samo miejsce siłą rzeczy umieszczasz ją w tym dołku. Leży ona zatem poniżej punktu, który określiłeś na początku jako zerowy. Jaką energię potencjalną ma teraz skrzynia? Zero dżuli? Niemożliwe, leży przecież teraz w miejscu położonym niżej niż 0 J. W takim razie ma ujemną energię? Ale jak coś może mieć energię mniejszą od zera?

ujemna energia potencjalna
Wartość energii potencjalnej zależna jest od tego gdzie wybierzemy punkt zerowy

Zgodnie z założeniami królującej obecnie mechaniki kwantowej nie może istnieć obiekt, którego energia wynosi zero, ani tym bardziej jest ujemna. Nawet w temperaturze zera absolutnego materia posiada pewną energię kinetyczną, a atomy ją budujące delikatnie wibrują. Ale czy nas w ogóle obchodzi całkowita energia podnoszonej skrzyni? W tym wypadku nie. Podnosząc skrzynie jedyną energią jaką trwale zmieniamy jest energia potencjalna i nie ma ona nic wspólnego z wibracjami atomów w jej wnętrzu. W końcu do czego miałyby nam się one przydać? Jedyną rzeczą, która nas w tym wypadku interesuje jest energia zyskana przez skrzynię, którą następnie będzie mogli jakoś wykorzystać.

Słowo klucz: zmiana energii. Zauważyłeś jak cały czas powtarzam, że unoszona skrzynia zyskuje energię. To znaczy, że zdobywa coś, czego wcześniej nie miała, a zatem zaszła pewna zmiana energii. Zmiana ta jest różnicą pomiędzy tym ile tej energii mamy teraz, a ile było jej na początku. W przypadku grawitacji zawsze na początku coś leży na ziemi i jest to punkt, któremu naturalnie przypisujemy energię 0 J. Kiedy coś z tej ziemi podniesiemy, to energia tego czegoś wzrasta. Fizycznie niemożliwym jest by coś nagle ,,zapadło się pod ziemię”, no chyba że ktoś niespodziewanie wykopie pod nami dół… Stąd w kwestii grawitacji nie napotkamy raczej czegoś takiego jak ujemna energia czy ujemny potencjał.

Inaczej sprawa ma się w świecie ładunków elektrycznych. Tutaj mieszanie się ładunków ujemnych i dodatnich sprawia, że energia i potencjał przyjmować mogą cały przekrój wartości, a punkt zerowy przekracza się często w dodatnią jak i ujemną stronę. Ale wiesz co? Nie ma to tak naprawdę znaczenia, bo w przypadku dowolnej energii potencjalnej jedynym co się liczy to zmiana energii, a jeszcze istotniejsza jest różnica potencjałów.

Napięcie elektryczne

Weź do ręki dowolną baterię. Znajdziesz na niej sporo różnych oznaczeń, wśród nich nazwę producenta, czy chociażby symbole + oraz – oznaczające bieguny baterii. Znajdziesz tam też pewną wartość z towarzyszącą jej literką ,,V”.

Czymże jest tajemnicze ,,9 V” widoczne na baterii?

Na małych bateriach będzie to ,,1,5 V”, na większych nawet ,,9 V”. Symbol V oznacza wolty, a te jak wiesz są jednostką potencjału elektrycznego. Czy zatem widoczna na baterii wartość dotyczy potencjału bieguna dodatniego? A może bieguna ujemnego? Blisko, ale nie do końca. Jest to tak naprawdę wartość wskazująca różnicę potencjałów obu biegunów i nazywa się ją potocznie napięciem elektrycznym.

Producent baterii nie jest w stanie określić jaki potencjał ma każdy z biegunów baterii. Wie on natomiast ile energii chce użytkownikowi baterii dostarczyć i umie policzyć sobie, o ile wyższy musi być jeden potencjał od drugiego, by tę ilość energii wygenerować. Nie ma tutaj znaczenia, czy potencjały biegunów baterii mają kolejno 0 V i 9 V, czy może 5000 V i 5009 V. W elektryce sama wartość potencjałów nie mówi nam nic, za to kolosalne znaczenie ma ich różnica.

Wybacz, że po raz setny powracam do przykładu z grawitacją ale myślę, że mam w zanadrzu obrazek, który idealnie pokaże, dlaczego to właśnie napięcie jest najważniejsze. Załóżmy, że podnosimy dwie identyczne skrzynki na tę samą wysokość 5 metrów. Różnica polega na tym, że znajdują się one w zupełnie różnych miejscach. Niebieska jest nad morzem, a zielona gdzieś wysoko w górach.

Potencjał i energia to rzecz względna

Żeby móc jakoś porównać ze sobą energię obu skrzyń, musimy znaleźć im jakiś wspólny punkt odniesienia. Najlepszy będzie chyba tak zwany poziom morza. Jest on taki sam dla wszystkich, więc bez problemu możemy oznaczyć go jako nasz punkt zerowy, przy którym wartość energii wynosi 0 J, a potencjał 0 J / kg.

Skrzynia zielona znajduje się w miejscu, w którym powierzchnia ziemi ulokowana jest na wysokości 1000 m n.p.m. Stojący tam człowiek podnosi ją na 5 metrów w górę, przez co skrzynia ostatecznie uzyskuje wysokość 1005 m n.p.m. Podobnie jest ze skrzynią niebieską, z tym że jej punkt początkowy to 50 m n.p.m, a końcowy to 55 m n.p.m.

Gdybyśmy nie znali początkowego położenia skrzyń i spojrzeli jedynie na suche liczby, to bylibyśmy pod wrażeniem wytrzymałości człowieka, który zdołał wnieść zieloną skrzynię aż na 1005 m w górę i spojrzelibyśmy z politowaniem na tego, który wciągnął niebieską zaledwie na 55 m.

Kiedy jednak weźmiemy pod uwagę punkt startowy, to okaże się, że różnica potencjałów obu punktów nie była wcale tak duża – każda ze skrzyń znalazła się jedynie 5 metrów wyżej od punktu początkowego. Co za tym idzie skrzynia na wysokości 1005 m n.p.m. osiągnęła taka samą (i niezbyt dużą) wartość energii, co skrzynia zielona na wysokości 55 m n.p.m.

To napięcie sprawia, że burze są tak niebezpieczne, a baterie… nie.

I tutaj powracamy do zagadki z błyskawicą i baterią. Czy wiesz już dlaczego energia w trakcie wyładowania atmosferycznego jest tak ogromna? Bo między chmurą burzową, a powierzchnią ziemi wytwarza się różnica potencjałów w zakresie od setek tysięcy do kilku milionów woltów! Napięcie małej baterii rzędu 1,5 V jest przy tym ledwie zauważalne… To tak jakby porównywać kilogramowy odważnik spadający z wysokości 1 mm i 10 kilometrów. Zupełnie inny potencjał, zupełnie inna energia, zupełnie inny efekt.

I tym oto sposobem…

…dotarliśmy do sedna całej sprawy. Mam nadzieję, że udało mi się pokazać ci czym tak naprawdę jest napięcie i dlaczego jest ono niezwykle ważne kiedy mówimy o energii elektrycznej. Prawdziwa zabawa zacznie się oczywiście dopiero wtedy, gdy nasze ładunki wprawimy w ruch i napięcie wykorzystywać będziemy do przesyłania energii. O tym jednak (i o wielu innych ciekawych rzeczach) opowiemy sobie już innym razem. Dzięki za poświęcony czas!

Bibliografia

  1. Podstawy teorii pola elektromagnetycznego – Z. Piątek, P. Jabłoński, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa,
  2. Podstawy elektrodynamiki – David J. Griffith, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa,
  3. 8.02x (Physics II: Electricity and Magnetism) – W. Lewin, wykłady uczelni MIT dostępne pod adresem: https://www.youtube.com/channel/UCiEHVhv0SBMpP75JbzJShqw


Czekasz na więcej?

Napisanie jednego artykułu zajmuje mi około dwa tygodnie. Chcę by moje treści były maksymalnie przydatne, rzetelne i poparte wiedzą naukową. Jeśli masz ochotę dołączyć do grona znawców Teorii Elektryki to zapraszam do zapisania się na newsletter lub do zajrzenia na facebook’a. W ten sposób nie umknie ci żaden nowy artykuł!

.

Ten post ma 7 komentarzy

  1. Rita

    Do artykułu wkradł się mały błąd: „wraz ze zbliżaniem się do ładunku dodatniego potencjał jego pola rośnie” – powinno być „wraz z oddalaniem się od ładunku dodatniego potencjał jego pola rośnie”.
    Świetnie mi się czytało. Mogę powiedzieć wreszcie: to tym tak naprawdę jest napięcie! Dziękuję za przystępnie podaną wiedzę

    1. Artur Szulc

      To nie błąd – im bliżej ładunku dodatniego jesteśmy, tym potencjał faktycznie jest większy. Wynika to ze wzoru podanego zaraz za cytowanym przez Ciebie fragmentem i widać to też na następnej grafice.

      1. Rita

        Faktycznie, wszystko się zgadza – potencjał rośnie jeżeli poruszamy się w stronę przeciwną do zwrotu linii sił pola. Dla ładunku dodatniego musimy więc iść w jego stronę by potencjał był coraz to większy. Nie wiem czemu wcześniej mi się to nie zgadzało, dziękuję za wyjaśnienie.

  2. Krzysztof

    Pierwszy raz korzystam z tego serwisu i muszę stwierdzić, że teoria jest podana w wyśmienity sposób bo nawet ja zrozumiałem wykład. Szkoda że nie był Pan moim nauczycielem w szkole bo pewnie był bym dzisiaj w innym miejscu.

  3. ciekawski

    Zastanawia mnie się różnica potencjałów między chmurą burzową a ziemią. Wytrzymałość elektryczna powietrza wynosi przy ciśnieniu 1 atmosfery i temperaturze 0 stopni Celsjusza 32kV/cm. W artykule napisałeś, że wyładowanie elektryczne może wynosić 100 tysięcy woltów. Zatem takie napięcie (100kV/32kV= 3,125) przebiło by jakieś 3,125cm powietrza a chmury burzowe tworzą się o wiele wyżej 2-20km. Skąd takie dysproporcje? Wiem, że nie wziąłem pod uwagę wilgotności powietrza i zmiany ciśnienia na różnych wysokościach ale czy to by tłumaczyło tak sporą dysproporcję?

    1. arturoszulc@gmail.com

      Myślę, że odpowiedź na Twoje pytanie znajdziesz w innym moim artykule, tym o przebiciu elektrycznym. Jeśli po jego przeczytaniu będziesz miał jeszcze jakieś pytania, to zapraszam do dyskusji:
      https://teoriaelektryki.pl/czym-jest-przebicie-elektryczne/

      W skrócie chodzi o to, że to nie napięcie ma tutaj znaczenie, a natężenie pola elektrycznego.

      1. ciekawski

        Ok, dzięki. Czytam artykuły po kolei i akurat to wzbudziło moją wątpliwość. Jutro dotrę do przebicia elektrycznego.

Dodaj komentarz