Czym jest prąd elektryczny?

Czym jest prąd elektryczny?

Co jest niezbędne, aby płynął prąd? Jakie są rodzaje prądu? Dlaczego tak ważny dla prądu jest ruch? Jaka jest jednostka prądu elektrycznego? Rozpoczynamy serię artykułów na temat elektrodynamiki!

Tam gdzie prąd, tam ładunek

Zanim zajmiemy się prądem jako takim, warto wiedzieć co jest niezbędne do jego wytworzenia. Podstawowym składnikiem prądu jest ładunek elektryczny. Tak jak nie możemy mówić o wodospadzie bez wody, tak nie istnieje prąd bez ładunku. Ładunek nie jest pojęciem wymyślonym przez nauczycieli fizyki tylko po to, by gnębić niewinnych uczniów. Jest on jak najbardziej rzeczywisty i mamy z nim do czynienia każdego dnia:

  • Rozpuszczana w wodzie sól rozpada się na taką samą ilość ładunków dodatnich i ujemnych (cząstek zwanych jonami)
  • Pocieranie nadmuchanym balonem o kawałek materiału powoduje nagromadzenie ładunku, przez co balon zaczyna przyklejać się do różnych gładkich powierzchni.
  • Iskry i wyładowania atmosferyczne to efekt nagromadzenia i uwolnienia ogromnej ilości ładunku elektrycznego
  • Baterie i akumulatory to nic innego jak fabryki ładunku elektrycznego

Ładunek sam w sobie nie ma postaci fizycznej – nie jest żadnym rodzajem cząsteczki. Podobnie jak masa jest on jedynie pewną cechą fizyczną materii. I tak jak na każdy obiekt o pewnej masie oddziałuje siła grawitacji, tak na obiekt o pewnym ładunku oddziałuje siła elektromagnetyczna, zwana siłą Coulomba.

Oddziaływanie elektromagnetyczne ładunków
Oddziaływanie elektromagnetyczne ładunków

Siła Coulomba nie dość, że jest znacznie większa od grawitacyjnej, to potrafi działać w dwóch kierunkach: przyciągać lub odpychać cząsteczki. Kierunek działania siły zależy od rodzaju ładunków jakie się spotkają (wyróżniamy ładunki dodatnie oraz ujemne), co przedstawiłem na obrazku powyżej. Fizyka zna oczywiście wiele cząstek obdarzonych jednym, bądź drugim ładunkiem, ale w elektryce i elektronice liczy się tylko jedna – elektron.

Elektrony to niezwykle małe i lekkie cząstki obdarzone ładunkiem ujemnym. Zwyczajowo krążą one sobie spokojnie wokół jąder atomowych, wypełnionych protonami (o ładunku dodatnim). Przyroda uwielbia równowagę, stąd liczba protonów i elektronów jest zwykle taka sama i ładunek całego atomu wynosi zero. Jeśli jednak coś zmusi elektron do opuszczenia swojej orbity, to równowaga atomu zostaje zaburzona. Elektron staje się wolnym ładunkiem ujemnym, a wybrakowany atom, z powodu przewagi protonów, staje się dodatnio naładowaną cząstką zwaną jonem.

Atom pozbawiony elektronu staje się jonem dodatnim (kationem)

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na temat ładunków, to zapraszam do mojego artykułu na ten temat:

Czym jest ładunek elektryczny? – Teoria Elektryki

Dowiesz się tam jak zmierzyć ładunek, jak go gromadzić oraz dlaczego nie może on od tak pojawić się, ani zniknąć. Jeśli będziesz mieć jakieś dodatkowe pytania, zapraszam do komentowania.

Prąd = Ruch

Dźwięk, światło, zapach, kolor – wszystkie te zjawiska łączy wspólny mianownik – ruch cząstek. Nie inaczej sprawa ma się z prądem elektrycznym, który jest w rzeczywistości ruchem ładunków elektrycznych.

Wspomniane wcześniej wolne elektrony, po wprawieniu w ruch tworzą tzw. prąd elektronowy. Napotkać go możemy w liniach wysokiego napięcia jak i wszystkich przewodach ukrytych w naszym domu. Dlaczego akurat tam? Otóż przewody elektryczne wykonane są z metali, które wypełnione są ogromnymi ilościami wolnych elektronów (to one nadają charakterystyczny, metaliczny połysk). Wolne elektrony to cząsteczki niezwiązane z żadnym konkretnym atomem i nawet niewielka siła zewnętrzna może sprawić, że wszystkie w mgnieniu oka podążą we wspólnym, określonym kierunku. Cechy te sprawiają, że metale świetnie przewodzą prąd elektronowy, stąd też nazywane są przewodnikami.

Metale wypełnione są wolnymi elektronami swobodnie przemieszczającymi się między atomami.

Przewodność metali jest tak duża, że wytworzony w nich prąd musimy sztucznie ograniczać, poprzez umieszczanie na drodze elektronów przeszkód, zwanych opornikami. Gdyby nie one, większość urządzeń elektrycznych uległaby zniszczeniu zaraz po załączeniu zasilania. Niezahamowany strumień elektronów to ogromna energia, której towarzyszy wzrost temperatury, mogący bez problemu wzniecić pożar, doprowadzić do eksplozji jak i bezpośrednio zagrażać naszemu życiu. Dlatego też jeśli nie jesteśmy pewni co robimy, lepiej trzymać się od prądu elektrycznego z daleka.

Na pewno słyszałeś kiedyś o tym, że woda i elektryczność nie idą ze sobą w parze. W rzeczywistości czysta woda w ogóle nie przewodzi prądu (należy ona do izolatorów), a to dlatego, że wszystkie elektrony w jej strukturze są ściśle powiązane ze swoimi atomami. Inaczej sprawa wygląda wtedy, gdy coś w tej wodzie rozpuścimy, np zwykłą sól. Wówczas woda zamienia się w roztwór wypełniony dodatnimi i ujemnymi jonami.

Woda kranowa, deszczowa czy morska są przykładami roztworów wypełnionych jonami

Woda jest cieczą, a ciecze mają to do siebie, że cząstki je tworzące są ze sobą dość luźno powiązane i mogą się niemal swobodnie przemieszczać. Ta sama zasada tyczy się związków, które w tej wodzie rozpuścimy. Rozpuszczone w roztworze jony możemy zatem traktować jak takie przerośnięte ,,wolne elektrony”. I mimo, że są one dziesiątki tysięcy razy od nich cięższe i znacznie mniej ruchliwe, to z punktu widzenia elektromagnetyzmu posiadają tę samą wartość ładunku i tak samo zdolne są do wytworzenia prądu, zwanego prądem jonowym.

Czy to ma sens? Czy gdziekolwiek na świecie korzysta się z prądu jonowego przesyłanego za pomocą rur wypełnionych słoną wodą? Wydaje mi się, że nie, ale za to jedno wiem na pewno: Z prądu jonowego korzysta każde urządzenie, które zasilane jest za pomocą baterii. Baterie nie byłyby w stanie dostarczać nam energii elektrycznej, gdyby wewnątrz nich nie płynął prąd jonowy.

Jak myślisz, czy w gazach (np. w powietrzu) również może płynąć prąd? Oczywiście, że tak! Szczęśliwie dla nas możliwe jest to jedynie w specjalnych warunkach, których świetnym przykładem są wyładowania atmosferyczne. W trakcie burzy następuje nagromadzenie ładunku elektrycznego na ogromną skalę. W pewnym momencie ładunek staje się tak duży, że jest w stanie odebrać elektrony nawet najbardziej opornym atomom. Cząsteczki powietrza zostają dosłownie rozerwane na kawałki, a uwolnione elektrony tworzą niezwykle krótki, ale potężny impuls prądu elektronowego, któremu towarzyszy błysk i wyraźny huk.

Ostatni składnik – napięcie elektryczne

Aby elektrony i jony zasiliły nasze urządzenia (a więc przyniosły nam energię elektryczną) musimy zmusić je do ruchu w wybranym przez nas kierunku. Tym co może nam w tej sytuacji pomóc jest wspomniana na początku artykułu siła Coulomba.

Metalowe przewody wypełnione są wolnymi elektronami o ujemnym ładunku. Wiemy, że ładunki przyciągają się lub odpychają, stąd aby przemieścić wolne elektrony w wybranym kierunku mamy dwie możliwości:

  • umieścić na jednym końcu duży ładunek dodatni, który przyciągnie elektrony
  • umieścić na drugim końcu duży ładunek ujemny, który odepchnie elektrony
W obu przypadkach elektrony podążą w tym samym kierunku, tworząc prąd elektryczny

O punkcie, w którym zgromadzony jest duży ładunek dodatni mówi się, że ma wysoki potencjał. Analogicznie tam gdzie ładunek jest ujemny, tam i potencjał jest niski. Elektrony zawsze podążają w stronę wyższego potencjału. Gdybyśmy po obu stronach przewodu (pomijamy jego długość) umieścili taki sam ładunek dodatni (a więc oba końce miałyby ten sam potencjał), to elektrony przyciągane byłyby do nich z jednakową siłą, przez co… w ogóle nie ruszyłyby z miejsca.

Z kolei jeśli oba ładunki byłyby dodatnie, ale jeden z nich miałby większą wartość, to powstała w ten sposób różnica potencjałów byłaby już w stanie wytworzyć prąd elektryczny.

Mimo, że oba ładunki są dodatnie, to napięcie między nimi wynosi 14 V.

Różnica potencjałów potocznie zwana jest napięciem elektrycznym i wyrażana jest w woltach [V]. W dużym uproszczeniu możemy traktować ją jak siłę napędzającą elektrony – im jest ona większa, tym większy prąd jest w stanie popłynąć. Więcej o potencjale i napięciu pisałem pod tym linkiem:

Czym jest napięcie elektryczne? – Teoria Elektryki

Jednostka prądu elektrycznego

Wiemy już, że napięcie elektryczne jest siłą zdolną przemieszczać ładunki i że w ten sposób powstaje prąd elektryczny. Ale jak określić jak duży prąd przepływa przez przewód?

Każdy pojedynczy elektron przemieszczający się w przewodzie niesie ze sobą odrobinę energii, którą żarówki zamieniają na światło, a grzejniki na ciepło. Mocniejsza żarówka może nam dać więcej światła, ale potrzebuje do tego więcej energii, zatem więcej elektronów musi przez nią przepłynąć w tym samym czasie.

Ilość ładunku jaka przepływa przez dany punkt w określonym czasie zwana jest natężeniem prądu elektrycznego:

(1)   \begin{equation*} I = \frac{Q}{t} \end{equation*}

I – symbol natężenia prądu elektrycznego
Q – ładunek elektryczny (wyrażony w kulombach [C])
t – czas przepływu ładunku (wyrażony w sekundach [s])

Jednostką natężenia prądu elektrycznego w układzie SI jest amper (na cześć francuskiego fizyka Andrè Ampère’a). Jeden amper odpowiada ładunkowi jednego kulomba przepływającego w czasie jednej sekundy:

(2)   \begin{equation*} 1\ \text{A} = \frac{1\ \text{C}}{1\ \text{s}} \end{equation*}

Natężenie 1 A oznacza, że w każdej sekundzie przez wybrany punkt przewodu przepływa ponad sześć trylionów elektronów. Czy to dużo? W elektronice tak duży prąd jest niemal niespotykany i na ogół operuje się wartościami w okolicach mikro i mili amperów. W elektryce i automatyce prądy rzędu kilkudziesięciu amperów to chleb powszedni, natomiast w przypadku energetyki 100 A to wartość, od której dopiero zaczyna się rozmawiać.

Natężenie prądu mierzy się zawsze w konkretnym punkcie. Musimy zatem fizycznie wpiąć się w ścieżkę, którą podążają elektrony

Podstawowe zagadnienia na temat prądu elektrycznego mamy opanowane. Pozostaje jednak szereg innych pytań wartych odpowiedzi. W kolejnych artykułach postaramy się dowiedzieć między innymi:

  • co dzieje się z elektronami, gdy już dotrą do punktu o wysokim potencjale?
  • dlaczego wszyscy myślą, że prąd płynie w odwrotnym kierunku?
  • czy prąd może płynąć w dwie strony jednocześnie?
  • jak to możliwe, że prąd może płynąć nawet gdy elektrony niemal się nie poruszają?

Serdecznie zapraszam do komentowania, oraz do polubienia mojego bloga na facebook.com/TeoriaElektryki, dzięki czemu nie przegapisz kolejnych artykułów!


Bibliografia

  1. Elektronika łatwiejsza niż przypuszczasz – D. Nuhrmann, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 1983,
  2. Teach Yourself Electricity and Electronics, S. Giblisco, S. Monk, MacGraw Hill, 2016,
  3. Podstawy Elektrodynamiki – D. Griffiths, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2001,

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 10 komentarzy

  1. Marek

    Dziękuję za ten wpis!

  2. Alicja

    Świetnie napisane! Elektryka zawsze była tym działem fizyki, który sprawiał mi pewne trudności, a Twoje artykuły nie tylko tłumaczą zrozumiale te zagadnienia, ale nawet są w stanie mnie zaciekawić 😉 Dobra robota, dziękuję!

  3. Dawid

    Czy elektrony poruszają się z jedną prędkością ? Czy jednak ta prędkość może ulec zmianie ?
    PS. Świetny artykuł , ciekawie napisany.

  4. mateusz

    o dzieje się z elektronami, gdy już dotrą do punktu o wysokim potencjale?

    Kiedy ten artykuł się ukaże??

    1. TeoriaElektryki

      Zależy to od tego w jaki sposób różnica potencjałów jest wytwarzana. W baterii na przykład biorą udział w reakcjach chemicznych i znikają w odmętach elektrolitu. W elektrowniach są na nowo pompowane do obiegu, a w przypadku doziemienia ulatują w głąb naszej planety, a dalej może dziać się z nimi wiele rzeczy.

  5. mateusz

    gdzie idzie prąd z powrotem do elektrowni czy do ziemi

  6. Mimi

    Z przyjemnością czytam Twojego bloga, nadrabiam zaległości w rozumieniu zagadnień związanych z prądem, których nie potrafili zobrazować w szkole 🙂 każdy artykuł jest ciekawy i świetnie przygotowany, najbardziej w pamięć zapadł mi ten o porównaniu baterii, dziękuję 🙂

    1. TeoriaElektryki

      Cieszę się, że czytanie moich treści sprawia Ci frajdę! Ten o bateriach też jest póki co moim ulubionym artykułem 😉

Dodaj komentarz