W książkach traktujących o elektrotechnice możemy natknąć się na sformułowania w stylu: spadek napięcia na rezystorze. Czy nie zastanawiało Cię dlaczego rezystor powoduje spadek napięcia i co to tak naprawdę znaczy? Zapraszam na artykuł w którym wyjaśniam ten fenomen.
Napięcie – prawda czy fikcja?
Ładunki elektryczne nie poruszają się w naszych przewodach z własnej woli i potrzebują do tego pewnej zachęty. W świecie elektrycznym ową zachętą jest napięcie. Im jest ono wyższe, tym większa siła popycha elektrony, przez co poruszają się one szybciej. Szybszy przepływ elektronów = większy prąd. To wszystko może wydawać się proste i oczywiste, ale ostrzegam, że to co napiszę za chwilę może całkowicie wywrócić Twój świat do góry nogami.
Napięcie elektryczne nie istnieje. Mam na myśli to, że nie jest ono zjawiskiem fizycznym samym w sobie, tak samo z resztą jak potencjał. Napięcie oraz potencjał to pojęcia matematyczne wymyślone przez ludzi, którzy nie byli w stanie zobaczyć energii (bo jej nie widać), ale bardzo chcieli ją w jakiś sposób opisać.
W prądzie elektrycznym nie chodzi wszak o to, by elektrony płynęły bez celu od jednego bieguna baterii do drugiego. Cała gra idzie o energię jaką mogą nam przy okazji tego ruchu dostarczyć. I choć to właśnie energia jest w całej tej ,,elektrycznej rodzinie” najważniejsza, to z jakiegoś powodu o napięciu i potencjale pisze się zwykle więcej. Dlaczego? Wydaje mi się, że są one po prostu świetnym i bardzo klarownym opisem tejże energii. Znając napięcie od razu wiemy z czym mamy do czynienia i ile możemy z tego wykrzesać.
Domyślamy się na przykład, że bateria o napięciu 1,5 V nigdy nie wyzwoli takiej energii jak uderzenie błyskawicy o napięciu kilkuset milionów woltów. Wiemy też, że małej diody LED lepiej nie wpinać do gniazdka elektrycznego, bo napięcie 230 V natychmiast ją uśmierci. To samo napięcie będzie z kolei świetne do zasilenia typowej żarówki, której na pewno nie rozświetli podłączenie do zwykłego ,,paluszka”.
Związek napięcia i energii jest więc prosty – im więcej woltów, tym więcej energii niesie ze sobą każdy pojedynczy elektron. Równie łatwo możemy przeliczyć napięcie na energię. Dla przykładu, napięcie 230 V to dokładnie 230 J/C (dżuli na kulomb). To znaczy, że jeden kulomb ładunku niesie ze sobą energię 230 dżuli.
Jeśli wcześniej nie słyszałeś o czymś takim jak kulomb, to w przybliżeniu ładunek 1 kulomba odpowiada 6 trylionom elektronów zgromadzonych w jednym miejscu. Więcej o związku napięcia i ładunku pisałem w obszernym artykule, do którego link poniżej:
Czym jest napięcie elektryczne? – artykuł na TeoriaElektryki.pl
Kiedy napięcie spada?
Wydawać by się mogło, że skoro w gniazdku mamy 230 V, a na baterii napisane jest 3 V, to wartości te są stałe – inaczej niezmienne. Nic bardziej mylnego, jak mawia klasyk. Napięcie spada z różnych powodów, a trzy najważniejsze wypisałem poniżej:
W pierwszych rozdziałach większości książek do elektrotechniki czytamy o napięciu, prądzie, czy rezystancji. Uradowani, że wszystko załapaliśmy przechodzimy następnie do rozdziału o obwodach elektrycznych. Możemy tam napotkać rysunek prostego obwodu: jest bateria, kilka rezystorów, jakaś żarówka, a poniżej opis: ,,Napięcie baterii wynosi 9 V. Spadek napięcia na każdym z rezystorów wynosi 2 V. Spadek napięcia na żarówce równy jest 1 V…„. Ale jak to? Przed chwilą czytałem o napięciu i nie było tam mowy o tym, że coś może je zaburzyć! Dlaczego w ogóle rezystor i żarówka powodują spadek napięcia?
Aby odpowiedzieć na to pytanie pokażę kilka przykładów, do zrozumienia których potrzebne nam będzie Prawo Ohma. Jeśli je znasz – świetnie. Jeśli nie jesteś do końca pewien swojej wiedzy, to polecam zapoznać się z przygotowanym przeze mnie artykułem:
Spadek napięcia na żarówce
Weźmy baterię o napięciu 3 V i podłączmy do niej małą żarówkę przystosowaną dokładnie do tego napięcia. Nie przejmujemy się teraz takimi zjawiskami jak wpływ temperatury żarnika na rezystancję. Przyjmijmy, że żarówka zachowuje się jak zwykły rezystor, tylko że ładnie świeci 🙂 .
No właśnie, ale dlaczego żarówka świeci? Jak możesz się domyślić, dzieje się tak za sprawą energii elektrycznej płynącej z baterii. Na energię składa się prąd (czyli płynące w obwodzie elektrony) oraz napięcie, które je popycha. Aby dowiedzieć się jak duży prąd płynie przez żarówkę, możemy albo go zmierzyć bezpośrednio amperomierzem, albo zmierzyć rezystancję żarówki i załatwić resztę kilkoma prostymi działaniami matematycznymi.
Załóżmy, że rezystancja żarówki wynosi 60 Ω. Podstawiając ją i napięcie baterii do prawa Ohma, otrzymamy natężenie prądu równe 0,05 A.
To czy takie napięcie w parze z takim prądem rozświetli żarnik zależy tak naprawdę od jego konstrukcji. Ale co tam się w środku dokładnie dzieje?
W momencie zamknięcia obwodu tworzymy zamkniętą, przewodzącą ścieżkę między ujemnym i dodatnim biegunem baterii. Elektrony wypychane napięciem z bieguna ujemnego mają wreszcie drogę, którą mogą podążyć i dostać się do bieguna dodatniego. Po drodze znajduje się jednak pewna przeszkoda, którą jest żarówka.
Żarnik żarówki, dla rozpędzonych, niosących energię elektronów przypomina jeden wielki tor przeszkód. Nie przez przypadek jest on wykonany z niezwykle cienkiego i słabo przewodzącego, wolframowego drucika. Wpływając do żarnika, elektrony tłoczą się i zderzają z jego atomami (a według kilku teorii nawet ze sobą wzajemnie). Zderzenia te powodują chwilowe spowolnienie elektronów i utratę energii.
Bezlitośnie obijane atomy żarnika wpadają w coraz silniejsze wibracje, przez co żarnik rozgrzewa się do oślepiającej białości. W ten sposób żarówka zaczyna świecić, a wszystko to kosztem małych, biednych elektronów.
Powyższa animacja to oczywiście tylko prosta wizualizacja tego jak takie zderzenia mogłyby wyglądać. W rzeczywistości światem elektronów rządzi mechanika kwantowa, a tam nasz wzrok niestety nie sięga. To co widzimy na zewnątrz – rozgrzany, świecący żarnik – łudząco przypomina znany nam z makro-świata efekt tarcia i prostych zderzeń mechanicznych. Skoro więc i tak nie wiemy jak elektrony wyglądają i co robią wewnątrz przewodów, to możemy jedynie tworzyć proste wizualizacje, które możliwie jak najlepiej oddają skutki ich działań. Tak to na dzień dzisiejszy wygląda.
Pomijając już kwestie stojącej za tym wszystkim mechaniki, to w ogólny rozrachunku cały proces to nic innego jak festiwal przemiany jednego rodzaju energii w drugi. Energia chemiczna zgromadzona w baterii zamieniana jest na energię kinetyczną wysyłanych do obwodu elektronów. Ta z kolei, w trakcie zderzeń z atomami żarnika przeistacza się w energię cieplną, której ilość jest tak ogromna, że żarnik rozgrzewa się i rozbłyska. Możemy zatem jednym zdaniem powiedzieć, że żarówka świeci dzięki odbieraniu energii od napływających elektronów.
Wcześniej pisałem o tym, że duże napięcie to duża energia elektronów. Skoro zatem żarnik jest miejscem, w którym energia elektronów jest zużywana, to znaczy, że niejako napięcie w jakim płyną musi maleć, prawda?Zapraszam dalej.
Napięcie naszej baterii wynosi 3 V. Elektrony przemieszczają się z ujemnego bieguna baterii, którego potencjał powszechnie przyjmuje się jako 0 V, do bieguna dodatniego o potencjale +3 V. Jeżeli po obu stronach baterii podłączymy woltomierz, to taką właśnie różnicę potencjałów nam on wskaże.
Gdyby nasz żarnik był na tyle duży, że moglibyśmy jedną z sond woltomierza przyłożyć na przykład w połowie jego długości, to okazałoby się, że… napięcie wynosi tam tylko połowę napięcia baterii, czyli 1,5 V.
Wydaje się to logiczne: skoro elektrony płynąc przez żarnik oddają mu całą energię, to po pokonaniu połowy jego długości powinny oddać połowę tej energii. A połowa energii = połowa napięcia, czemu dowodzi woltomierz.
Przesuwając sondę dalej napięcie będzie wciąż spadać, aż wreszcie znajdzie się ona za żarnikiem i tutaj miernik wskaże nam wartość 0 V. Elektrony przekazały co miały w zanadrzu i teraz pozostało im tylko dotrzeć do bieguna dodatniego.
Tak naprawdę na tym odcinku przewodu między sondami, a także dalej, do bieguna dodatniego, napięcie nie wynosi 0 V. Przewody również mają pewną rezystancję i również zużywają nieco energii. Napięcie baterii rozkłada się więc zarówno na przewody, jak i żarówkę. Wspomniana rezystancja przewodów jest jednak tak pomijalnie mała, że nasz miernik nie jest nawet w stanie jej pokazać i wygląda to tak, jakby elektrony zużyły całe napięcie. Gdyby tak było, to za żarówką by się zatrzymały, a jednak docierają one do bieguna dodatniego.
Z powodu pomijalnej rezystancji przewodów, możemy w przybliżeniu powiedzieć, że to odbiornik (żarówka) zużywa całą energię i całe napięcie. Fachowo powiedzielibyśmy, że w tym wypadku spadek napięcia na żarówce wynosi 3 V. Wracając do definicji fizycznej – elektrony dostarczyły do żarówki energię 3 dżuli na kulomb.
Spadek napięcia na kilku rezystorach
Co w sytuacji, gdy w obwodzie znajdują się dwie lub więcej żarówek, wpiętych jedna za drugą? Skoro jedna żarówka ,,zjada” praktycznie całą energię, to co zostaje dla pozostałych?
Przed chwilą widziałeś, że napięcie w połowie żarnika wynosi 1,5 wolta. A gdybyśmy tak żarnik przecięli w tym miejscu i oba kawałki połączyli drutem? Czy cokolwiek się zmieni?
W teorii zamiast jednej żarówki mamy teraz dwie o rezystancji 30 Ω każda. Ale czy z punktu widzenia baterii cokolwiek się zmieniło? Wciąż musi ona pokonać łączny opór o wartości 60 Ω. Tak jak w połowie poprzedniego żarnika zużyta została połowa energii, tak i tutaj po minięciu połowy przeszkody zostanie tylko 1,5 V. Wstawiony pomiędzy żarówkami fragment przewodu niczego tutaj nie zmienia – jego rezystancja jest praktycznie zerowa.
Żarnik moglibyśmy oczywiście dzielić na tyle części ile chcemy, a sytuacja wciąż wyglądałaby tak samo. Zmieńmy zatem podejście. Zostawmy żarnik w całości, tak by miał rezystancję 60 Ω i wstawmy obok niego drugi identyczny. Jak zachowa się obwód? Skoro wiemy, że 60 Ω potrafi zabrać całą energię, to czy zostanie jej choć trochę dla drugiego żarnika? Zmierzmy napięcie między nimi:
Zaskoczony? Mimo, że żarniki mają aż po 60 Ω każdy, to z jakiegoś powodu postanowiły podzielić się energią po równo. Jak to możliwe? Wcześniej pojedynczy, 60-omowy żarnik zabierał całą energię, a teraz nagle posłusznie oddaje jej połowę swojemu sąsiadowi. Skąd w żarnikach taka współpraca?
Wszystko to bierze się z faktu, że Prawo Ohma naprawdę trudno jest oszukać. Nie ma ono wpływu na rezystancje żarówki, ani na napięcie jakie dostarcza bateria, ale może ono sterować prądem płynącym w obwodzie. Kiedy żarówka była jedna, to zabierała ona całą energię, a prąd płynący w obwodzie wynosił 0,05 A. Po wstawieniu drugiej żarówki całkowita rezystancja obwodu rośnie dwukrotnie. Bateria napotyka więc dwukrotnie większy opór, a do dyspozycji ma te same, skromne 3 wolty. W takim układzie prawo Ohma powie nam, że przez obwód płynie prąd o natężeniu zaledwie 0,025 A . To drogi Czytelniku diametralnie zmienia całą sytuację.
Przede wszystkim dwa razy mniejszy prąd oznacza, że elektrony płyną w obwodzie 2 razy wolniej. A skoro płyną dwa razy wolniej to siła zderzeń z atomami żarnika jest dwukrotnie mniejsza. Co za tym idzie elektrony nie zostawiają już w żarniku o rezystancji 60 Ω całej energii, a jedynie jej połowę!
Nie jest więc tak, że żarówki są świadomie i same z siebie dzielą się energią. To ilość przepływającego przez nie prądu w połączeniu z ich rezystancją definiują spadek napięcia. Pamiętasz jak na początku wspominałem, że napięcie nie istnieje i jest jedynie matematyczną reprezentacją? Tutaj widać to doskonale.
Bezpośrednim skutkiem tego, że każda z żarówek zużywa teraz dwa razy mniej energii jest to, że będą one świeciły wyraźnie słabiej w porównaniu z pojedynczą żarówką.
Gdyby żarówki były trzy, prąd spadłby wówczas dwukrotnie, co skutkowałoby zużyciem 1/3 całkowitej energii przez każdy żarnik. Cztery identyczne żarówki to podział na energii na cztery i tak dalej, i tak dalej…
Oczywiście sytuacja, w której żarówki miałyby różne rezystancje nieco skomplikowałaby matematykę, ale nie zmieniła zasady działania. Dla przykładu, gdyby w obwodzie były dwie żarówki o rezystancjach kolejno 30 Ω i 60 Ω, to spadek napięcia rozłożyłby się proporcjonalnie – na pierwszej wyniósłby 1 V, a na drugiej 2 V.
Podsumujmy
Uważam, że spadek napięcia to jedno z najważniejszych zagadnień w elektrotechnice i warto go dobrze zrozumieć. Podsumujmy go zatem w kilku szybkich punktach:
Mam nadzieję, że po dzisiejszej lekturze temat spadku napięcia nie będzie już dla Ciebie jedynie dziwnym sloganem wyjętym z nudnych podręczników szkolnych. Zrozumienie spadku napięcia jest kluczowe w kwestii zagadnień związanych z mocą i rozpływem prądów w obwodach elektrycznych, o czym opowiem w kolejnych artykułach.
Dzięki za poświęcony czas!
Bibliografia
- Elektrotechnika – S. Bolkowski,
- Podstawy Elektrotechniki i elektroniki – M. Doległo,
- Elektronika łatwiejsza niż przypuszczasz – D. Nuhrmann,
W podsumowaniu, trzeci punkt, cytat:
„mniejsza rezystancja to mniej zużywanej energii…”
A czy to nie jest ODWROTNIE? Że mniejsza rezystancja to WIĘCEJ zużywanej energii? Przy mniejszej przecież płynie WIĘCEJ prądu, jęli dobrze zrozumiałem wykład?
Pozwolę sobie panu odpowiedź. Rozumiem pana logikę że jak coś ma wolną drogę to będzie temu czemuś łatwej podróżować i szybciej dotrze do celu. Jednak tu chodzi o drogę nie o cel. Im więcej na drodze jest oporu tym droga staje się trudniejsza i kosztuje więcej energii. Po prostu inaczej się to mierzy.
W końcu PRAWIE rozumiem. Dzięki wielkie za artykuł.
Powidz jeszcze czy podłączenie opornika powoduje że natężenie zmienia się dopiero po przejściu przez niego czy na całym obwodzie zwalnia?
Prąd jest w całym obwodzie taki sam.
No nie zgodziłbym się że napięcie jest pojęciem matematycznym. To wywrócenie kota ogonem. Napięcie jest różnicą energii potencjalnej elektronu w polu elektrycznym podobnie jak w polu grawitacyjnym przedmiot umieszczony wyżej ma energię potencjalną która możemy przekształcić na kinetyczna tak w polu elektrycznym zwierając obwód i przepuszczając prąd przez opornik uzyskujemy energię cieplną. W obu przypadkach wykorzystujemy energię potencjalną która być może tak jak w przypadku przedmiotu leżącego na stole może się wydawać matematycznym abstraktem w porównaniu do energii kinetycznej tegoż przedmiotu spadającego ze stołu to jednak ona istnieje fizycznie i realnie jak pokazuje doświadczenie i nie jest matematyczną sztuczką.
Myślę też że warto też podkreślić że po przejściu przez opornik napięcie spada ale natężenie przed i za jest identyczne. To bardzo pomocne przy zrozumieniu dzialania tzw roznicówki która porownuje natężenie wychodzące i powracające. Jeśli gdzieś bowiem nastąpi zwarcie to część prądu popłynie gdzie indziej i powracajace natężenie spadnie a roznicowka to wykryje i odetnie zasilanie. To takie proste a jednak tak trudne dla wielu wyjasniajacych do wyjasnienia. Pozdrawiam
„Napięcie jest różnicą energii potencjalnej elektronu w polu elektrycznym” – tak jak wynika z twoich słów, to energia jest tutaj „celem”, a napięcie jedynie sposobem opisu pewnej różnicy. Wynikiem działania odejmowania. To miałem na myśli pisząc, że napięcie nie istnieje. Co do potencjału, on naprawdę jest pojęciem matematycznym, zresztą przez matematyka wprowadzonym do świata fizyki. Fizycy mogą przypisywać mu pewną reprezentację, ale de facto jest on narzędziem służącym obliczaniu energii i tym podobnych rzeczy. Napięcie, będąc różnicą dwóch potencjałów, traktuje tutaj na równi. Jest to oczywiście czysto filozoficzna dysputa, także miło mi, że ktoś postanowił przedstawić odmienne podejście.
Świetny artykuł! Dziękuję. Uczę się elektroniki na własną rękę i to zagadnienie właśnie sprawiało mi problem. Teraz wszystko jest jasne. Chyba będę częściej tu zaglądać 🙂 Pozdrawiam
A co na to prędkość dryfu? Elektrony poruszają się o ułamki milimetrów na sekundę. To nie jest tak, że to pole elektryczne powoduje cały czas siłę (Coulombowską) działającą na ładunki powodując ich przyspieszanie w całym obwodzie? A w żarówce z powodu większej rezystancji one dużo częściej wpadają na atomy wolframu powodują zamianę energii kinetycznej (uzyskanej przez pole elektryczne) na energię cieplną? Z powodu prędkości dryfu to raczej do dodatniego bieguna baterii nie wpadają elektrony które były w ujemnym biegunie, bo pokonanie im drogi całego obwodu zajmuje średnio kilka/naście minut w zależności od długości układu. Jakbyśmy bieguny baterii zmieniali 50 razy na sekundę to żarówka nadal będzie świeciła a wtedy elektrony prawie na 100% nie będą docierały z bieguna ujemnego do dodatniego.
I czy „elektrony popychają się” co wydaje się trochę nieprawdziwe czy może jednak to pole elektryczne powoduje siłę przyspieszającą elektrony?
Nie jestem fizykiem, ale nie wszystko mi się zgadza więc pytam.
Jasne, pytać zawsze warto. Polecam w takim razie moje inne artykuły, w których wszystkie te tematy opisałem, więc nie ma sensu się powtarzać. A co do dylematu czy to elektrony się popychają, czy popycha je potencjał, to zależy od poziomu wiedzy i podejścia. Fala popychająca jakoś musi rozejść się po obwodzie i nie byłoby to możliwe bez elektronów. Więc w pewnym sensie to one nawzajem się ,,popychają”. Poniżej linki do dwóch najważniejszych artykułów na ten temat:
https://teoriaelektryki.pl/jak-szybko-plynie-prad/
https://teoriaelektryki.pl/dlaczego-elektrony-nie-uciekaja/
Kolejny świetny artkuł 😀 Co do tego prądu, to ja sobie tłumacze to jako fala elektromagnetyczna, która rozchodzi się wiadomo szybko i wszędzie z tą samą prędkością, z tąd taki sam prąd w każdym punkcie obwodu, a napięcie spada, bo fala słabnie, (napięcie spada) , jednak nie jej prędkość (prąd) . Możliwe że źle myślę 😀 Oprócz tego mam pytanie, co powoduje przepalenie się żarówki przy sprawnej instalacji. Bo przepaliła się porządnie żarówka, wywaliło zabezpieczenia przy włączaniu 😀 Czy to przez stan nieustalony i jakiś duży prąd rozruchowy? Dodam, że żarówka już trochę używana.
Powodów przepalenia żarówki może być wiele – wadliwa konstrukcja, zmęczenie materiału, jakieś przepięcie. Trudno niestety wskazać sprawcę.
Co do wytłumaczenia na podstawie fali EM – każde wytłumaczenie, które pozwala nam zrozumieć temat jest dobre, bo i tak nikt nie wie jak to tam naprawdę jest w środku 😉
Tak sobie siedzę i myślę nad tą cała rezystancją i nadprzewodnikami. I myślę że to co najmniej dziwne, że zerowa rezystancja nagle sprawia, że elektrony zaczynają tworzyć jakieś pary coopera. Nagle przestają się nienawidzić i poruszają się jeden obok drugiego. Dlaczego rezystancja nie pozwala im na to? Wystarczy minimalna i nienawidzą się, wystarczy ją wyłączyć i jest ok 😀 No i tak sobie myślę może to same elektrony tworzą tą rezystanjcę oddziałując na siebie przez odpychanie i im łatwiej im się przedostać, tym mają lepsze warunki , żeby nie oddziaływać na siebie i rezystancja maleje. Takie ot gdybanie, ciekawi mnie co powie ktoś po studiach na taką moją wymyśloną hipotezę 😀
Z tego co kojarzę, to para coopera jest układem dwóch fermionów. Nie ma w tym nic dziwnego, przecież w atomie, na powłokach, elektrony również się parują. Siła Coulomba to nie jedyna zmienna w życiu elektronów, jest też spin. Jak spiny są przeciwne, to elektrony lubią się trochę bardziej, niż jak są zgodne. Pisałem o tym w pierwszym artykule o magnetyzmie.
Tak pisałeś, po prostu dużo tych artykułów i informacji ciężko wszystko zapamiętać i dlatego czasami coś umyka . 😀 Po raz kolejny zaznaczam super blog, świetne przedstawienie elektryczności.
Witam
Artykuł na prawdę cenny, w szkole tak nie uczą. Miałbym pytanie praktyczne ponieważ chciałbym zbudować zasilacz na LM338. Ustawiłbym zasilacz na 4V i pod obciążeniem 2 ohmów dało by to prąd 2A.
A jak jest z napięciem na tym rezystorze? Spadło by 2V, podkradło by mi z zasilacza 2V?
Skąd będę wiedział czy mierzę napięcie na rezystorze czy na zasilaczu, ponieważ nie miałbym pewności czy napięcie zasilacza spadło pod obciążeniem tych dwóch ohm i ile wolt spadło? Miernik byłby podłączony na końcach rezystora do których dochodzą przewody z zasilacza, wszystko szeregowo.
(To tak jak z ładowaniem akumulatora. Przyłączam zasilanie 4,2V mając na akumulatorku 3V i miernik wskazuje mi nie napięcie ładowania 4,2V, tylko napięcie samego akumulatorka czyli 3V).
Powinienem może wtedy włączyć w obwód jeszcze jeden rezystor o małej rezystancji i mierzyć napięcie zasilacza wprost na jego wyjściach plus i minus? Pozdrawiam. Jarek.
Masz tylko zasilacz i rezystor, jak dobrze rozumiem? W takim razie rezystor bierze wszystko. Zmierz najpierw napięcie zasilacza w otwartym obwodzie. Potem podłącz rezystor i zmierz napięcie na nim. Dowiesz się wtedy jaka jest rezystancja wewnętrzna zasilacza i ile ci obcina. Polecam przeczytać ten artykuł, w nim wyjaśniam tę kwestię: https://teoriaelektryki.pl/sila-elektromotoryczna-i-rezystancja-wewnetrzna/
Mam pytanko.
Jak wygląda sprawa spadku napięcia w połączeniu równoległym? Wiemy że rezystory połączone ze sobą równolegle mają takie samo napięcie ale ich rezystancje mogą być różne. Pytanie brzmi na dwóch różnych rezystorach elektrony powinny zderzać się z ich atomami na jednym mniej na drugim bardziej a mimo to zderzają się tak samo. Rozumiem że napięcia są takie same ale jak to się przekłada że na rezystorze większym zderzeń jest więcej
a na obu elektrony wytrącają tyle samo energii .
Oczywiście rozumiem też że jest coś takiego jak rezystancja zastępcza i taki układ można zastąpić jednym rezystorem. Ciekawi mnie jednak konkretny przypadek w odniesieniu do teorii – w zależności od rezystancji mniej lub więcej zderzeń
Dość dużo na temat układu równoległego piszę tutaj, więc polecam zajrzeć: https://teoriaelektryki.pl/geniusz-praw-kirchhoffa/
A w razie dalszych wątpliwości chętnie odpowiem na pytania 🙂
„Owszem, natężenie w każdym punkcie obwodu musi być takie samo. I tę kwestię można interpretować dwojako – możemy założyć, że prędkość elektronów w całym obwodzie musi pozostać stała, albo elektrony mają różną prędkość, ale też różna jest ich gęstość w różnych obszarach obwodu (dzięki czemu średnia jest taka, jakby ich prędkość była wszędzie taka sama)”.
Z powyższego zdania wynika że prędkość elektronów może być różna ale średnia prędkość jest taka sama. Czyli jak rozumiem są fragmenty obwodu gdzie elektron płynie szybciej.Im szybciej płynie tym mocniej uderza czyli przekazuje więcej energii. I tu moje pytanie napisałeś że elektron nie odzyskuje swojej energii . Nie potrafię tego zrozumieć skoro jest fragment gdzie przyspiesza to to jest tak jakby jej znów nabrał. Z drugiej strony rozumiem że prawo Kirkofa mówi iż suma napięć źródłowych musi być równa sumie napięć odbiornikowych. Czyli lewej energii w obwodzie być nie może. Więc pytanie brzmi. Jak to jest że elektron przyśpiesza jednocześnie nie odzyskując energii? Pytanie w odniesieniu nie tylko do jednego żarnika ale np jak mamy dwa zarniki.Czyli elektron wypływa z jednego i uderza w drugi wcześniej znów się rozpędzając.
Ale dlaczego piszesz o ponownym przyspieszaniu i odzyskiwaniu energii? W którym punkcie obwodu elektron znowu przyspiesza? Jeśli mówimy o obwodzie równoległym z dwoma różnymi rezystorami, to tam gdzie jest mniejszy rezystor, tam elektrony płyną szybciej, ale nie dlatego, że magicznie w połowie drogi przyspieszyły, tylko dlatego, że od początku miały wyższą prędkość i po prostu ten rezystor ich tak nie hamuje.
Chodzi mi o to że pojawia się przeszkoda to zwalnia a jak przeszkoda się skończy a potencjał dodatni go przyciąga to znowu może się rozpędzić.Chyna że źle to rozumiem.
Potencjał nie ma możliwości przyspieszenia elektronu. Jedyna opcja byłaby taka, że te z tyłu jakoś popychają go silniej i dlatego przyspiesza, ale nie mogą tego robić, bo same przechodzą właśnie przez przeszkodę. Źródło też już w tej sytuacji nie oddziałuje na elektron (bo jest on gdzieś daleko w obwodzie i siły są słabe), więc nie widzę co mogłoby go rozpędzić dodatkowo. To tak jak z jazdą na rowerze. Po płaskim jedziesz 40, pod górkę 20, a za górką straciłeś już tyle energii, że przez chwilę, ze zmęczenia, wciąż jedziesz powoli. Dopiero dodatkowa siła z nóg sprawi, że pojedziesz znowu szybko, ale elektrony nie mają takiego magazynu jak my w mięśniach, więc płyną tak szybko ile energii jeszcze mają. Osobiście nie polecam w przypadku prądu patrzeć na elektrony jak na pojedyncze cząstki (ta taktyka dobra jest w przypadku elektrostatyki i pojedynczych cząstek). Prąd znacznie lepiej rozpatrywać w kwestii układu naczyń połączonych, a zatem ich prędkość w obwodzie można wyjaśnić tak jak robiłem to wcześniej:
„Jeśli elektrony które płyną przewodem mają wysoką prędkość, a te które wpadają do rezystora niższą, to siłą rzeczy na wejściu do rezystora zaczyna się robić tłok. A skoro elektrony nawzajem nie lubią swojego towarzystwa, to zaczynają przekazywać sobie energię i się nawzajem popychać. Dzięki temu elektrony nie płyną przez rezystor tak wolno jak powinny, bo wspomagane są niejako energią elektronów za nimi. W ten sposób również tłok na wejściu rezystora maleje, bo elektrony oddające energię tym z przodu automatycznie zwalniają. W ten właśnie sposób prędkość elektronów niejako naturalnie wyrównuje się w całym obwodzie i dlatego jego natężenie jest wszędzie takie samo.”
Myślałem poprostu że to jest jak w elektrostatyce
potencjał dodatni to niedomiar elektronów czyli przeważają protony a więc ładunek dodatni.
Im bliżej tego ładunku tym gęstsze linie pola więc przyciąganie jakby większe.
Nie bez powodu elektrostatyka to zupełnie odrębna dziedzina elektryczności. W jej przypadku mówimy tylko o nieruchomych elektronach i rozkładzie sił jaki na nie działa. Prąd elektryczny to ocean elektronów, a jak wiadomo, pojedyncza kropla zachowuje się inaczej niż cały ocean.
Tak z ciekawości zapytam. Z jakiego źródła bierzesz wytlumaczenie tych wszystkich zjawisk. Z jakiejś książki? Jeśli tak możesz podać tytuł ?Chętnie przeczytam.
Moja biblioteczka książek na tematy około elektryczne składa się już z przeszło 20 pozycji. Książki te sukcesywnie recenzuję tutaj: https://teoriaelektryki.pl/ksiazki-dla-elektryka/
Przeważająca większość z nich opisuje wszystko raczej w klasyczny, ścisły sposób, więc tworzenie takich artykułów to trochę jak interpretacja przepisów kodeksu karnego – potrzeba sporo inwencji twórczej.
Bardzo ciekawie wytłumaczone. Czy zamiast powiedzieć, że elektrony płyną wolniej przy większym oporze (prędkość ich jest chyba stała bliska prędkości światła) można powiedzieć, że elektronów płynie mniej dlatego mniejszy tłok i mniej się zderzają ze sobą.
Z prędkością elektronów jest inaczej. Polecam przeczytać: https://teoriaelektryki.pl/jak-szybko-plynie-prad/
Mam pytanko . Im szybciej pędzi elektron tym mocniej uderzy w żarnik żarówki na logikę.
Jeśli po zdarzeniu znów odzyskuję swoją prędkość bo natężenie musi być takie samo to znaczy że odzyska znów swoją energię? Czyli np straci 2.5 V
i znowu je ma ale na następnym rezystorze też chce stracić tylko 2.5?
Owszem, natężenie w każdym punkcie obwodu musi być takie samo. I tę kwestię można interpretować dwojako – możemy założyć, że prędkość elektronów w całym obwodzie musi pozostać stała, albo elektrony mają różną prędkość, ale też różna jest ich gęstość w różnych obszarach obwodu (dzięki czemu średnia jest taka, jakby ich prędkość była wszędzie taka sama).
Użyłem słowa „interpretować” bo jedyne co nam pozostaje to próba przekładania kwantowego świata cząstek na prawa mechaniki klasycznej. Tak naprawdę nikt nie wie jak to tam w środku działa. Moim zdaniem najlepiej jest myśleć o obwodzie elektrycznym jak o układzie naczyń połączonych. Elektrony na początek mają wysoką prędkość, potem wpadają do rezystora, który jest ośrodkiem „gęstszym” i nie jest już tak łatwo się w nim poruszać. Coś jak kula pistoletu wystrzelona w wodzie – niby energia początkowa jest ta sama, a jednak pocisk leci wolniej niż w powietrzu).
I teraz tak: Jeśli elektrony które płyną przewodem mają wysoką prędkość, a te które wpadają do rezystora niższą, to siłą rzeczy na wejściu do rezystora zaczyna się robić tłok. A skoro elektrony nawzajem nie lubią swojego towarzystwa, to zaczynają przekazywać sobie energię i się nawzajem popychać. Dzięki temu elektrony nie płyną przez rezystor tak wolno jak powinny, bo wspomagane są niejako energią elektronów za nimi. W ten sposób również tłok na wejściu rezystora maleje, bo elektrony oddające energię tym z przodu automatycznie zwalniają. W ten właśnie sposób prędkość elektronów niejako naturalnie wyrównuje się w całym obwodzie i dlatego jego natężenie jest wszędzie takie samo.
Odpowiadając teraz stricte na twoje pytanie: Elektron nie odzyskuje swojej energii. On po prostu na jednym rezystorze traci jej połowę i na drugim połowę. Innymi słowy ten układ naczyń połączonych sprawia, że elektrony w całym obwodzie płyną z taką prędkością, że oddają na każdej żarówce po połowie energii.
Wielkie dzięki 😉
Dzień dobry,
Artykuł ma bardzo wysoką wartość dydaktyczną – gratuluję. Jednak kiedy upraszczamy zagadnienie wiedząc o tym, a o tym nie informujemy to oszukujemy odbiorcę… nawet jeśli nasze intencje są chwalebne (skrócenie wyjaśnienia, nieodstraszanie jego złożonością, mnogość teorii, itp.) to ciągle jesteśmy kłamcami. Zarzucił mi to kiedyś dość „wnikliwy” student. Ów student oburzył się: „jest Pan niekompetentny, bo przedstawione przeze Pana zagadnienie nie ma nawet cienia swej prawdziwej złożoności”. Domyśliłem się o co mu chodzi i zapytałem „językiem eksperckim” o te niesatysfakcjonujące go elementy mojego wyjaśnienia – trafiłem. Natomiast, jego oburzenie wzrosło: „Pan nie jest niekompetentny! Pan jest leniwym kłamcą!”. Obronili mnie pozostali słuchacze przekonując, że dla ich kierunku to takie wyjaśnienie jest akurat i żeby „nie popisywał”. Jednak, od tego momentu zawsze zaznaczam, w którym miejscu upraszam zagadnienie w stosunku do swojej najlepszej i najaktualniejszej wiedzy lub informuję, że posługuje się teorią, która jest już „przestarzała” ale jej zaletą jest to, że jest prosta i w zupełności wystarcza do analizy zagadnienia w interesującym nas zakresie. W przypadku Pana artykułów można by wprowadzić zasadę i przedstawić ją czytelnikom np.: tekst pisany kursywą zawiera uproszczenia… A może nawet kilka wariantów takich zasad. Również od tamtego momentu, na pierwszych zajęciach uprzedzam, że dostosowałem poziom złożoności wyjaśnień do obiorców ale zawsze zaznaczam, w którym miejscu jest jakieś uproszczenie.
Pan mógł by zawężać target pisząc np. Artykuł dla osób początkujących – wysoki poziom uproszczeń, jego cel to prezentacja głównych idei ( prawdopodobnie nie będziesz zadowolony z przeczytania tego artykułu jeśli rozumiesz czym jest: natężenie pola elektrycznego, potencjał elektryczny, ciepło dżula, fonon, …)
Pozdrawiam
Bardzo dziękuję, wreszcie natrafiłam na artykuł, który pomógł mi zrozumieć czym jest spadek napięcia:) Super napisane! 🙂
Cześć a dlaczego strzałki spadku napięcia są zwrócone do napięcia baterii i kierunku prądu ciekawi mnie to?dlaczego tak to jest ustalone.
Czy w przyszłości pojawi się może artykuł o podstawowych przyrządach takich jak woltomierz i amperomierz bo to też fajny i ciekawy temat na opracowanie.
Cześć.
Przyjęło się, że strzałki skierowane są od niższego do wyższego potencjału. Dlatego strzałka na baterii jest od plusa do minusa, a na całej reszcie, na której występuje spadek napięcia, odwrotnie.
Pomyślę nad przyrządami, jednak priorytetem jest najpierw rozpocząć temat obwodów prądu przemiennego.
Dzień dobry.
A co z przekrojem przewodów ? Dlaczego elektrony rozgrzewają przewód o zbyt małym przekroju, w efekcie końcowym niszcząc izolację ? I jak to wpływa na straty energii ? Czy rozgrzanie przewodu powoduje straty prądu, napięcia czy obydwu czynników ?
Myślę, że na większość pytań odpowie ten artykuł: https://teoriaelektryki.pl/dlaczego-przewod-sie-nagrzewa-prawo-joulea/
Hej, Mam dwa pytania:
-A skąd elektrony wiedzą, że mogą sobie większość energii zużyć na rezystorze skoro jeszcze nie przeszły przez kabel przed nimi?
-Jak się podłączy drugi rezystor to spada napięcie i natężenie, gdyby tak nie było to które z tych miar ma wpływ na jakość działania urządzenia w środku obwodu?
1. Elektrony to ,,wiedzą”, bo te, które są z przodu, na końcu obwodu, im to ,,przekazują”. Wieści o tym, że po rezystorze czeka jeszcze kawałek kabla dość szybko się rozchodzą.
2. Trudno powiedzieć co by było, gdyby tak nie było, bo praw fizyki nie da się przeskoczyć i możemy jedynie gdybać. Ale jeśli chodzi działanie urządzeń, to istotne są zarówno prąd jak i napięcie. Prąd to ilość płynących elektronów, a napięcie to energia, jaką każdy z nich niesie. Oczywiście w rzeczywistości urządzenia mają jakąś tam ustaloną rezystancję, więc jedyne czym możemy w praktyce sterować to napięcie. Chyba, że jesteś projektantem elektroniki, wówczas każdy składnik Prawa Ohma jest dla ciebie istotny. Musisz tak dobrać podzespoły, aby rezystancja i napięcie dawały w połączeniu odpowiednią dawkę prądu.
Potencjał nie istnieje? Czyli zbierając elektrony na balonie poprzez ocieranie o włosy, wcale ich tam nie gromadzę i balon nie ma większego potencjału?;p
Owszem, pocierając balonem o włosy gromadzisz elektrony i żeby opisać jakoś ich skupisko wykorzystujemy matematyczne pojęcie zwane POTENCJAŁEM. Elektrony to część otaczającej nas materii i one istnieją. Potencjał nie istnieje. Malejący potencjał to po prostu pewna cecha, pewna właściwość dużego skupiska elektronów, ale sam w sobie potencjał nie jest oddzielnym bytem. Tak jak masa jest fizyczną cechą istniejącej materii. Tak jak kolor niebieski jest cechą nieba widocznego w słoneczny dzień. Sam w sobie kolor niebieski nie istnieje – jest on jedynie swego rodzaju pojęciem stworzonym na potrzeby opisu rzeczy o pewnym zakresie odbitego światła widzialnego.
Wiem, moje podejście może wydawać się nieco filozoficzne, ale z zasady nie możemy o pojęciach matematycznych (takich jak liczby, pole powierzchni, potencjał) powiedzieć, że one istnieją tak same z siebie.
A mam takie, może trochę nie związane z tematem, pytanie. Czy jeśli założę potencjometr na przewód doprowadzający prąd do silnika jednofazowego, żeby zmniejszyć jego obroty, to mogę w ten sposób ten silnik uszkodzić?
Silnik nie uruchomi się w ten sposób, bowiem zaraz po podaniu napięcia potencjometr albo wybuchnie, albo zacznie się topić i palić. Kiedyś jeden rezystor wybuchł mi niemal prosto w twarz – nie polecam takich eksperymentów. Kwestia regulacji obrotów silnika jednofazowego zależy od tego jakiego typu jest to silnik – komutatorowy? A może klatkowy? Silnik komutatorowe reguluje się zmianą napięcia zasilającego – klatkowe wymagają bardziej złożonej regulacji częstotliwościowo-napięciowej. No chyba, że mowa tutaj o małym silniku modelarskim prądu stałego na niskie napięcie – wówczas można kombinować na wiele sposobów.
Napisane jest „jednofazowy silnik indukcyjny z kondensatorem rozruchowym i pracy”. Generalnie chodzi o to, że przed robotą na szlifierce, trzeba wyosiować pas. A jest to trochę trudne, jak silnik od razu wchodzi na najwyższe obroty. Fajnie jakby się dało jakoś zmniejszyć obroty na czas kalibracji.
Zgodnie z moim doświadczeniem, a zawodowo zajmuję się głównie silnikami indukcyjnymi jedno- i trójfazowymi, nie ma niestety na to prostego sposobu. Bezpiecznie spowolnić taki silnik można jedynie za pomocą odpowiednio dobranego falownika. Znam takich co próbowali mocno obciążać wał, by ten kręcił się wolniej, ale z pewnością nie jest to zdrowe dla uzwojeń.
Tak coś czułem, że to nie będzie prosta sprawa. Z silnikiem trójfazowym jest mniej problemów?
Podobnie. Najłatwiej jest z silnikiem komutatorowym prądu stałego. Do niego wystarczy prosty, chiński sterownik i można sobie jakoś poradzić.
Dzień dobry!
Dziękuję za konstruktywną krytykę i Pana/Pani argumenty. Jeśli mój popularnonaukowy blog Panu/Pani nie odpowiada, to na pewno znajdzie Pan wiele innych rzetelnych źródeł naukowych. Pozdrawiam!
Dzień dobry,
Natknąłem się na post w trakcie nauki do kolokwium z zakresu między innymi tutaj omawianego. Moje pytanie brzmi: Co wydarzyłoby się z elektronami znajdującymi się już w obwodzie gdybyśmy nagle odcieli kabel odprowadzajacy prąd stały? (jeżeli prąd płynie od minusa do plusa to uciąć kabel po np. Żarówce bliżej bieguna dodatniego)
Bez względu na to w którym miejscu przetniemy kabel, nic wielkiego się nie stanie – elektrony po prostu się zatrzymają.
Dzień dobry!
Miałbym pytanie dotyczące dotarcia elektronów, które „wypłynęły” z żarnika. Nie do końca rozumiem co odpowiada za ich ruch w stronę baterii, skoro napięcię pomiędzy nią, a żarnikiem wynosi 0. Cytuje: „Na szczęście nie dokonują one w żarniku żywota i przy pomocy resztek sił (oraz napierających z tyłu kolegów) docierają wreszcie do dodatniego bieguna baterii, gdzie mogą w spokoju zakończyć swoją misję.” Skoro elektronom zostały, jak Pan powiedział, resztki sił to również oznacza, że została im jakaś energia kinetyczna. Elektrony które napierają na te przednie w reakcji łańcuchowej również muszą mieć jakiś ostatek energii. Czy to oznacza, że napięcię, które zje/ zjedzą żarniki nie będzię równe napięciu baterii?
Pozdrawiam serdecznie, dzięki Panu wiele się nauczyłem 😀
P.S. Wydaje mi się że w tym sformułowaniu cyt.”Po ,,fizycznemu” powiedzielibyśmy, że ilość energii dostarczanej do żarówki wynosi dokładnie 3 dżule na kulomb.” powinno być „ilość energii dostarczonej przez każdy ładunek”
Witam i dziękuję za komentarz! Rozumiem, że stwierdzenia ,,Między żarówką, a baterią napięcie wynosi 0 V” oraz ,,Po opuszczeniu żarówki została im jeszcze jakaś energią” nieco się kłócą. Skoro jest energia, to czemu napięcie wynosi 0 V? Już wyjaśniam. Żarówka zabiera elektronom energię bo ma rezystancję, ale przewody prowadzące od baterii do żarówki też ją mają! Analizując cały obwód okaże się, że żarówka zabiera 99,8% energii, przewód po jednej stronie zabiera 0,1% energii i przewód po drugiej stronie zabiera 0,1% energii. Teraz: Elektrony wychodzą z baterii. Po dotarciu do żarówki utraciły już 0,1% z powodu przewodu. W żarówce tracą one kolejne 99,8% energii i po wyjściu z niej zostaje im ostatnie 0,1% energii na pokonanie drugiej połowy obwodu i dotarcie do baterii. I choć miernik pokazuje nam, że tam już 0,0 V, to gdyby był on baaaardzo dokładny, to wskazałby, że w rzeczywistości istnieje jeszcze jakieś napięcie rzędu 0,0001 V. To jest właśnie ta resztka energii, która zostaje na pokonanie ostatniego odcinka przewodu i dotarcie do baterii. A zatem reasumując – żarówka nigdy nie zje dokładnie tyle napięcia ile dostarcza bateria, bo owo napięcie zjadają też przewody. W rzeczywistości jednak rezystancja przewodów w porównaniu z żarówką jest tak mizernie mała, że dla uproszczenia przyjmujemy, iż wynosi ona 0 V. No chyba, że żarówka znajduje się kilkadziesiąt metrów od baterii, wtedy rezystancja przewodów będzie grać istotną rolę. Na koniec gratuluję dociekliwości i chęci dogłębnego zrozumienia tematu. Dzięki temu komentarzowi wiem, co muszę poprawić i wyjaśnić dokładniej. Dzięki!
Witam dziękuję za udzieloną odpowiedz,masz całkowitą rację.Teraz tak sobie myślę że problem w zrozumieniu tych wszystkich zjawisk związanych z elektrycznością właśnie z tego co napisałeś wynika?przecież tak na prawdę do tej pory nie wiemy czym tak naprawdę jest ta potężna elektryczność?ja staram sobie z nią poradzić na zasadzie fizyki klasycznej może tu jest problem?jedno się zrozumie i wydaję się że coś tam się wie i nagle wyskakuje nowy problem i tak w kółko.
Mechanika kwantowa to raczej nie na mój umysł,ale jestem tego zdania że jak się coś chce zrozumieć to trzeba próbować.Każdy inaczej rozumie to samo zagadnienie?nie ma wyjścia trzeba próbować prawda?Również pozdrawiam.
Witam jak zwykle super artykuł.
Ja gdzieś kiedyś czytałem że spadek napięcia możemy rozumieć jako wynik przepływu prądu przez opór np.rezystor?
Jak mamy obwód otwarty i nie ma przepływu prądu to napięcie zasilania mamy cały czas takie samo,gdy zamkniemy obwód i popłynie prąd przez rezystor to możemy sobie wyobrazić że przed nim mamy ciśnienie tak jakby większe a za nim mniejsze a różnica ciśnień to przecież ciśnienie czyli nasze napięcie.Tak też to chyba można sobie tłumaczyć prawda?
W przykładzie z żarnikiem napisałeś że elektrony zderzając się z jego atomami chwilowo spowalniają,zapewne nabiorą dalej znowu swojego tak zwanego ruchu ale na pewno nie mają już tyle enegii której nabrały od źródła ciekawi mnie właśnie to spowolnienie?bo natężenie prądu musi być jednakowe w całym obwodzie prawda?mógłbyś tą kwestię jakoś rozwinąć?
Patrząc od strony mechaniki kwantowej to nie wiemy tak naprawdę co dzieje się z elektronami w rezystorze. To co widzimy to fakt, że rezystor się nagrzewa i najprościej jest nam to wytłumaczyć właśnie zderzeniami. Teorii na temat tego co zderza się w rezystorze z czym i jak to wygląda jest wiele, ale to niestety wciąż tylko teorie.
W wyniku zderzenia MUSI dojść do utraty pędu obiektu nadlatującego. Pęd to oczywiście nie to samo co prędkość, ale z tejże prędkości się wywodzi, więc starając się opisać wszystko najprościej jak umiem pozwalam sobie na tego typu uproszczenia.
Zakładając, że elektrony traktujemy jak cząsteczki (mechanika klasyczne) to przy zderzeniu muszą one tracić odrobinę prędkości, choćby na chwilę. Jak ją później odzyskują? Widzisz, przepływ prądu to układ naczyń połączonych. Na elektrony, które wytraciły prędkość napierają z tyłu kolejne elektrony, które jeszcze nie miały okazji się zderzyć i mają nieco większą prędkość. Elektrony popychają więc siebie nawzajem tak, że wszystkie mają mniej więcej jednakową prędkość w całym obwodzie. Prąd elektryczny to niestety dość złożone zjawisko wymiany energii między atomami rezystora, a elektronami, ale także elektronami między sobą i atomami rezystora między sobą. Dlatego moje wyjaśnienie należy traktować oczywiście tylko jako teorię opartą na zasadach mechaniki i termodynamiki. Zakładając bowiem, że elektrony to cząstki kwantowe, to prawdy na temat tego co dzieje się w rezystorach możemy się nigdy nie dowiedzieć. Pozdrawiam!