Jak szybko płynie prąd?

Jak szybko płynie prąd?

Jeśli żarówka rozpala się w mgnieniu oka po naciśnięciu włącznika, to jak szybko tak naprawdę płynie prąd? Z prędkością światła? Nieco wolniej? Odpowiedź może cię zaskoczyć.

Elektryczność jest szybka… Naprawdę szybka

Włączając światło w swoim domu nie jesteś w stanie dostrzec najmniejszego opóźnienia między przeskokiem włącznika, a rozświetleniem się żarówki. Nie znaczy to, że coś jest z Tobą nie tak, bez obaw. Nawet gdybyś naciskając w domu włącznik zapalał żarówkę w Buenos Aires to i tak nie byłbyś w stanie jakiegokolwiek opóźnienia zarejestrować. I to nie dlatego, że trudno jest zauważyć małą żarówkę z odległości 12 000 kilometrów, a dlatego, że elektryczność jest piekielnie szybka.

jak szybka jest elektrycznosc

Zgodnie z tytułem artykułu miałem wyjaśnić jak szybko płynie prąd, ale czy prąd to faktycznie to samo co ,,elektryczność”? Zależy jak na to spojrzymy. Mianem elektryczności możemy bowiem opisać wiele rzeczy – ładunek elektryczny, prąd, czy chociażby napięcie. Oprócz tego, że wszystkie współtworzą ,,elektryczność”, to każde z nich ma swoją definicję i swoje miejsce w elektrycznym świecie. Ładunki przenoszą energię, poruszając się dzięki napięciu, co z kolei powoduje powstanie prądu elektrycznego. Prąd możemy tutaj traktować jako swego rodzaju nośnik, czy też przekaźnik elektryczności. Bez niego, czyli skupiska małych, pędzących na stracenie elektronów, w naszych domach byłoby ciemno i ponuro, a ten artykuł mógłbym napisać jedynie na maszynie do pisania, po czym schować go do szuflady.

Skoro to prąd jest z naszego punktu widzenia najistotniejszy, to może sprawdźmy na początek jaką rzeczywiście osiąga on prędkość. Czy porusza się tak szybko jak światło? A może chociaż przekracza barierę dźwięku? Oto wzór pozwalający obliczyć prędkość elektronów zmierzających od włącznika światła do żarówki:

wzor na predkosc pradu

Załóżmy, że żarówka wymaga natężenia prądu o wartości 0,3 A, a przekrój przewodu to standardowe 1,5 mm2 . Przewód jest miedziany, więc liczba elektronów wynosi 8,5 x 1028 na metr sześcienny, a wartość ładunku elektrostatycznego to 1,6 x 10-19 kulombów.

Wrzucając powyższe liczby do kalkulatora okaże się, że prąd elektryczny płynie z zawrotną prędkością… 0,000014686 m/s. Innymi słowy jeden elektron w trakcie godziny przebędzie drogę 5 centymetrów, a przebycie jednego metra zajęłoby mu niemal całą dobę… Wygląda na to, że zamiast zwrotu ,,wolny jak ślimak” powinniśmy zacząć mówić ,,wolny jak prąd elektryczny”.

porownanie pradu i slimaka

Najważniejsze pytanie jakie teraz przed nami stoi brzmi następująco: Jakim cudem tak powolne elektrony są w stanie w mgnieniu oka rozświetlić żarówkę? Odpowiedzią na to pytanie jest niezwykle proste, ale jakże skuteczne zjawisko reakcji łańcuchowej.

Jeden za drugim

Gdyby elektrony gromadziły się we włączniku światła i dopiero po jego naciśnięciu ruszały na złamanie karku w stronę żarówki, to faktyczne prędzej nastałby świt, niż doczekałbyś się jakiejkolwiek reakcji. W rzeczywistości jednak każdy metal od początku swego istnienia wypełniony jest takimi elektronami, co objawia się charakterystycznym metalicznym połyskiem jego powierzchni. Przewód, styki włącznika, żarnik żarówki – wszystkie te elementy już na starcie mają w sobie ogromną liczbę tych maleńkich cząsteczek. A co to zmienia? Bardzo wiele i pokażę to teraz na przykładzie:

szybkosc pradu przyklad 1

Wyobraź sobie, że chcesz za pomocą piłeczki pingpongowej przewrócić klocek domina oddalony od ciebie o kilkadziesiąt centymetrów. Popychając piłeczkę w jego kierunku po kilku sekundach klocek się przewróci. Jest jednak pewien sposób, by efekt ten osiągnąć znacznie szybciej i efektywniej. Jak? Za pomocą 8 piłeczek.

szybkosc pradu przyklad 2

Choć odległość od klocka jest taka sama, to dzieje się rzecz niesamowita. Pchnięcie pierwszej piłeczki powoduje reakcję łańcuchową i dzięki następującym po sobie zderzeniom klocek upada niemal natychmiast, a opóźnienie jest niewielkie. Jest to dokładnie taki sam mechanizm jaki zachodzi wewnątrz przewodu elektrycznego, Pierwszy popchnięty napięciem elektron przesuwa kolejny i kolejny, i kolejny, i tak miliardy miliardów trylionów razy pomiędzy Twoim włącznikiem światła, a żarówką. Dzięki temu elektrony nie muszą przebyć tego ogromnego dystansu – wystarczy, że przesuną się zaledwie odrobinę, by efekt widoczny był w mgnieniu oka.

A nazywają ją energią

Zamiast samodzielnie pchnąć klocek, my przy pomocy piłeczek ,,przesyłamy pchnięcie” na pewną odległość. W obu powyższych przypadkach rezultat był taki sam – klocek upadł. Widoczną różnicą był czas w jakim ,,pchnięcie” dotarło do klocka. Przyznasz, że słowo ,,pchnięcie” nie brzmi zbyt naukowo, prawda? Dlatego też fizycy wolą posługiwać się terminem ,,energia”, a jako że to całe ,,energetyczne pchnięcie” przekazywane jest przez elektrony, to idealnym określeniem okazała się być energia elektryczna.

Dzięki możliwości przesyłania energii elektrownia sprzedająca Ci elektryczność ma nieco ułatwione zadanie. Nie musi ona martwić się wtłaczaniem do Twojego domu całego morza elektronów. W końcu i tak posiadasz ich pod dostatkiem w urządzeniach elektrycznych i przewodach. Jedyne co elektrownia musi zrobić to odpowiednio mocno pchnąć pierwsze elektrony znajdujące się w ich generatorach (lub jak kto woli nadać im odpowiednio dużą energię). Stworzony w ten sposób prąd za pomocą kolejnych ,,zderzeń” przesyła do Twojego domu niezbędną energię niemal z prędkością światła. Dlaczego ,,niemal”? Bo nic na tym świecie nie jest niestety idealne.

szybkosc pradu przyklad 3

Wzajemne przesuwanie się elektronów przypomina bowiem nieco przeciąganie łańcucha. Ciągnąc za jego pierwsze ogniwo musi minąć chwila, nim cały łańcuch napręży się i wszystkie ogniwa zacząć poruszać się z jednakową prędkością. Analogiczna sytuacja ma miejsce w wewnątrz materii i potrzeba odrobiny czasu, by setki kilometrów elektronów odpowiednio się ,,naprężyły”. Związane jest to z przeróżnymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi, których szczegóły nie są dla nas dzisiaj istotne. Może kiedyś napiszę o tym więcej, kto wie?

Powolny prąd, błyskawiczna energia

Mam nadzieję, że obydwa przedstawione przykłady, ten z piłeczkami i ten z łańcuchem, dość dobrze odzwierciedlają różnicę między powolnym ruchem fizycznym obiektów, a błyskawicznym przepływem energii. Oczywiście pisanie o zderzających się elektronach jest dość mocnym skrótem myślowym – cząstki te podlegają prawom mechaniki kwantowej i szczerze mówiąc fizycy nie do końca wiedzą co tak naprawdę się wewnątrz naszych przewodów dzieje.

W tym artykule pominąłem również kwestię przemienności prądu. Elektrony owszem podróżują przed siebie, ale tylko jeśli mamy do czynienia z prądem stałym! W przypadku prądu przemiennego elektrony nigdy nie dotrą od włącznika do żarówki, gdyż za bardzo zajęte są one ,,bujaniem” się w tę i z powrotem. Efekt ten opisałem dokładnie tutaj:

Prąd stały, zmienny i przemienny w prostych słowach – artykuł na TeoriaElektryki.pl

Powyższe uproszczenia pozwoliły mi skupić się na rezultacie, który pozostaje bez zmian. Bez względu na to czy elektrony wyobrażamy sobie jako pędzące w jednym kierunku, odbijające się piłeczki, czy przelewającą się w tę i we w tę elektryczną galaretkę, prąd elektryczny jest zawsze tak samo powolny. Posiada on za to niezwykłą zdolność przenoszenia i przekazywania energii elektrycznej. Wystarczy jedynie podłączyć wybrane urządzenie do gniazdka, by w mgnieniu oka mogło ono otrzymać niezbędną energię od oddalonej o setki kilometrów elektrowni. Energię, która służy nam do wytwarzania światła i ciepła, a mi pozwoliła na dokończenie i opublikowanie niniejszego artykułu.

Jeśli głód twojej wiedzy nie został zaspokojony i jesteś ciekaw skąd na przykład elektrony wzięły się w naszych przewodach, w jaki sposób napięcie wprawia je w ruch albo dlaczego prąd elektryczny wytwarza światło i ciepło, to zapraszam Cię do zapoznania się z innymi moimi artykułami. Mam nadzieję, że to co tworzę okaże się dla Ciebie przydatne i zobaczymy się ponownie w kolejnych publikacjach. Do usłyszenia!


Bibliografia

  1. Elektrotechnika – S. Bolkowski, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,
  2. Podstawy teorii pola elektromagnetycznego – Z. Piątek, P. Jabłoński, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,
  3. Podstawy elektrodynamiki – D. J. Griffiths, Wydawnictwo Naukowe PWN,
  4. CRC Handbook of Chemistry and Physics – W. M. Haynes, CRC Press
  5. http://www.schoolscience.co.uk – witryna edukacyjna pod patronatem The Association For Science Education

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.

*Zapisując się do newslettera, zgadzasz się na otrzymywanie drogą mailową informacji o nowych artykułach i wydarzeniach związanych z serwisem TeoriaElektryki.pl

Ten post ma jeden komentarz

  1. Cezary

    To w jaki sposób przekazujesz tę wiedzę mnie zaskoczyło. Bardzo wysoki poziom, Nigdy nie pomyslalbym, że elektryczność może być taka ciekawa. Dzięki i powodzenia 🙂

Dodaj komentarz