Prąd stały, zmienny i przemienny w prostych słowach

Prąd stały, zmienny i przemienny w prostych słowach

Czym różni się prąd stały od zmiennego? Jak wytworzyć prąd zmienny? Jak wygląda prąd przemienny? Co to jest okresowość sygnału? W prostych słowach o zmienności prądu.


Od czego zależy ,,kształt” prądu?

Zanim przejdziemy do przeróżnych kształtów jakie może przyjmować prąd elektryczny, warto byś Czytelniku zdawał sobie z jednej rzeczy sprawę. Napięcie oraz prąd to dwa nierozerwalne zjawiska. Można wręcz powiedzieć, że prąd naśladuje napięcie. Jeśli napięcia w obwodzie nie ma, to nie płynie w nim prąd. Kiedy napięcie wzrasta dwukrotnie, to również dwukrotnie wzrośnie wartość natężenia prądu. I choć prąd potrafi czasem na te zmiany reagować dość leniwie (bywa, że się spóźnia), a niekiedy zbyt energicznie (wyprzedza napięcie), to fakt powiązania obu zjawisk jest niezaprzeczalny. Jeśli zastanawiasz się jak ta zależność działa tak czysto fizycznie, to napisałem już na ten temat artykuł:

Czym jest prąd elektryczny? – TeoriaElektryki.pl

Chciałbym pokazać Ci dzisiaj czym jest ,,kształt” prądu i jak on może wyglądać. Udowodnię Ci również, że prąd zmienny to żadna wiedza tajemna, a bardzo proste i logiczne zagadnienie oparte na znanych nam prawach fizyki. Zapraszam!

Jak wygląda prąd stały?

Zgodnie z tym co napisałem na początku prąd naśladuje napięcie. Idąc tym tokiem rozumowania, jeśli napięcie w obwodzie będzie stałe to wygeneruje ono przepływ prądu stałego. Ale co to znaczy, że napięcie jest stałe? Najprościej rzecz ujmując napięcie jest stałe wtedy, kiedy jego wartość nie zmienia się wraz z upływem czasu, nie ważne czy minie 5 sekund, 30 sekund, czy 5 minut. W ten sposób działają np. zasilacze, ładowarki do telefonów czy zwykłe baterie – generują one stałe napięcie zasilające nasze laptopy i telefony. Oto jak możemy sobie takie stałe napięcie narysować na wykresie.

Skok napięcia w momencie włączenia żarówki

Powyższy wykres możemy opisać taką sytuacją: Wyobraź sobie, że chcesz zasilić małą żarówkę z 3-woltowej baterii. Przed podłączeniem baterii napięcie w obwodzie wynosi 0 V. Po około 5 sekundach podłączasz baterię, przez co napięcie w obwodzie natychmiast skacze do wartości 3 V. Zauważ, że on momentu podłączenia napięcie baterii nie ulega dalszym zmianom – to właśnie jest napięcie stałe.

Pod wpływem takiego napięcia w obwodzie wytworzony zostanie prąd stały. Co to oznacza? Ładunki elektryczne będą w takim wypadku przemieszczać się od jednego bieguna baterii do drugiego ze stałą średnią prędkością, a zasilana żarówka świecić będzie stałym, jasnym światłem.

Oczywiście po kilku godzinach bateria zacznie się rozładowywać, przez co jej napięcie będzie maleć, a światło żarówki przygasać. Mimo to baterie uznaje się za źródło napięcia stałego, gdyż rozładowywanie to naturalny proces degradacji ogniwa, a nie funkcjonalność baterii mająca nadawać napięciu określony kształt.

A teraz ważna uwaga. Choć prąd i napięcie mają ten sam kształt, to nie znaczy, że mają one tę samą wartość! Napięcie 3 V rzadko kiedy powoduje przepływ prądu o natężeniu aż 3 A. O tym jak duży popłynie prąd decyduje budowa obwodu i wchodzące w jego skład urządzenia. W przypadku małej żarówki może to być wartość w okolicach np. 200 mA:

Tutaj był obrazek pokazujący przebieg prądu i napięcia, ale coś poszło nie tak :(
Kształt prądu stałego jest taki sam jak stałego napięcia, choć ich wartości są różne

Kiedy prąd się ,,zmienia”?

Wiesz już, że źródło napięcia stałego (np. bateria) powoduje przepływ stałego prądu. Ale czy da się przy pomocy takiej baterii wytworzyć prąd zmienny? Brzmi to absurdalnie – zmienny prąd ze stałego napięcia. O dziwo jest to możliwe, ale trzeba skorzystać z pewnej sztuczki.

Napięcie to różnica potencjałów między dwoma punktami. W przypadku baterii różnica potencjałów między jej biegunami (plusem i minusem) wynosić może 1,5 V, 3 V czy nawet 9 V w przypadku dużych ogniw. Napięcie baterii możemy zmierzyć zwykłym multimetrem dostępnym już za 20zł, jednak to co zobaczymy na jego wyświetlaczu może nas nieco zdziwić. W zależności od tego w jaki sposób trzymamy baterię, wyświetlacz wskaże wartość dodatnią lub ujemną!

Zmiana polaryzacji baterii oznacza ,,odwrócenie” napięcia

Dlaczego tak jest? Wynika to z zasady działania multimetru. Zauważ, że sondy multimetru widoczne na rysunku powyżej mają różne kolory – czerwony i czarny. Sondę czerwoną powinniśmy przykładać zawsze do potencjału wyższego, czarną do niższego (najczęściej do masy, określanej jako 0 V). Pomiar wyświetlany na ekranie multimetru jest różnicą potencjału między sondami. Trzymając się zasad kolorystyki, wynik widoczny na multimetrze pozostanie dodatni (odejmujemy wyższy potencjał od niższego). Jeśli się pomylimy, wynik będzie ujemny. Widać to doskonale w poniższych równaniach:


U1 = V+ – V = 3 V – 0 V = 3 V
U
2 = V – V+ = 0 V – 3 V = – 3 V


Zmiana polaryzacji baterii

Przykład multimetru pokazuje, że sposób podłączenia baterii może mieć znaczenie. Jakie są tego skutki? Jak wiemy prąd płynie zawsze od plusa do minusa. Zamieniając w obwodzie bieguny baterii miejscami (zwyczajnie odwracając baterię) sprawimy, że prąd popłynie… w drugą stronę. Przekładając w ten sposób baterię wielokrotnie, uzyskujemy obrazek widoczny na poniższej animacji:

Co tutaj się dzieje? Fachowo powiemy, że zmieniamy polaryzację napięcia w obwodzie, a co za tym idzie zmieniamy kierunek płynącego prądu. Zmiana, za chwilę zmiana, potem znowu zmiana…Wygląda na to, że właśnie wytworzyliśmy prąd zmienny! Oto jak wygląda wykres takiego napięcia i prądu:

Raz napięcie jest dodatnie (3 V), za chwilę ujemne (-3 V). To samo dzieje się z prądem, gdyż jak wiemy zawsze stara się on naśladować napięcie. Oczywiście bawiąc się w takie ręczne przekładanie baterii sprawiamy, że chwilami napięcie wynosi 0 V, a prąd 0 A, przez co żarówka na moment gaśnie. Jeśli bardzo nam to przeszkadza, to czas ten można bez problemu skrócić do ułamków sekund stosując różne przełączniki. Z kolei wykorzystując urządzenia takie jak tranzystory, czasy przełączenia spadają do ułamków milisekund.

Jak widać zmiana polaryzacji napięcia stałego wytwarza prąd zmienny o dość ,,kanciastej” naturze. Od prawie 200 lat znane są jednak sposoby wytwarzania nieco ładniejszych ,,kształtowo” prądów i takimi się właśnie teraz przyjrzymy.

Prąd zmienny i okresowy

Ogólnie rzecz biorąc prąd zmienny to taki, który zmienia się w czasie w… dowolny sposób. Raz rośnie, raz maleje i może się to dziać w zupełnie nieprzewidywalny i losowy sposób, jak na rysunku poniżej:

Wykres prądu zmiennego

Oczywiście żadne normalne urządzenie nie jest zasilane prądem o takim kształcie. Wyobrażasz sobie robienie tostów, gdy opiekacz przez 5 minut ledwie podgrzewa kanapkę, by po chwili zupełnie i bez uprzedzenia spalić ją na popiół? Tego typu losowe sygnały kojarzą mi się bardziej z przeróżnymi pomiarami (temperatury, wilgotności), gdzie wartość mierzona potrafi być faktycznie nieprzewidywalna i zależeć od wielu czynników.

Standardowe przebiegi elektryczne zasilające twoje urządzenia (takie jak opiekacz) to sygnały znacznie bardziej uporządkowane. Zazwyczaj posiadają one ładne, foremne kształty, a królem tego typu sygnałów jest przebieg sinusoidalny. Znajdziesz go w każdym gniazdku elektrycznym swojego domu:

Sygnał sinusoidalny

Nie potrzeba dogłębnej analizy i szerokiej wiedzy by stwierdzić, że przebieg ten jest już znacznie bardziej przewidywalny od poprzedniego. Wygląda on trochę jak płynąca fala – sygnał raz jest na powierzchni, raz pod powierzchnią osi. Zupełnie jak w przykładzie z przekładaniem baterii – tam też prąd był raz dodatni, a raz ujemny, z tym że tutaj całość jest gładka i ,,płynna”. Takiego efektu nie da się uzyskać za pomocą baterii i jedynie specjalne generatory są w stanie w ten sposób ,,produkować prąd”.

Zauważ, że sygnał ten najpierw wybrzusza się ku górze, później opada na samo dno, po czym cykl ten powtarza się w kółko. Owa cykliczność to bardzo istotna cecha wielu sygnałów, a fizycy wymyślili nawet dla niej własną nazwę – okresowość. Wszystkie sygnały, w których da się zauważyć pewien wzór, czy też powtarzalność, nazywa się sygnałami okresowo zmiennymi lub po prostu okresowymi. Poniżej kilka przykładów takich sygnałów dla utrwalenia zagadnienia:

Sygnały okresowe mogą mieć przeróżne kształty

Kiedy prąd jest przemienny?

Wszystkie cztery sygnały widoczne na rysunku powyżej mają pewną wspólną cechę – każdy z nich jest na przemian ujemny i dodatni. Tak samo było z odwracaną baterią, prawda? Tam również prąd płynął na przemian to w jedną, to w drugą stronę. Nie bez powodu pogrubiam określenie na przemian, gdyż każdy prąd, który na przemian płynie w jedną i w drugą stronę jest prądem przemiennym. Spójrz na obrazek poniżej:

Prądy zmienne, ale nie przemienne

Czy widoczne sygnały są zmienne? Owszem. Czy są okresowe? Pewnie, z łatwością mogę dostrzec ich powtarzalność! Ale czy są one przemienne? W tym wypadku sygnały rosną, po czym maleją do zera, ale nigdy nie spadają poniżej osi poziomej. Prąd zmienia w ich przypadku wartość, ale nigdy nie płynie w przeciwnym kierunku. Jeszcze jeden obrazek:

Niewiele trzeba by prąd utracił swą ,,przemienność”

Oba powyższe przebiegi to dokładnie taki sam prąd sinusoidalny, z tym że ten po lewej przecina oś poziomą, a ten po prawej jedynie się do niej zbliża. Oba sygnały są zmienne, oba są okresowe, ale jedynie ten po lewej jest przemienny. Prąd w tym wypadku raz jest ,,dodatni”, a raz ,,ujemny”. Sygnał po prawej nie ma tej własności.

A jeśli zastanawiasz się skąd właściwie bierze się kształt sinusoidalny oraz dlaczego napięcie i prąd właśnie tak wyglądają, to myślę, że poniższy artykuł może Ci pomóc:

Zrozumieć sinusoidę – artykuł na TeoriaElektryki.pl

Czy warto zawracać sobie tym wszystkim głowę?

Praca z dźwiękiem, układy pomiarowe, zasilacze, transformatory, generatory – kształt napięcia i prądu to ,,być albo nie być” w wielu dziedzinach. Szczególnie jeśli jesteś elektronikiem, zbudowałeś jakiś prototypowy, delikatny układ i gdzieś z tyłu głowy masz świadomość, że drobne zniekształcenie sygnału może puścić twoje wysiłki z dymem. Przedstawiona tutaj wiedza to jedynie absolutne podstawy podstaw, które pewnie stawiają więcej pytań, aniżeli dają odpowiedzi. Jeśli jednak chciałbyś kiedyś zrozumieć dlaczego napięcie w gniazdku jest przemienne, a nie stałe albo w jaki sposób można wyprostować prąd, to taka gruntowna wiedza na pewno Ci się przyda. Niech zatem artykuł ten będzie swoistą ,,bazą wypadową” do bardziej skomplikowanych zagadnień, które opiszę wkrótce.

Nie zapomnij zajrzeć na facebook.com/TeoriaElektryki i do usłyszenia wkrótce!


Bibliografia

  1. Teoria obwodów elektrycznych – S. Bolkowski, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,
  2. Podstawy Elektrotechniki, zagadnienia wybrane – S. Krakowiak, Warszawa,
  3. Podstawy Elektrotechniki – R. Kurdziel, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,
  4. Elektronika łatwiejsza niż przypuszczasz – D. Nuhrmann, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności,

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 7 komentarzy

  1. Jan

    Skąd taki prąd wie, ile ma go przepłynąć przez żarówkę, żeby świeciła, a żeby się nie spaliła?

  2. Karl

    Piękny tekst. Dobrze ilustrowany, jak sądzę.

  3. Tomasz

    Prąd płynie od minusa do plusa a nie od plusa do minusa jak podano w artykule.

    1. Jarek

      nie myl tego co nazywamy prądem z przemieszczaniem się ładunków ujemnych. Dawno dawno temu gdy jeszcze o prądzie niewiele wiedziano, przyjęto, że tak jak woda płynie z punktu o wyższym potencjale do punktu o niższym … i tak zostało do dziś. A propos: w elektrolitach prąd płynie z którymi ładunkami, dodatnimi czy ujemnymi, każde przecież płyną w przeciwną stronę?

  4. Sylwia

    Dziekuje! Moj nauczyciel nie potrafi tlumaczyc.

Dodaj komentarz