W którą stronę płynie prąd?

W którą stronę płynie prąd?

W jakim kierunku płynie prąd? Czym jest umowny kierunek prądu? Czy prąd może płynąć w dwóch kierunkach jednocześnie?


Poprzednio skupiłem się na tym czym tak naprawdę jest prąd elektryczny i co jest niezbędne do jego wytworzenia. Jeśli chcesz odświeżyć sobie te informacje, kliknij w poniższy link:

Czym jest prąd elektryczny – TeoriaElektryki.pl

Dziś natomiast zastanowimy się w którą stronę prąd tak naprawdę płynie i skąd wzięło się pewne związane z tym zamieszanie. Zapraszam!

Czy ktoś pomylił kierunki?

Pamiętam jak będąc dzieckiem znalazłem w domu książkę do podstaw elektroniki. Autor wręcz uwielbiał porównanie napięcia i prądu elektrycznego do przepływu wody, a formułkę, że prąd płynie od plusa do minusa pamiętam do dziś. Później nastały czasy internetu będącego nieskończonym źródłem wiedzy. To właśnie w internecie przeczytałem po raz pierwszy informację, że prąd płynie w przewodach tak naprawdę od minusa do plusa, a z tym kierunkiem plus-minus to tylko taka nasza ogólnoświatowa umowa, której wszyscy się teraz trzymamy.

No więc jak to jest naprawdę? Prąd płynie od plusa do minusa, czy odwrotnie? Skoro znamy rzeczywisty ruch elektronów w przewodach, to po co nam w ogóle jakiś umowny kierunek? Dlaczego nikt się temu nie sprzeciwia i nie mówi o tym głośno? Jeśli i tobie takie pytania chodzą po głowie, to z przyjemnością wyjaśnię ci tę sprawę.

Z latawcem w środek burzy

Twórcą całego tego zamieszania (choć niechcący) jest Beniamin Franklin – człowiek znany z tego, że chciał za pomocą latawca ściągnąć na ziemię elektryczność. Twierdził on, że błyskawice nie są znakiem gniewu bogów, a jedynie nieco większymi i groźniejszymi iskrami elektrycznymi. Dla potwierdzenia swych słów postanowił wypuścić w trakcie burzy latawiec i z jego pomocą złapać nieco ogromnych ,,iskier” do słoika. 

Franklin puszcza latawiec
Franklin z synem puszczają latawiec, próbując złapać elektryczność do ,,słoika” (widocznego po lewej); źródło: https://www.fi.edu – strona Instytutu Franklina

Na szczęście dla niego żaden piorun nie trafił bezpośrednio w latawiec. Gdyby tak się stało, Franklin doznałby śmiertelnego porażenia, co z resztą zdarzyło się innemu eksperymentatorowi, Georgowi Richmannowi w trakcie podobnej próby przeprowadzonej rok później.

Wspomniany eksperyment pomógł Franklinowi skonstruować pierwszy piorunochron – urządzenie, które do dziś uratowało życie milionom ludzi. Człowiek ten nie był zatem przypadkowym, szalonym eksperymentatorem, a ciężko pracującym naukowcem z krwi i kości. To on jako jeden z pierwszych zauważył, że elektryczność ma dwie natury, które nazwał dodatnią (+) i ujemną (-). W tamtych czasach (mamy rok około 1750) nie znano jeszcze cząstek elementarnych, dlatego elektryczność porównywano do wody. Jeśli dany obiekt posiadał dużo elektryczności to stawał się dodatnio naładowany. Z kolei niedobór elektryczności stanowił ładunek ujemny. Zbliżając do siebie dwa przeciwnie naładowane obiekty, płyn elektryczny naturalnie spływał od ładunku dodatniego, do ładunku ujemnego, niczym spływający z góry wodospad. Logiczne, prawda?

Ziarnistość ładunku

Przez kolejne lata odkrywano sposoby na przesyłanie elektryczności przewodami, opisano zjawisko elektromagnetyzmu i stworzono nowe urządzenia elektryczne takie jak bateria, czy żarówka. Ludzie coraz lepiej rozumieli elektryczność, a teoria elektrycznego płynu zaczęła powoli upadać. Ostateczny cios przyszedł jednak dopiero po około 150 latach, kiedy to odkryto elektron – najmniejszą cząstkę obdarzoną ładunkiem. Osiągnięcie to było bezpośrednim dowodem, że:

  • Elektryczność to nie żaden płyn, a fizyczne cząstki, które niosą ze sobą ładunek,
  • Ładunek ujemny nie jest ,,niedoborem płynu elektrycznego”, a nadmiarem elektronów
  • Ładunek dodatni nie jest ,,nadmiarem płynu elektrycznego”, a niedoborem elektronów
  • Zbliżając do siebie dwa przeciwnie naładowane obiekty, elektrony przeskakują z obiektu ujemnie naładowanego na obiekt dodatnio naładowany. Elektryczność płynie odwrotnie niż zakładał Franklin!
Prąd płynący pod górę
Odkrycie elektronu dowiodło, że elektryczność płynie zupełnie odwrotnie. To tak jakby woda zaczęła nagle płynąć pod górę!

Jak bardzo musieli być wkurzeni ówcześni fizycy, gdy odkryli, że tysiące napisanych przez ponad 100 lat ksiąg i publikacji bazowało na błędnym założeniu Franklina? Przepisanie wszystkiego na nowo było niemożliwe, a po odkryciu elektronu nie mogliśmy przecież dalej udawać, że kierunek ,,od plusa do minusa” jest okej… Czyżby?

Zastanówmy się. Może i elektrony płyną od minusa do plusa, ale przecież i tak nie jesteśmy w stanie tych pojedynczych cząstek dostrzec, a zwykła żarówka świeci tak samo dobrze, bez względu na to jak podłączymy ją do baterii. Czy jest zatem sens wywracać świat nauki do góry nogami? Umówmy się po prostu, że elektryczność płynie tak jak do tej pory. Dopóki wszyscy będziemy trzymali się tych samych oznaczeń, to wszystko będzie w porządku!

Powyższy akapit brzmi niezwykle wiarygodnie, prawda? Niestety… nie jest on do końca prawdą. Do dziś zastanawiam się dlaczego tak wiele osób myśli, że to pomyłka Franklina jest jedynym powodem, dla którego niemal 300 lat później musimy się uczyć i rozróżniać dwa odrębne kierunki prądu – rzeczywisty i umowny. Jest to zdecydowanie zbyt duże uproszczenie i z przyjemnością opowiem ci do jakich faktów udało mi się dotrzeć i jak to było z tym kierunkiem.

Prąd dwojaki

Zauważyłeś, że opisując historię Franklina, ani razu nie użyłem określenia ,,prąd elektryczny”? Jest tak dlatego, że w jego czasach pojęcie to zwyczajnie nie istniało. Oczywiście od tamtego czasu do odkrycia elektronu minęło 150 lat wytężonej pracy najgenialniejszych umysłów wszech czasów. Dlatego też nic dziwnego, że ktoś w końcu odkrył ,,ruchliwość ładunków”, a przełom ten nastąpił za sprawą nowej dziedziny zwanej elektrochemią. Nie tylko umożliwiała ona wytworzenie ciągłego przepływu ładunku, ale też zasiała pierwsze ziarno zwątpienia wśród fanów teorii elektryczności płynącej od plusa do minusa.

Chemiczna produkcja ładunku jest prosta w założeniach. Zanurzenie dwóch różnych metalowych płytek w roztworze kwasu powodowało przepływ elektryczności między nimi. Natura tego zjawiska była jednak nieznana do momentu, aż niejaki Michael Faraday postanowił przyjrzeć się jej dokładnie. W trakcie eksperymentu zauważył on, że jedna z płytek dosłownie rozpuszcza się na jego oczach, podczas gdy na drugiej pojawiał się metaliczny osad. Przepływający ładunek powodował przepływ materii, a Faraday słusznie wydedukował, że skoro płytki wykonane były z dwóch różnych metali, to w roztworze musiał nastąpić przepływ dwóch różnych ładunków jednocześnie – ujemnego i dodatniego, nazwanych przez niego jonami.

Michael Faraday we własnej osobie
Michael Faraday – warto zapamiętać to nazwisko, gdyż pojawi się ono jeszcze nie raz; źródło: https://en.wikipedia.org

Ładunki odkryte przez Faradaya płynęły w dwóch kierunkach i niosły ze sobą materię, ładunki Franklina takich rzeczy nie potrafiły. Z początku myślano, że ,,elektryczność ruchoma” to zupełnie coś innego niż ,,elektryczność statyczna” i obie te dziedziny traktowano oddzielnie. To był jednak dopiero początek całego zamieszania.

Elektryczny bałagan

Kolejne lata przyniosły wiele innych, ciekawych odkryć. Badając przepływ ładunków w przewodach zaczęto zauważać związek między wytworzonym napięciem, wymiarami przewodu, a temperaturą do jakiej się on nagrzewa. Powstała idea rezystancji, dzięki której możliwe było określenie ilości płynącej elektryczności. Z kolei pewien duński fizyk, Hans Christian Ørsted zauważył, że elektryczność płynąca w przewodzie zaburza działanie kompasu – tak narodziła się kolejna, zupełnie nowa wtedy dziedzina – elektromagnetyzm.

Wpływ prądu na pole magnetyczne
Przepływ prądu odkształca wskazówkę kompasu.; źródło: http://www.daviddarling.info

Każde kolejne odkrycie wymagało powstania nowych równań matematycznych i wzorów. Powoli zaczęto zauważać zależności między różnymi wielkościami elektrycznymi. Powstały Prawa Joule’a, Ohm’a, Kirchhoff’a oraz indukcji elektromagnetycznej. Strumień elektryczności potrafił wywoływać zjawiska, o których Franklinowi się nawet nie śniło. Badania stawały się coraz dokładniejsze, a wszystkie odkrycia trzeba było jakoś wyrazić, zmierzyć i porównać. W pewnym momencie na świecie istniały 4 zupełnie odrębne systemy jednostek elektrycznych jak i masa pomniejszych wielkości zupełnie nie pasujących do niczego. Aby się w tym wszystkim nie pogubić, trzeba było jakoś cały ten bałagan zunifikować.

Oficjalny prąd elektryczny

W latach 1881 – 1904 odbył się szereg międzynarodowych kongresów elektrycznych IEC (ang. International Electrical Congress), na których to ustanowiono szereg wspólnych jednostek elektromagnetycznych, takich jak om, wolt, farad czy kulomb. W tym właśnie okresie powstała oficjalna definicja prądu elektrycznego.

Po odkryciu elektronu oraz jonów wszystko stało się jasne, a teoria Franklina o elektrycznym płynie została doszczętnie pogrzebana. Udowodniono, że elektryczność składa się z małych, pojedynczych ładunków, które pod wpływem napięcia mogły się przemieszczać. I choć elektrony w przewodach płynął od minusa do plusa, jony w roztworach podążają w obu kierunkach, a są też sytuację, w których elektrony i jony płyną jednocześnie, to wszystkie te cząstki łączy jedno – są one obdarzone ładunkiem o tej samej wartości. Dzięki temu nie trzeba było tworzyć kilku różnych definicji i wszystkie te zjawiska połączono jednym wspólnym określeniem: uporządkowany przepływ ładunku elektrycznego zwano od tej pory prądem elektrycznym.

Jednostką prądu elektrycznego został amper, ale jak taki prąd zmierzyć? Oczywiście amperomierzem! A czy wiesz jak wyglądał pierwszy amperomierz? W roztworze azotanu srebra zanurzano srebrną płytkę. Pod wpływem płynącego prądu srebro wytrącało się z roztworu i osiadało na płytce. Po zważeniu płytki przed i po, naukowcy określili, że 1 amper prądu równy jest osadzaniu się 0,001118 gramów srebra na sekundę.

Zdjęcie pierwszego amperomierza
Pierwszy amperomierz wykorzystujący osadzanie się srebra; źródło: https://www.nist.gov

Umowny kierunek prądu

Dziś pewnie wiesz, że jeden amper to przepływ jednego kulomba ładunku w czasie jednej sekundy – kiedyś nie było to tak proste. Warto zdawać sobie sprawę, że choć fizycy sporo wiedzieli wówczas o prądzie, to wciąż nie byli oni w stanie zaobserwować pojedynczych ładunków ani dokładnego toru ich ruchu. Jedyne co widzieli, to następstwa płynącego prądu – wzrost temperatury przewodu, spadek napięcia na oporniku, zmiana pola magnetycznego, czy właśnie osadzanie się srebra na płytce. Zjawiska te były wtedy możliwe do zmierzenia, ale ilość płynącego ładunku jak i kierunek każdego z nich pozostawały tajemnicą. Trzeba było nieco zmienić definicję prądu tak, by działała ona bez względu na to o jakim prądzie i jakim ładunku mówimy. Co w takim razie zrobiono? Przyjęto umownie, że prąd elektryczny opisuje uporządkowany ruch ładunków, traktując wszystkie ładunki jako dodatnie. Ale jak to? Czy możemy tak postąpić?

Prąd o wartości 2 A i kierunku a) umownym b) elektronowym c) jonowym.
Prąd o wartości 2 A i kierunku a) umownym b) elektronowym c) jonowym.

Oczywiście, że tak! Wartość prądu (zwana u nas natężeniem) to wartość czysto skalarna i w jej przypadku kierunek nie ma znaczenia. Wystarczy spojrzeć na rysunek powyżej. Dwa ampery prądu to 2 kulomby ładunku na sekundę. Nie istotne jest przy tym, czy ładunkami są elektrony (b), czy może jony płynące w dwóch różnych kierunkach (c). Obie te sytuacje opisują prąd o tym samym natężeniu dwóch amperów. Zamieniając każdy z tych ładunków na dodatni (a) wartość natężenia pozostaje taka sama, a my mamy z głowy problem rozróżniania ładunków. Umowny kierunek prądu pozwala zastąpić dowolny przepływ ładunkami dodatnimi i znacznie uprościć wszelkie obliczenia. Czy zatem rzeczywisty kierunek ładunków w ogóle nie ma znaczenia i możemy o nim zapomnieć? My tak, fizycy – nie.

Prąd wspólny dla wszystkich

Rozwój techniki i produkcji sprawił, że elektryczność powoli opuszczała zacisze laboratoriów i zaczęła trafiać do naszych domów. Komercjalizacja prądu elektrycznego wymagała ujednolicenia zasad, przepisów i uproszczenia założeń. Pojawiły się elektrownie, instalacje elektryczne i zaawansowane urządzenia elektroniki. Powstały zawody elektryka i elektronika. Prąd musiał być zrozumiały dla każdego, aby elektrycy nie musieli uczyć się wektorowej definicji gęstości prądu i za każdym razem zastanawiać się nad rozkładem i ciągłością ładunku. Dzięki stworzeniu umownego kierunku prądu mogli oni w codziennej pracy wykorzystywać kilka prostych i uniwersalnych wzorów, a trudniejsze kwestie mające na celu rozwój elektryki zostawić fizykom i naukowcom. Prosty przykład: Zaprojektowanie tranzystora bez dogłębnej wiedzy fizycznej jest niemożliwe. Natomiast korzystanie z niego wymaga już znajomości jedynie kilku prostych zasad.

W ramach podsumowania powiem, że tak jak rzeczywisty ruch ładunków był zagadką 300 lat temu, tak i teraz w pełni go nie pojmujemy. Dzięki temu, że zdecydowaliśmy się na ,,umowny kierunek od plusa do minusa”, prąd będzie dla nas płynął zawsze w tę samą stronę, a kolejne niezwykłe odkrycia nie wywrócą nagle całej nauki do góry nogami. Myślę, że gdyby Beniamin Franklin zobaczył dzisiejszy stan nauki, to mimo wszystko zgodziłby się, że poczyniona ponad 100 lat temu standaryzacja była najlepszym możliwym dla nas rozwiązaniem.

Bibliografia

  1. https://www.nist.gov/si-redefinition/ampere-history – historia pomiaru prądu elektrycznego,
  2. https://www.britannica.com/biography/Michael-Faraday – biografia Michaela Faradaya,
  3. Podstawy Elektrodynamiki – D. Griffiths, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2001,

Ten post ma 6 komentarzy

  1. Jan

    Ten artykuł przypomniał mi pewien przypis z pracy licencjackiej, który krążył swego czasu po Internecie.
    Stało w nim: dla ułatwienia obliczeń, przyjąłem, że Pi równa się 5. 😉

  2. Ola

    Świetnie wyjaśnione 🙂 nareszcie potrafię to sobie wyobrazić 🙂
    Dziękuję za ten artykuł

  3. Tomasz

    Świetny artykuł. Wiele wyjaśnia. Rzeczywiście nie ma potrzeby spierania się w którą stronę tak naprawdę płynie prąd. Pozdrawiam

  4. Paweł

    Ok, czyli jeżeli w rzeczywistości prąd płynie od minusa do plusa, to dlaczego w obwodzie montujemy opornik od strony plusa, skoro de facto prąd przepływa w odwrotnym kierunku i najpierw przechodzi przez diodę, a dopiero później przez opornik.

    1. TeoriaElektryki

      Nie ma czegoś takiego jak ,,najpierw przechodzi przez diodę, a dopiero później przez opornik”. Prąd przepływa w całym obwodzie jednocześnie przez wszystkie jego elementy. Jeżeli obwód składa się tylko z baterii, diody i opornika, to kolejność tych elementów nie ma znaczenia. Polaryzacja owszem, ale to inny temat. Pozdrawiam!

Dodaj komentarz