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 związane z tym zamieszanie. Zapraszam!

Czy ktoś pomylił kierunki?

Pamiętam jak będąc dzieckiem znalazłem w domu książkę traktującą o podstawach elektroniki. Autor wręcz uwielbiał porównywać napięcie i prąd elektryczny do płynącej wody. To tam po raz pierwszy przeczytałem, że prąd płynie od plusa do minusa. Wiele lat później, kiedy nastały czasy Internetu, dowiedziałem się, że prąd płynie w rzeczywistości odwrotnie, a z tym kierunkiem plus-minus to tylko taka nasza ogólnoświatowa umowa, której wszyscy się teraz trzymamy. O co tutaj chodzi?

Najbardziej zastanawiała mnie jedna kwestia: skoro znamy rzeczywisty ruch elektronów w przewodach, to po co nam ta cała „umowa”? Dlaczego po prostu tego nie zmienimy, upraszczając przy okazji całe zagadnienie? 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) był Amerykanin Beniamin Franklin – człowiek znany z tego, że chciał za pomocą latawca ściągnąć na ziemię elektryczność. Twierdził on, że błyskawice nie są oznaką 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.

Historia tego szalonego eksperymentu od samego początku budziła wiele kontrowersji, dzieląc świat nauki nad dwa obozy. Część badaczy twierdziła (i twierdzi do dziś), że do wspomnianego łapania błyskawic nigdy nie doszło. Inni nie widzą powodu, by tak rzetelny naukowiec jak Benjamin Franklin miał kłamać. Spór ten dodatkowo zaogniały liczne zwroty akcji (m. in. próby ściągania błyskawic we Francji oparte na listach Franklina, czy śmiertelne porażenie Georga Richmanna wykonującego eksperyment w trakcie burzy). Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej, to całą tę historię opisałem w swoim ebooku:

Krótka Historia Elektryczności – ebook PDF, EPUB, MOBI

Koniec końców całe to zamieszanie doprowadziło do wynalezienia piorunochronu – urządzenia, które do dziś uratowało życie milionom ludzi i które bez niezwykłego wizjonerstwa Franklina najpewniej długo by jeszcze nie powstało. Oczywiście koncepcja łapania błyskawic nie była ostatnim słowem Amerykanina w kwestii elektryczności, ani też ostatnim wywołanym przez niego sporem.

Niedługo potem Franklin wraz ze swoim zespołem wysnuł teorię, jakoby elektryczność miała dwie natury, które nazwali dodatnią (+) i ujemną (-). Co ważne, w tamtych czasach (około 1750r) nie znano jeszcze cząstek elementarnych, dlatego elektryczność porównywano do wody. I tak jeśli dany obiekt posiadał dużo elektryczności to stawał się dodatnio naładowany. Z kolei niedobór elektryczności stanowił ładunek ujemny. Według Franklina, zbliżając do siebie dwa przeciwnie naładowane obiekty, płyn elektryczny naturalnie spływał od ładunku dodatniego, do ładunku ujemnego, niczym spływający z góry wodospad. Teoria ta miała sens, a do tego potwierdzały ją liczne eksperymenty niezależnych naukowców.

Ziarnistość ładunku

Przez kolejne lata rozwój badań nad elektrycznością nabrał zatrważającego tempa. 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 niestety przestała za tym zrozumieniem nadążać. 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!
  

Wyobraź sobie Jak bardzo musieli być zirytowani ówcześni fizycy, gdy odkryli, że tysiące napisanych przez ponad 100 lat ksiąg i publikacji bazowało na błędnym założeniu. Z jednej strony przepisanie wszystkiego na nowo było niemożliwe, ale po odkryciu elektronu nie mogliśmy przecież dalej udawać, że kierunek ,,od plusa do minusa” jest tym właściwym… Czyżby?

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

W ten właśnie sposób zwykle tłumaczy się tak zwany „umowny kierunek prądu”: Franklin się pomylił i teraz wszyscy musimy myśleć odwrotnie niż jest w rzeczywistości. Naprawdę? Czy to na pewno było takie proste? Do dziś zastanawiam się dlaczego tak wiele osób myśli, że pomyłka Franklina była głównym powodem, dla którego niemal 300 lat później musimy się uczyć o dwóch różnych kierunkach prądu. Jest to zdecydowanie zbyt duże uproszczenie i z przyjemnością opowiem Ci dlaczego tak uważam.

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 i do odkrycia „ruchliwości ładunków” potrzeba było kolejnych 50 lat wytężonej pracy najgenialniejszych umysłów wszechczasów. Przełom nastąpił dopiero na początku XIX wieku za sprawą zupełnie nowej dziedziny nauki zwanej elektrochemią. Nie tylko umożliwiała ona wytworzenie ciągłego przepływu ładunku elektrycznego, 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 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 pojawia 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.

Ładunki odkryte przez Faradaya płynęły w dwóch kierunkach i niosły ze sobą materię, ładunki Franklina tego 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 problemu.

Elektryczny bałagan

Kolejne lata przyniosły jeszcze więcej intrygujących odkryć. Badając przepływ ładunku 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 gałąź nauk elektrycznych – elektromagnetyzm.

Każde kolejne odkrycie wymagało stworzenia 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 niepasujących do niczego. Aby się w tym wszystkim nie pogubić, trzeba było całość jakoś ujednolicić.

Oficjalny prąd elektryczny

W latach 1881 – 1904 odbyło się kilka międzynarodowych kongresów elektrycznych IEC (ang. International Electrical Congress), na których 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 płyną od minusa do plusa, a jony w roztworach płyną w obu kierunkach, 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: uporządkowanym przepływem ładunku elektrycznego, czyli inaczej prądem elektrycznym.

Jednostką prądu elektrycznego został amper, a urządzenia do mierzenia prądu nazwano amperomierzami. 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 jeden amper prądu równy jest osadzaniu się 0,001118 gramów srebra na sekundę. Definicja ta wraz z biegiem lat uległa zmianie i dziś za jeden amper uznaje się przepływ ładunku i wartości jednego kulomba w czasie jednej sekundy.

Umowny kierunek prądu

Warto zdawać sobie sprawę, że choć fizycy sporo wiedzieli wówczas o prądzie i potrafili go mierzyć, to wciąż nie byli oni w stanie zaobserwować pojedynczych ładunków, ani dokładnego toru ich ruchu. Jedyne co widzieli, to następstwa płynącego prądu, takie jak wzrost temperatury przewodu, spadek napięcia na oporniku, zmiana pola magnetycznego, czy wspomniane osadzanie się srebra na płytce. W tym kontekście rodzaj płynącego ładunku i jego kierunek nie miał najmniejszego znaczenia. Dwa kulomby na sekundę w postaci elektronów płynących od minusa do plusa dają taki sam efekt, jak jeden kulomb jonów dodatnich i jeden kulomb jonów ujemnych płynących w przeciwnych kierunkach. Po co zatem za każdym razem to rozróżniać? Nie prościej byłoby przyjąć sobie jeden znak i jeden kierunek umowny, by wszystko stało się prostsze?

Jeśli przyjmiemy, że zadaniem prądu elektrycznego jest niesienie energii (np. przez żarówkę, żeby ją rozgrzać i rozpalić), to każdy z trzech widocznych na obrazku przypadków da dokładnie ten sam efekt. 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 zacisza 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, ani zastanawiać się za każdym razem 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 reguł.

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 Benjamin Franklin zobaczył dzisiejszy stan nauki, to mimo wszystko zgodziłby się, że poczyniona ponad 100 lat temu standaryzacja była najlepszym możliwym dla nas rozwiązaniem.

Bibliografia