1.4. Napi─Öcie i nat─Ö┼╝enie

> Dodaj do ulubionych

Wcze┼Ťniej napisali┼Ťmy, ┼╝e do zapewnienia ci─ůg┼éego przep┼éywu elektron├│w nie wystarczy tylko ci─ůg┼éa ┼Ťcie┼╝ka (obw├│d). Potrzebna jest jeszcze jaka┼Ť si┼éa, kt├│ra popchnie te elektrony przez obw├│d. Podobnie jest z kulkami i wod─ů w rurze – aby si─Ö przemieszcza┼éy, co┼Ť musi zainicjowa─ç ich ruch. W przypadku elektron├│w jest to ta sama si┼éa, kt├│ra wyst─Öpuje w przypadku elektryczno┼Ťci statycznej – wytwarzaj─ůca nier├│wnowag─Ö ┼éadunku elektrycznego.

We┼║my na przyk┼éad wosk i we┼én─Ö. Je┼Ťli potrzemy o siebie te materia┼éy, to nadmiar elektron├│w w wosku (┼éadunek ujemny) i niedob├│r elektron├│w w we┼énie (┼éadunek dodatni) stworzy mi─Ödzy nimi nier├│wnowag─Ö ┼éadunku. Ten brak r├│wnowagi b─Ödzie si─Ö manifestowa┼é w postaci si┼éy przyci─ůgaj─ůcej te dwa przedmioty.

wełna i wosk

Je┼Ťli na┼éadowane kawa┼éki wosku i we┼ény zostan─ů po┼é─ůczone drutem z przewodz─ůcego materia┼éu, to nadmiar elektron├│w z wosku pop┼éynie przez ten drut do we┼ény, aby wyr├│wna─ç poziomy.

wełna, wosk, przepływ elektronów

R├│┼╝nica w liczbie elektron├│w mi─Ödzy atomami wosku i atomami we┼ény wytwarza si┼é─Ö dzia┼éaj─ůc─ů mi─Ödzy tymi dwoma materia┼éami. Kiedy nie ma po┼é─ůczenia mi─Ödzy woskiem i we┼én─ů, jedyn─ů manifestacj─ů tej si┼éy jest wzajemne przyci─ůganie si─Ö tych materia┼é├│w. Kiedy jednak po┼é─ůczymy je przewodnikiem, omawiana si┼éa zmusi elektrony do uporz─ůdkowanego przep┼éywu przez ten przewodnik, cho─çby przez bardzo kr├│tk─ů chwil─Ö, a┼╝ ┼éadunek w tym obszarze stanie si─Ö neutralny, co spowoduje zanik tej si┼éy.

┼üadunek elektryczny wytworzony przez pocieranie o siebie tych dw├│ch materia┼é├│w s┼éu┼╝y przechowywaniu pewnej ilo┼Ťci energii. Mo┼╝na j─ů por├│wna─ç z energi─ů przechowywan─ů w wysoko po┼éo┼╝onym zbiorniku wody, kt├│r─ů wpompowano do niego z nisko po┼éo┼╝onego stawu.

Uwalnianie energii

Grawitacja dzia┼éaj─ůca na wod─Ö w zbiorniku wytwarza si┼é─Ö pr├│buj─ůc─ů sprowadzi─ç t─Ö wod─Ö z powrotem na d├│┼é. Gdyby zbiornik po┼é─ůczono ze stawem rur─ů, pod wp┼éywem grawitacji woda sp┼éyn─Ö┼éaby w d├│┼é.

magazynowanie energii

Wpompowanie wody ze stawu do zbiornika wymaga energii, a przepływ wody przez rurę w dół do pierwotnego położenia stanowi uwolnienie energii, która została zmagazynowana w zbiorniku przez pompę.

Wpompowanie wody na jeszcze wy┼╝szy poziom wymaga┼éoby jeszcze wi─Öcej energii, a wi─Öc zosta┼éaby zmagazynowana jeszcze wi─Öksza jej ilo┼Ť─ç, kt├│r─ů potem mo┼╝na by by┼éo uwolni─ç przez spuszczenie wody z powrotem do stawu.

zbiornik energii

Pod tym wzgl─Ödem elektrony niewiele r├│┼╝ni─ů si─Ö od wody. Je┼Ťli potrzemy o siebie kawa┼éek wosku i kawa┼éek we┼ény, to „przepompujemy” elektrony z ich normalnych „poziom├│w” i wytworzymy warunki, w kt├│rych mi─Ödzy dwoma przedmiotami powstanie si┼éa wynikaj─ůca z tego, ┼╝e elektrony b─Öd─ů pr├│bowa┼éy wr├│ci─ç do poprzedniego po┼éo┼╝enia (oraz r├│wnowagi w swoich atomach). Si┼éa ci─ůgn─ůc elektrony z powrotem do pierwotnego po┼éo┼╝enia wok├│┼é dodatnio na┼éadowanych j─ůder atom├│w jest analogiczna do si┼éy, jak─ů grawitacja wywiera na wod─Ö w zbiorniku.

Tak jak pompowanie wody na wy┼╝szy poziom powoduje zmagazynowanie energii, „pompowanie” elektron├│w w celu stworzenia nier├│wnowagi ┼éadunk├│w elektrycznych powoduje zgromadzenie pewnej ilo┼Ťci energii w postaci tego braku r├│wnowagi. I tak, jak stworzenie uj┼Ťcia dla wody, aby mog┼éa sp┼éyn─ů─ç z wysoko┼Ťci do zbiornika, powoduje uwolnienie zmagazynowanej energii, zapewnienie elektronom mo┼╝liwo┼Ťci przep┼éywu do ich pierwotnych „poziom├│w” wywo┼éuje taki sam skutek.

Energia potencjalna

Kiedy elektrony s─ů uwi─Özione w tym statycznym stanie (tak jak woda stoj─ůca w umieszczonym wysoko zbiorniku), zmagazynowana za ich po┼Ťrednictwem energia to tzw. energia potencjalna, poniewa┼╝ mo┼╝e zosta─ç uwolniona (ma taki potencja┼é). Gdy pocierasz gumow─ů podeszw─ů swojego buta o dywan w suchy dzie┼ä, tworzysz nier├│wnowag─Ö ┼éadunku elektrycznego mi─Ödzy tob─ů i dywanem. Pocieranie stopami powoduje zmagazynowanie energii w formie nier├│wnowagi liczby elektron├│w, kt├│re zosta┼éy zmuszone do zmiany miejsca pobytu. ┼üadunek ten (elektryczno┼Ť─ç statyczna) jest nieruchomy i nawet nie b─Ödziesz sobie zdawa─ç sprawy, ┼╝e zosta┼é zgromadzony. Kiedy jednak dotkniesz d┼éoni─ů metalowej klamki (zawieraj─ůcej mn├│stwo mobilnych elektron├│w do neutralizacji Twojego ┼éadunku elektrycznego), ta zmagazynowana energia zostanie uwolniona w formie nag┼éego przep┼éywu elektron├│w przez Twoj─ů d┼éo┼ä, co odczujesz jako pora┼╝enie pr─ůdem elektrycznym!

Napi─Öcie elektryczne

Ta energia potencjalna, zmagazynowana w formie nier├│wnowagi ┼éadunku elektrycznego i zdolna do wywo┼éania przep┼éywu elektron├│w przez przewodnik, nosi nazw─Ö napi─Öcie elektryczne. Napi─Öcie elektryczne, przez fizyk├│w nazywane specyficzn─ů energi─ů potencjaln─ů, okre┼Ťla ilo┼Ť─ç energii potencjalnej na jednostk─Ö ┼éadunku elektron├│w. Napi─Öcie, zdefiniowane w kontek┼Ťcie elektryczno┼Ťci statycznej, jest miar─ů pracy, jak─ů nale┼╝y wykona─ç, aby przenie┼Ť─ç ┼éadunek z jednego miejsca w inne, przez pokonanie si┼éy, kt├│ra stara si─Ö utrzyma─ç r├│wnowag─Ö ┼éadunk├│w elektrycznych. W kontek┼Ťcie ┼║r├│de┼é zasilania elektrycznego napi─Öcie okre┼Ťla ilo┼Ť─ç dost─Öpnej energii potencjalnej (pracy do wykonania) na jednostk─Ö ┼éadunku do wywo┼éywania ruchu elektron├│w w przewodniku.

Jako ┼╝e napi─Öcie okre┼Ťla energi─Ö potencjaln─ů, a wi─Öc reprezentuje mo┼╝liwo┼Ť─ç lub potencja┼é uwolnienia energii w wyniku ruchu elektron├│w z jednego „poziomu” do innego, zawsze odnosi si─Ö ono do dw├│ch punkt├│w. Pos┼éu┼╝ymy si─Ö analogi─ů do zbiornika wody:

spadek

Wysoko┼Ť─ç spadku mi─Ödzy pierwsz─ů lokalizacj─ů i zbiornikiem jest znacznie mniejsza ni┼╝ mi─Ödzy drug─ů lokalizacj─ů i zbiornikiem, w zwi─ůzku z czym w drugim przypadku istnieje potencja┼é uwolnienia znacznie wi─Ökszej energii. T─Ö zasad─Ö mo┼╝na intuicyjnie zrozumie─ç przez analogi─Ö do zrzucania kamienia. W kt├│rym przypadku uderzenie b─Ödzie silniejsze: gdy kamie┼ä zostanie zrzucony z wysoko┼Ťci metra, czy kilometra? Oczywi┼Ťcie rzut z wi─Ökszej wysoko┼Ťci spowoduje uwolnienie wi─Ökszej ilo┼Ťci energii (uderzenie b─Ödzie silniejsze). Nie mo┼╝emy oszacowa─ç ilo┼Ťci energii przechowywanej w zbiorniku wody na podstawie pomiaru samej jego obj─Öto┼Ťci, podobnie jak nie jeste┼Ťmy w stanie przewidzie─ç si┼éy uderzenia spadaj─ůcego kamienia na podstawie samej jego masy: w obu przypadkach musimy jeszcze uwzgl─Ödni─ç to, jak bardzo te obiekty oddal─ů si─Ö od swojego pocz─ůtkowego po┼éo┼╝enia. Ilo┼Ť─ç energii wyzwalanej przez zrzucenie masy jest proporcjonalna do odleg┼éo┼Ťci mi─Ödzy punktem pocz─ůtkowym i ko┼äcowym. Analogicznie, energia potencjalna elektron├│w przemieszczaj─ůcych si─Ö mi─Ödzy dwoma punktami zale┼╝y od tych dw├│ch punkt├│w. Dlatego napi─Öcie zawsze si─Ö wyra┼╝a jako wielko┼Ť─ç mi─Ödzy dwoma punktami. Co ciekawe, analogia z potencjalnym „zrzutem” masy z okre┼Ťlonej wysoko┼Ťci jest tak trafna, ┼╝e napi─Öcie mi─Ödzy dwoma punktami niekiedy nazywa si─Ö w┼éa┼Ťnie spadkiem napi─Öcia.

Napi─Öcie mo┼╝na wytworzy─ç tak┼╝e innymi sposobami ni┼╝ pocieranie o siebie r├│┼╝nych typ├│w materia┼éu. Niekt├│re z nich polegaj─ů na przyk┼éad na wykorzystaniu reakcji chemicznych, energii promieniowania oraz zjawiska wp┼éywu magnetyzmu na przewodniki. Praktyczne przyk┼éady wykorzystania tych technik to odpowiednio baterie, ogniwa s┼éoneczne i generatory (cho─çby alternator znajduj─ůcy si─Ö pod mask─ů Twojego samochodu) Na razie nie b─Ödziemy si─Ö szczeg├│┼éowo rozwodzi─ç nad zasad─ů dzia┼éania tych ┼║r├│de┼é napi─Öcia – teraz zale┼╝y nam przede wszystkim na zrozumieniu tego, jak za pomoc─ů ┼║r├│de┼é napi─Öcia mo┼╝na wywo┼éa─ç przep┼éyw elektron├│w w obwodzie.

We┼║miemy symbol baterii chemicznej i na jego bazie zbudujemy obw├│d krok po kroku.

bateria

Ka┼╝de ┼║r├│d┼éo napi─Öcia, w tym tak┼╝e baterie, ma dwa punkty kontaktu elektrycznego. Na powy┼╝szym schemacie s─ů one oznaczone numerami 1 i 2. Poziome linie o r├│┼╝nej d┼éugo┼Ťci oznaczaj─ů, ┼╝e to jest bateria oraz wskazuj─ů kierunek, w kt├│rym b─Ödzie ona popycha┼éa elektrony przez obw├│d. To, ┼╝e na schemacie poziome linie w symbolu baterii nie maj─ů ze sob─ů styczno┼Ťci (a wi─Öc nie stanowi─ů ci─ůg┼éej ┼Ťcie┼╝ki do przep┼éywu elektron├│w) nie jest ┼╝adnym problemem. Symbolizuj─ů one metaliczne p┼éytki zanurzone w p┼éynie lub p├│┼ésta┼éej substancji, kt├│ra nie tylko przewodzi elektrony, ale dodatkowo przez interakcj─Ö z p┼éytkami generuje napi─Öcie, kt├│re je popycha.

Zwr├│─ç uwag─Ö na znaki „+” i „-” po lewej stronie symbolu baterii. Ujemny (-) biegun baterii zawsze znajduje si─Ö po stronie najkr├│tszej poziomej kreski, a dodatni (+) – po stronie najd┼éu┼╝szej. Poniewa┼╝ uznali┼Ťmy, ┼╝e elektrony maj─ů ┼éadunek „ujemny” (dzi─Öki, Ben!), elektrony s─ů „wypychane” z bieguna ujemnego. W zwi─ůzku z tym dodatni biegun to ten, kt├│ry przyci─ůga elektrony.

Dop├│ki bieguny „+” i „-” baterii nie zostan─ů z niczym po┼é─ůczone, mi─Ödzy nimi b─Ödzie wyst─Öpowa─ç napi─Öcie, ale przez bateri─Ö nie b─Öd─ů przep┼éywa─ç elektrony, poniewa┼╝ nie b─Öd─ů one mia┼éy zapewnionej ci─ůg┼éej ┼Ťcie┼╝ki do ruchu.

wodna analogia

Ta sama zasada dotyczy zbiornika wody i analogii do pompy wodnej: bez rury powrotnej do sadzawki energia zmagazynowana w zbiorniku nie mo┼╝e zosta─ç uwolniona w postaci przep┼éywu wody. Kiedy zbiornik zostanie nape┼éniony, przep┼éyw zostaje wstrzymany bez wzgl─Ödu na to, jak du┼╝e ci┼Ťnienie wygeneruje pompa. Aby woda p┼éyn─Ö┼éa z sadzawki do zbiornika i z powrotem, musi mie─ç zapewnion─ů kompletn─ů ┼Ťcie┼╝k─Ö (obw├│d).

W przypadku baterii mo┼╝emy stworzy─ç tak─ů ┼Ťcie┼╝k─Ö przez po┼é─ůczenie kawa┼ékiem drutu jednego bieguna z drugim. Gdy utworzymy obw├│d w ten spos├│b, wywo┼éamy ci─ůg┼éy przep┼éyw elektron├│w w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu wskaz├│wek zegara:

pr─ůd i wodna analogia

Pr─ůd sta┼éy i przemienny

W takim obwodzie elektrony b─Öd─ů p┼éyn─ů─ç dop├│ki nie zostanie on przerwany i bateria b─Ödzie wytwarza─ç napi─Öcie. Odnosz─ůc si─Ö do metafory wody p┼éyn─ůcej rur─ů, ten ci─ůg┼éy i jednostajny przep┼éyw elektron├│w przez obw├│d nazwano pr─ůdem. Dop├│ki ┼║r├│d┼éo napi─Öcia wywiera si┼é─Ö „pchaj─ůc─ů” w jednym kierunku, elektrony nieustannie p┼éyn─ů w tym kierunku przez obw├│d. Ten jednokierunkowy przep┼éyw elektron├│w nazywa si─Ö pr─ůdem sta┼éym (po angielsku direct current, w skr├│cie DC). W drugiej cz─Ö┼Ťci tego kursu omawiane s─ů obwody elektryczny, w kt├│rych kierunek przep┼éywu pr─ůdu nieustannie si─Ö zmienia: jest to tzw. pr─ůd przemienny (po angielsku alternate current, w skr├│cie AC). Na razie jednak zajmujemy si─Ö tylko obwodami pr─ůdu sta┼éego.

Poniewa┼╝ pr─ůd elektryczny to jednolity przep┼éyw elektron├│w przez przewodnik, kt├│re p┼éyn─ůc, pchaj─ů elektrony znajduj─ůce si─Ö przed nimi, jak kulki albo woda w rurze, ilo┼Ť─ç p┼éyn─ůcych elektron├│w w danym obwodzie jest taka sama w ka┼╝dym jego punkcie. Gdyby┼Ťmy przeci─Öli drut obwodu w poprzek i policzyli przep┼éywaj─ůce przeze┼ä elektrony, to w ka┼╝dym miejscu przeci─Öcia otrzymaliby┼Ťmy tak─ů sam─ů liczb─Ö elektron├│w, niezale┼╝nie od d┼éugo┼Ťci i grubo┼Ťci przewodnika.

Je┼Ťli przerwiemy ci─ůg┼éo┼Ť─ç obwodu w dowolnym punkcie, pr─ůd elektryczny przestanie p┼éyn─ů─ç ca┼ékowicie i ca┼ée napi─Öcie wytwarzane przez bateri─Ö b─Ödzie manifestowane przez t─Ö przerw─Ö mi─Ödzy dwoma ko┼äcami drutu, kt├│re wcze┼Ťniej stanowi┼éy jedno┼Ť─ç:

spadek napi─Öcia

Polaryzacja pr─ůdu

Zwr├│─ç uwag─Ö na znaki „+” i „-” znajduj─ůce si─Ö przy ko┼äc├│wkach w miejscu przerwania obwodu oraz zauwa┼╝, ┼╝e odpowiadaj─ů znakom „+” i „-” obok styk├│w baterii. Znaki te wskazuj─ů kierunek, w kt├│rym napi─Öcie wywiera si┼é─Ö wywo┼éuj─ůc─ů przep┼éyw elektron├│w. Ten kierunek potencja┼éu nazywa si─Ö polaryzacj─ů. Pami─Ötaj, ┼╝e warto┼Ť─ç napi─Öcia zawsze mierzy si─Ö mi─Ödzy dwoma punktami. Z tego wzgl─Ödu polaryzacja spadku napi─Öcia r├│wnie┼╝ jest wzgl─Ödna mi─Ödzy dwoma punktami, tzn. to czy dany punkt w obwodzie zostanie oznaczony symbolem „+” czy „-”, zale┼╝y od drugiego punktu, z kt├│rym jest on por├│wnywany. Sp├│jrz na poni┼╝szy obw├│d, w kt├│rym ka┼╝dy r├│g obwodu zosta┼é oznaczony cyfr─ů:

przerwa w obwodzie

Je┼Ťli obw├│d zostanie przerwany mi─Ödzy punktami 2 i 3, polaryzacja spadku napi─Öcia mi─Ödzy tymi punktami b─Ödzie mia┼éa symbol „-” w przypadku punktu 2 i „+” w przypadku punktu 3. Polaryzacja baterii (1 „-” i 4 „+”) wywiera na elektrony si┼é─Ö pchaj─ůc─ů w kierunku zgodnym z ruchem wskaz├│wek zegara od 1, przez 2 i 3, do 4 i z powrotem do 1.

A teraz sprawd┼║my, co si─Ö stanie, gdy z powrotem po┼é─ůczymy punkty 2 i 3, a zrobimy przerw─Ö mi─Ödzy punktami 3 i 4:

inny obw├│d z przerw─ů

W tym przypadku polaryzacja spadku napi─Öcia przyjmuje znak „+” od strony punktu 4 i „-” po stronie punktu 3. Zwr├│─ç uwag─Ö, ┼╝e „znak” punktu 3 jest w tym przypadku przeciwny do znaku w pierwszym przyk┼éadzie, w kt├│rym zrobili┼Ťmy przerw─Ö mi─Ödzy punktami 2 i 3 (tam po stronie punktu 3 by┼é znak „+”). Nie mo┼╝emy wi─Öc powiedzie─ç, ┼╝e punkt 3 w tym obwodzie zawsze b─Ödzie mia┼é znak „+” lub „-”, poniewa┼╝ polaryzacja, podobnie jak samo napi─Öcie, nie jest cech─ů konkretnego punktu, tylko zale┼╝y od relacji mi─Ödzy dwoma punktami!

Powt├│rzenie

  • Elektrony mo┼╝na zmusi─ç do przep┼éywu przez przewodnik za pomoc─ů tej samej si┼éy, kt├│ra wyst─Öpuje w elektryczno┼Ťci statycznej.
  • Napi─Öcie to miara energii potencjalnej (energii potencjalnej na jednostk─Ö ┼éadunku) mi─Ödzy dwoma punktami. M├│wi─ůc j─Özykiem laika, jest to miara si┼éy dost─Öpnej do „popychania” elektron├│w.
  • Napi─Öcie, jako wyraz energii potencjalnej, jest zawsze wzgl─Ödne mi─Ödzy dwoma punktami. Czasami nazywa si─Ö je „spadkiem” napi─Öcia.
  • Kiedy do obwodu zostaje pod┼é─ůczone ┼║r├│d┼éa napi─Öcia, napi─Öcie to powoduje w nim jednolity przep┼éyw elektron├│w, kt├│ry nazywamy pr─ůdem.
  • W pojedynczym (sk┼éadaj─ůcym si─Ö z jednej p─Ötli) obwodzie ilo┼Ť─ç pr─ůdu w ka┼╝dym punkcie jest taka sama.
  • Je┼Ťli obw├│d zawieraj─ůcy ┼║r├│d┼éo napi─Öcia zostanie przerwany, mi─Ödzy zako┼äczeniami w tym miejscu pojawi si─Ö pe┼ény potencja┼é tego ┼║r├│d┼éa.
  • Orientacja +/- spadku napi─Öcia nazywa si─Ö polaryzacj─ů. Polaryzacja r├│wnie┼╝ ma charakter wzgl─Ödny mi─Ödzy dwoma punktami.

Autor: Tony R. Kuphaldt

Źródło: https://ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/DC/index.html

Tłumaczenie: Łukasz Piwko

Tre┼Ť─ç tej strony jest dost─Öpna na zasadach licencji CC BY 4.0