Napięcie i natężenie

15 marca 2022
1 gwiadka2 gwiazdki3 gwiazdki4 gwiazdki5 gwiazdek

Wcześniej napisaliśmy, że do zapewnienia ciągłego przepływu elektronów nie wystarczy tylko ciągła ścieżka (obwód). Potrzebna jest jeszcze jakaś siła, która popchnie te elektrony przez obwód. Podobnie jest z kulkami i wodą w rurze – aby się przemieszczały, coś musi zainicjować ich ruch. W przypadku elektronów jest to ta sama siła, która występuje w przypadku elektryczności statycznej – wytwarzająca nierównowagę ładunku elektrycznego.

Weźmy na przykład wosk i wełnę. Jeśli potrzemy o siebie te materiały, to nadmiar elektronów w wosku (ładunek ujemny) i niedobór elektronów w wełnie (ładunek dodatni) stworzy między nimi nierównowagę ładunku. Ten brak równowagi będzie się manifestował w postaci siły przyciągającej te dwa przedmioty.

Jeśli naładowane kawałki wosku i wełny zostaną połączone drutem z przewodzącego materiału, to nadmiar elektronów z wosku popłynie przez ten drut do wełny, aby wyrównać poziomy.

Różnica w liczbie elektronów między atomami wosku i atomami wełny wytwarza siłę działającą między tymi dwoma materiałami. Kiedy nie ma połączenia między woskiem i wełną, jedyną manifestacją tej siły jest wzajemne przyciąganie się tych materiałów. Kiedy jednak połączymy je przewodnikiem, omawiana siła zmusi elektrony do uporządkowanego przepływu przez ten przewodnik, choćby przez bardzo krótką chwilę, aż ładunek w tym obszarze stanie się neutralny, co spowoduje zanik tej siły.

Ładunek elektryczny wytworzony przez pocieranie o siebie tych dwóch materiałów służy przechowywaniu pewnej ilości energii. Można ją porównać z energią przechowywaną w wysoko położonym zbiorniku wody, którą wpompowano do niego z nisko położonego stawu.

Grawitacja działająca na wodę w zbiorniku wytwarza siłę próbującą sprowadzić tę wodę z powrotem na dół. Gdyby zbiornik połączono ze stawem rurą, pod wpływem grawitacji woda spłynęłaby w dół.

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 wyższy poziom wymagałoby jeszcze więcej energii, a więc zostałaby zmagazynowana jeszcze większa jej ilość, którą potem można by było uwolnić przez spuszczenie wody z powrotem do stawu.

Pod tym względem elektrony niewiele różnią się od wody. Jeśli potrzemy o siebie kawałek wosku i kawałek wełny, to „przepompujemy” elektrony z ich normalnych „poziomów” i wytworzymy warunki, w których między dwoma przedmiotami powstanie siła wynikająca z tego, że elektrony będą próbowały wrócić do poprzedniego położenia (oraz równowagi w swoich atomach). Siła ciągnąc elektrony z powrotem do pierwotnego położenia wokół dodatnio naładowanych jąder atomów jest analogiczna do siły, jaką grawitacja wywiera na wodę w zbiorniku.

Tak jak pompowanie wody na wyższy poziom powoduje zmagazynowanie energii, „pompowanie” elektronów w celu stworzenia nierównowagi ładunków elektrycznych powoduje zgromadzenie pewnej ilości energii w postaci tego braku równowagi. I tak, jak stworzenie ujścia dla wody, aby mogła spłynąć z wysokości do zbiornika, powoduje uwolnienie zmagazynowanej energii, zapewnienie elektronom możliwości przepływu do ich pierwotnych „poziomów” wywołuje taki sam skutek.

Kiedy elektrony są uwięzione w tym statycznym stanie (tak jak woda stojąca w umieszczonym wysoko zbiorniku), zmagazynowana za ich pośrednictwem energia to tzw. energia potencjalna, ponieważ może zostać uwolniona (ma taki potencjał). Gdy pocierasz gumową podeszwą swojego buta o dywan w suchy dzień, tworzysz nierównowagę ładunku elektrycznego między tobą i dywanem. Pocieranie stopami powoduje zmagazynowanie energii w formie nierównowagi liczby elektronów, które zostały zmuszone do zmiany miejsca pobytu. Ładunek ten (elektryczność statyczna) jest nieruchomy i nawet nie będziesz sobie zdawać sprawy, że został zgromadzony. Kiedy jednak dotkniesz dłonią metalowej klamki (zawierającej mnóstwo mobilnych elektronów do neutralizacji Twojego ładunku elektrycznego), ta zmagazynowana energia zostanie uwolniona w formie nagłego przepływu elektronów przez Twoją dłoń, co odczujesz jako porażenie prądem elektrycznym!

Ta energia potencjalna, zmagazynowana w formie nierównowagi ładunku elektrycznego i zdolna do wywołania przepływu elektronów przez przewodnik, nosi nazwę napięcie elektryczne. Napięcie elektryczne, przez fizyków nazywane specyficzną energią potencjalną, określa ilość energii potencjalnej na jednostkę ładunku elektronów. Napięcie, zdefiniowane w kontekście elektryczności statycznej, jest miarą pracy, jaką należy wykonać, aby przenieść ładunek z jednego miejsca w inne, przez pokonanie siły, która stara się utrzymać równowagę ładunków elektrycznych. W kontekście źródeł zasilania elektrycznego napięcie określa ilość dostępnej energii potencjalnej (pracy do wykonania) na jednostkę ładunku do wywoływania ruchu elektronów w przewodniku.

Jako że napięcie określa energię potencjalną, a więc reprezentuje możliwość lub potencjał uwolnienia energii w wyniku ruchu elektronów z jednego „poziomu” do innego, zawsze odnosi się ono do dwóch punktów. Posłużymy się analogią do zbiornika wody:

Wysokość spadku między pierwszą lokalizacją i zbiornikiem jest znacznie mniejsza niż między drugą lokalizacją i zbiornikiem, w związku z czym w drugim przypadku istnieje potencjał uwolnienia znacznie większej energii. Tę zasadę można intuicyjnie zrozumieć przez analogię do zrzucania kamienia. W którym przypadku uderzenie będzie silniejsze: gdy kamień zostanie zrzucony z wysokości metra, czy kilometra? Oczywiście rzut z większej wysokości spowoduje uwolnienie większej ilości energii (uderzenie będzie silniejsze). Nie możemy oszacować ilości energii przechowywanej w zbiorniku wody na podstawie pomiaru samej jego objętości, podobnie jak nie jesteśmy w stanie przewidzieć siły uderzenia spadającego kamienia na podstawie samej jego masy: w obu przypadkach musimy jeszcze uwzględnić to, jak bardzo te obiekty oddalą się od swojego początkowego położenia. Ilość energii wyzwalanej przez zrzucenie masy jest proporcjonalna do odległości między punktem początkowym i końcowym. Analogicznie, energia potencjalna elektronów przemieszczających się między dwoma punktami zależy od tych dwóch punktów. Dlatego napięcie zawsze się wyraża jako wielkość między dwoma punktami. Co ciekawe, analogia z potencjalnym „zrzutem” masy z określonej wysokości jest tak trafna, że napięcie między dwoma punktami niekiedy nazywa się właśnie spadkiem napięcia.

Napięcie można wytworzyć także innymi sposobami niż pocieranie o siebie różnych typów materiału. Niektóre z nich polegają na przykład na wykorzystaniu reakcji chemicznych, energii promieniowania oraz zjawiska wpływu magnetyzmu na przewodniki. Praktyczne przykłady wykorzystania tych technik to odpowiednio baterie, ogniwa słoneczne i generatory (choćby alternator znajdujący się pod maską Twojego samochodu) Na razie nie będziemy się szczegółowo rozwodzić nad zasadą działania tych źródeł napięcia – teraz zależy nam przede wszystkim na zrozumieniu tego, jak za pomocą źródeł napięcia można wywołać przepływ elektronów w obwodzie.

Weźmiemy symbol baterii chemicznej i na jego bazie zbudujemy obwód krok po kroku.

Każde źródło napięcia, w tym także baterie, ma dwa punkty kontaktu elektrycznego. Na powyższym schemacie są one oznaczone numerami 1 i 2. Poziome linie o różnej długości oznaczają, że to jest bateria oraz wskazują kierunek, w którym będzie ona popychała elektrony przez obwód. To, że na schemacie poziome linie w symbolu baterii nie mają ze sobą styczności (a więc nie stanowią ciągłej ścieżki do przepływu elektronów) nie jest żadnym problemem. Symbolizują one metaliczne płytki zanurzone w płynie lub półstałej substancji, która nie tylko przewodzi elektrony, ale dodatkowo przez interakcję z płytkami generuje napięcie, które je popycha.

Zwróć uwagę na znaki „+” i „-” po lewej stronie symbolu baterii. Ujemny (-) biegun baterii zawsze znajduje się po stronie najkrótszej poziomej kreski, a dodatni (+) – po stronie najdłuższej. Ponieważ uznaliśmy, że elektrony mają ładunek „ujemny” (dzięki, Ben!), elektrony są „wypychane” z bieguna ujemnego. W związku z tym dodatni biegun to ten, który przyciąga elektrony.

Dopóki bieguny „+” i „-” baterii nie zostaną z niczym połączone, między nimi będzie występować napięcie, ale przez baterię nie będą przepływać elektrony, ponieważ nie będą one miały zapewnionej ciągłej ścieżki do ruchu.

Ta sama zasada dotyczy zbiornika wody i analogii do pompy wodnej: bez rury powrotnej do sadzawki energia zmagazynowana w zbiorniku nie może zostać uwolniona w postaci przepływu wody. Kiedy zbiornik zostanie napełniony, przepływ zostaje wstrzymany bez względu na to, jak duże ciśnienie wygeneruje pompa. Aby woda płynęła z sadzawki do zbiornika i z powrotem, musi mieć zapewnioną kompletną ścieżkę (obwód).

W przypadku baterii możemy stworzyć taką ścieżkę przez połączenie kawałkiem drutu jednego bieguna z drugim. Gdy utworzymy obwód w ten sposób, wywołamy ciągły przepływ elektronów w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu wskazówek zegara:

W takim obwodzie elektrony będą płynąć dopóki nie zostanie on przerwany i bateria będzie wytwarzać napięcie. Odnosząc się do metafory wody płynącej rurą, ten ciągły i jednostajny przepływ elektronów przez obwód nazwano prądem. Dopóki źródło napięcia wywiera siłę „pchającą” w jednym kierunku, elektrony nieustannie płyną w tym kierunku przez obwód. Ten jednokierunkowy przepływ elektronów nazywa się prądem stałym (po angielsku direct current, w skrócie DC). W drugiej części tego kursu omawiane są obwody elektryczny, w których kierunek przepływu prądu nieustannie się zmienia: jest to tzw. prąd przemienny (po angielsku alternate current, w skrócie AC). Na razie jednak zajmujemy się tylko obwodami prądu stałego.

Ponieważ prąd elektryczny to jednolity przepływ elektronów przez przewodnik, które płynąc, pchają elektrony znajdujące się przed nimi, jak kulki albo woda w rurze, ilość płynących elektronów w danym obwodzie jest taka sama w każdym jego punkcie. Gdybyśmy przecięli drut obwodu w poprzek i policzyli przepływające przezeń elektrony, to w każdym miejscu przecięcia otrzymalibyśmy taką samą liczbę elektronów, niezależnie od długości i grubości przewodnika.

Jeśli przerwiemy ciągłość obwodu w dowolnym punkcie, prąd elektryczny przestanie płynąć całkowicie i całe napięcie wytwarzane przez baterię będzie manifestowane przez tę przerwę między dwoma końcami drutu, które wcześniej stanowiły jedność:

Zwróć uwagę na znaki „+” i „-” znajdujące się przy końcówkach w miejscu przerwania obwodu oraz zauważ, że odpowiadają znakom „+” i „-” obok styków baterii. Znaki te wskazują kierunek, w którym napięcie wywiera siłę wywołującą przepływ elektronów. Ten kierunek potencjału nazywa się polaryzacją. Pamiętaj, że wartość napięcia zawsze mierzy się między dwoma punktami. Z tego względu polaryzacja spadku napięcia również jest względna między dwoma punktami, tzn. to czy dany punkt w obwodzie zostanie oznaczony symbolem „+” czy „-”, zależy od drugiego punktu, z którym jest on porównywany. Spójrz na poniższy obwód, w którym każdy róg obwodu został oznaczony cyfrą:

Jeśli obwód zostanie przerwany między punktami 2 i 3, polaryzacja spadku napięcia między tymi punktami będzie miała symbol „-” w przypadku punktu 2 i „+” w przypadku punktu 3. Polaryzacja baterii (1 „-” i 4 „+”) wywiera na elektrony siłę pchającą w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara od 1, przez 2 i 3, do 4 i z powrotem do 1.

A teraz sprawdźmy, co się stanie, gdy z powrotem połączymy punkty 2 i 3, a zrobimy przerwę między punktami 3 i 4:

W tym przypadku polaryzacja spadku napięcia przyjmuje znak „+” od strony punktu 4 i „-” po stronie punktu 3. Zwróć uwagę, że „znak” punktu 3 jest w tym przypadku przeciwny do znaku w pierwszym przykładzie, w którym zrobiliśmy przerwę między punktami 2 i 3 (tam po stronie punktu 3 był znak „+”). Nie możemy więc powiedzieć, że punkt 3 w tym obwodzie zawsze będzie miał znak „+” lub „-”, ponieważ polaryzacja, podobnie jak samo napięcie, nie jest cechą konkretnego punktu, tylko zależy od relacji między dwoma punktami!

Powtórzenie

  • Elektrony można zmusić do przepływu przez przewodnik za pomocą tej samej siły, która występuje w elektryczności statycznej.
  • Napięcie to miara energii potencjalnej (energii potencjalnej na jednostkę ładunku) między dwoma punktami. Mówiąc językiem laika, jest to miara siły dostępnej do „popychania” elektronów.
  • Napięcie, jako wyraz energii potencjalnej, jest zawsze względne między dwoma punktami. Czasami nazywa się je „spadkiem” napięcia.
  • Kiedy do obwodu zostaje podłączone źródła napięcia, napięcie to powoduje w nim jednolity przepływ elektronów, który nazywamy prądem.
  • W pojedynczym (składającym się z jednej pętli) obwodzie ilość prądu w każdym punkcie jest taka sama.
  • Jeśli obwód zawierający źródło napięcia zostanie przerwany, między zakończeniami w tym miejscu pojawi się pełny potencjał tego źródła.
  • Orientacja +/- spadku napięcia nazywa się polaryzacją. Polaryzacja również ma charakter względny między dwoma punktami.

Autor: Tony R. Kuphaldt

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

Tłumaczenie: Łukasz Piwko

Treść tej strony jest dostępna na zasadach licencji Design Science License

Dyskusja

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.