Opór elektryczny (rezystancja)

25 marca 2022
1 gwiadka2 gwiazdki3 gwiazdki4 gwiazdki5 gwiazdek

Obwód przedstawiony w poprzedniej części nie jest zbyt praktyczny. Tak naprawdę to może być nawet niebezpieczny (bezpośrednie połączenie biegunów źródła napięcia jednym kawałkiem drutu to nie najlepszy pomysł). Niebezpieczeństwo w tym przypadku polega na tym, że przez taki zwarty obwód może przepływać bardzo duża ilość prądu, czemu towarzyszy uwolnienie bardzo dużej ilości energii (zazwyczaj w formie ciepła). Obwody elektryczne zazwyczaj konstruuje się tak, aby wykorzystać tę uwalnianą energię do jakiegoś celu w jak najbezpieczniejszy sposób.

Jednym z najpopularniejszych celów wykorzystania prądu elektrycznego jest stworzenie oświetlenia elektrycznego. Najprostsza lampa elektryczna składa się z cienkiego metalowego włókna zamkniętego w szklanej bańce, które rozgrzewa się do białości w wyniku działania energii wyzwalanej przez przepływający przezeń prąd elektryczny. Lampa, podobnie jak bateria, ma dwa punkty połączenia – przez jeden elektrony wchodzą, a przez drugi wychodzą.

Obwód z lampą elektryczną podłączony do źródła napięcia wygląda mniej więcej tak:

Elektrony przepływające przez metalowe włókno lampy napotykają na większy opór niż gdyby przepływały przez gruby drut. Siła tego oporu elektrycznego zależy od typu materiału, powierzchni jego przekroju poprzecznego oraz temperatury. Fachowo nazywa się go rezystancją. (Można powiedzieć, że przewodniki mają niską rezystancję, a izolatory – bardzo wysoką). Rezystancja ogranicza przepływ przez obwód prądu wywołany przez napięcie wytwarzane przez baterię. W przypadku „zwartego obwodu”, w którym był tylko drut łączący bieguny źródła napięcia, ten opór był nieporównanie mniejszy.

Kiedy elektrony pokonują opór, powstaje „tarcie”. Podobnie jak tarcie mechaniczne, tarcie wytwarzane przez elektrony pokonujące opór manifestuje się w formie ciepła. Skoncentrowana rezystancja włókna lampy powoduje uwolnienie dużej ilości energii cieplnej, która jest rozpraszany na tym włóknie. Ta energia cieplna wystarcza do tego, aby rozżarzyć włókno do białości, w efekcie czego powstaje światło. Natomiast druty łączące lampę z baterią (które stawiają znacznie mniejszy opór) stają się ledwie ciepłe przy takiej samej ilości przepływającego prądu.

Tak samo, jak w przypadku zwartego obwodu, jeśli w którymkolwiek miejscu wystąpi przerwa, elektrony przestaną płynąć w każdym miejscu. Jeśli do obwodu jest podłączona lampa, to przestanie ona świecić.

Tak jak poprzednio, przy braku przepływu elektronów w miejscu przerwania dostępny jest cały potencjał (napięcie) baterii, który czeka na połączenie pozwalające wznowić przepływ elektronów. Taki obwód, w którym przerwa uniemożliwia przepływ prądu, nazywa się obwodem otwartym. Aby „otworzyć” obwód, wystarczy go przerwać w jednym dowolnym miejscu. Po połączeniu rozłączonych punktów i przywróceniu ciągłości obwodu otrzymujemy tzw. obwód zamknięty.

Ten opis przedstawia podstawową zasadę włącznika i wyłącznika światła. Ponieważ jakakolwiek przerwa ciągłości obwodu powoduje zatrzymanie przepływu prądu w każdym jego miejscu, możemy celowo przerywać tę ciągłość za pomocą przełącznika zamontowanego w dowolnym dogodnym dla nas miejscu, przez które poprowadziliśmy kable, aby móc kontrolować przepływ elektronów w obwodzie.

Właśnie w ten sposób działa przełącznik zamontowany na ścianie pokoju, za pomocą którego włączamy i wyłączamy światło. Przełącznik składa się z dwóch przewodzących styków (najczęściej wykonanych z jakiegoś metalu) które są łączone i rozłączane przez mechaniczną dźwignię lub przycisk. Kiedy styki zostają zetknięte ze sobą, powstaje ciągłość obwodu i elektrony zaczynają płynąć. Gdy zostają one rozłączone, dzielące je powietrze, które nie przewodzi prądu, powoduje zatrzymanie przepływu elektronów, czyli następuje przerwanie ciągłości obwodu.

Typem przełącznika, na przykładzie którego najłatwiej jest wyjaśnić zasadę działania przełączników, jest przełącznik „nożowy”:

Składa się on z przewodzącej dźwigni osadzonej na zawiasie, która może stykać się z jednym lub większą liczbą nieruchomych styków, które również są przewodnikami. Przełącznik pokazany na powyższej ilustracji ma porcelanową podstawę (porcelana to doskonały izolator) oraz miedziane (miedź to doskonały przewodnik) „ostrze” i styki. Uchwyt jest wykonany z plastiku, aby chronić rękę użytkownika przed porażeniem prądem przy zamykaniu lub otwieraniu obwodu.

Oto inny typ przełącznika nożowego z dwoma nieruchomymi stykami.

Ten przełącznik nożowy ma jedno „ostrze”, ale dwa nieruchome styki, co znaczy, że może łączyć lub rozłączać więcej niż jeden obwód. Na razie nie jest to dla nas niezbędna wiedza, ale warto wiedzieć, jakie są podstawowe zasady działania przełączników.

Przełączniki nożowe doskonale nadają się do ilustracji podstawowej zasady działania przełączników, ale są niebezpieczne w obwodach elektrycznych o dużej mocy. Odsłonięte przewodniki w przełączniku nożowym stwarzają wysokie ryzyko przypadkowego kontaktu, a iskry mogące powstawać w momencie zetknięcia się ostrza ze stykami mogą spowodować zapłon znajdujących się w pobliżu palnych przedmiotów. W większości nowoczesnych przełączników ruchome elementy przewodzące i styki są zaizolowane i zamknięte w obudowie, aby zmniejszyć to zagrożenie. Na poniższej fotografii pokazano kilka różnych przełączników, które są o wiele lepiej zabezpieczone od przełączników nożowych.

Zgodnie z określeniami dotyczącymi obwodów, które mogą być „otwarte” lub „zamknięte”, przełącznik łączący dwa styki (np. przełącznik nożowy, którego ostrze dotyka stałego styku) i tworzy ciągłą ścieżkę dla elektronów nazywa się przełącznikiem zamkniętym. Natomiast przełącznik przerywający ciągłość (na przykład przełącznik nożowy, którego ostrze nie dotyka stałego punktu kontaktowego) uniemożliwia przepływ elektronów i nazywa się przełącznikiem otwartym. Studenci elektroniki czasami mają problem z tą terminologią, ponieważ słowa „otwarty” i „zamknięty” kojarzą się im z drzwiami, czyli można przejść, gdy są otwarte, a nie można, gdy są zamknięte. W przypadku przełączników elektrycznych te pojęcia mają odwrotne znaczenie: „otwarty” oznacza brak możliwości przepływu, a „zamknięty” – że elektrony mogą swobodnie płynąć.

  • Powtórzenie
  • Rezystancja to miara oporu stawianego prądowi elektrycznemu.
  • Obwód zwarty to obwód elektryczny stawiający bardzo mały lub zerowy opór przepływającym elektronom. Zwarcia w obwodach podłączonych do zasilania o wysokim napięciu są niebezpieczne, ponieważ przepływa przez nie duży prąd, skutkiem czego jest wyzwolenie dużej ilości energii cieplnej.
  • Obwód otwarty to taki, w którym ścieżka przepływu elektronów jest przerwana.
  • Obwód zamknięty to obwód ciągły.
  • Urządzenie służące do otwierania i zamykania obwodu w kontrolowany sposób nazywa się przełącznikiem.
  • Pojęcia „otwarty” i „zamknięty” odnoszą się do przełączników i do całych obwodów. Otwarty przełącznik to taki, który przerywa ciągłość obwodu: nie pozwala na przepływ elektronów. Przełącznik zamknięty to taki, który tworzy niskooporową ścieżkę do przepływu elektronów.

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.