Podstawowe wielkości elektryczne: prąd elektryczny, napięcie, moc

Napięcie i prąd są fundamentalnymi pojęciami w dziedzinie elektryczności. Stworzymy pierwsze modele dla tych podstawowych pojęć. Opowiemy również o mocy, która pojawia się, gdy napięcie i prąd współdziałają ze sobą.

Koncepcja elektyczności powstała z obserwacji przyrody. Zaobserwowano pewien rodziaj siły, która w określonych warunkach działa na odległość pomiędzy obiektami obdarzonymi "ładunkiem elektrycznym". Źródło tej siły dostało nazwę ładunek elektryczny. Łatwą do zauważenia cechą siły oddziaływania elektrycznego to, że jest ona znacznie większa niż siła grawitacji. Jednak przeciwnie do tej drugiej, istnieją dwa rodzaje ładunku elektrycznego: dodatni i ujemny. Ładunki o przeciwnych znakach się przyciągają, a o tych samych odpychają. Grawitacja potrafi tylko przyciągać ciała, nigdy ich nie odpycha.

Przewodniki wykonane są z atomów, których zewnętrzne (walencyjne) elektrony są stosunkowo słabo związane z jądrem, jak pokazano na poniższym modelu atomu miedzi. W przypadku grupy atomów metalu znajdujących się blisko siebie, chętnie dzielą one między siebie swoje elektrony walencyjne, które zachowują się jak elektrony swobodne, niepowiązane z żadnym konkretnym jądrem. Wystarczy bardzo niewielkie pole elektryczne, żeby je przemieścić. Miedź, złoto, srebro i aluminium są dobrymi przewodnikami, podobnie jak słona woda.

Są też słabe przewodniki. Wolfram - metal używany jako żarnik w żarówce i węgiel - w postaci diamentu, są stosunkowo słabymi przewodnikami, ponieważ ich elektrony są mniej skłonne do przemieszczania się.

Izolatory to materiały, których elektrony walencyjne są mocno związane z ich jądrem atomowym. Niewielkie pole elektryczne nie jest w stanie ich uwolnić. Gdy przykładamy pole elektryczne, chmury elektronów wokół atomu rozciągają się i zniekształcają w odpowiedzi na to pole, ale elektrony się nie odłączają od swoich atomów. Izolatorem jest m. in. szkło, plastik, skały, powietrze. Lecz nawet do izolatorów można przyłożyć pole elektryczne wystarczająco silne, by oderwały elektrony - zjawisko to nazywamy przebiciem. Właśnie to dzieje się z cząsteczkami powietrza, gdy widzisz przebiegającą pomiędzy elektrodami iskrę.

Półprzewodniki są pomiędzy przewodnikami i izolatorami. Zazwyczaj zachowują się jak izolatory, ale możemy spowodować, żeby w określonych sytuacjach zachowywały się jak przewodniki. Najbardziej znanym półprzewodnikiem jest krzem (liczba atomowa: $14$‍). Nasza zdolność precyzyjnego kontrolowania przewodności krzemu pozwala nam produkować takie współczesne cuda jak komputery i telefony komórkowe. Na poziomie atomowym zasada działania półprzewodników opiera się o mechanikę kwantową.

Natężenie prądu (potocznie nazywane prądem) to przepływ ładunku.

Ładunek przepływa w postaci prądu.

Prąd jest określany jako ilość ładunku, jaki przepłynął przez poprzeczny przekrój przewodnika w ciągu określonego czasu. Wyobraź sobie barierę umieszczoną w konkretnym miejscu przewodu. Stań koło niej i licz każdy elektron, jaki cię mija. Określ ile ładunków przeszło przez barierę w ciągu sekundy. Oznaczamy jako dodatnie natężenie zgodne z kierunkiem, w którym poruszałby się ładunek dodatni.

Ponieważ natężenie prądu elektrycznego jest miarą przepływu elektronów przez przekrój poprzeczny przewodnika w jednostce czasu, można go opisać matematycznie z użyciem następującego wzoru:

Tym, w skrócie, jest prąd elektryczny.

Co jest nośnikiem prądu w metalach? Ponieważ elektrony mogą się w metalach poruszać, to właśnie ich ruch składa się na prąd elektryczny. Położenie dodatnio naładowanych jąder w atomach jest stałe i nie wpływa na natężenie prądu. Mimo że elektrony są naładowane ujemnie i to one wykonują prawie całą pracę w większości obwodów elektrycznych, dodatnie natężenie prądu definiujemy jako kierunek, w którym porusza się dodatni ładunek. Jest to stara, historyczna konwencja.

Czy nośnikiem prądu mogą być ładunki dodatnie? Tak. Istnieje tego wiele przykładów. Nośnikiem prądu w słonej wodzie są zarówno ładunki dodatnie, jak i ujemne: jeśli wsypiemy do wody zwykłą sól kuchenną, roztwór staje się dobrym przewodnikiem. Sól kuchenna to chlorek sodu, NaCl. Sól rozpuszcza się w wodzie do postaci pływających swobodnie jonów: Na${}^{+}$‍ i Cl${}^{-}$‍. Oba rodzaje jonów reagują na pole elektryczne i poruszają się w słonej wodzie w przeciwnych kierunkach. W tym przypadku prąd tworzą przemieszczające się atomy, jony dodatnie i ujemne, a nie tylko wolne elektrony. W naszym ciele prądem elektrycznym są poruszające się jony, dodatnie i ujemne. Działa tu taka sama definicja prądu elektrycznego: przepływ ładunku w jednostce czasu.

Skąd się bierze prąd? Naładowane elektrycznie obiekty poruszają się w odpowiedzi na siły elektryczne i magnetyczne. Siły te pochodzą od pół elektrycznych i magnetycznych, które to z kolei pochodzą z ruchu innych ładunków.

Jaka jest prędkość prądu? Zazwyczaj nie mówi się o prędkości prądu. Odpowiadanie na pytanie "Jak szybko płynie prąd?" wymaga rozumienia złożonych zagadnień fizycznych i najczęściej nie jest potrzebne. W natężeniu prądu zazwyczaj nie chodzi o metry na sekundę, tylko o ilość ładunku na sekundę. Zdecydowanie częściej odpowiadamy na pytanie "Jak dużo prądu przepływa?".

W jaki sposób opisujemy prąd? Przy omawianiu natężenia prądu znaczenia nabierają takie słowa jak przez i w. Prąd przepływa przez opornik; prąd płynie w przewodzie.

W celu zrozumienia koncepcji napięcia przyjrzyjmy się analogii:

Zmiana wysokości $h$‍ masy $m$‍ odpowiada zmianie energii potencjalnej o $\mathrm{\Delta }U=mg\mathrm{\Delta }h$‍.

W przypadku naładowanej cząsteczki $q$‍, zmiana potencjału $V$‍ odpowiada zmianie energii potencjalnej o $\mathrm{\Delta }U=qV$‍.

Napięcie w obwodzie elektrycznym jest analogiczne do iloczynu $g\cdot \mathrm{\Delta }h$‍, gdzie $g$‍ jest przyspieszeniem grawitacyjnym, a $\mathrm{\Delta }h$‍ jest zmianą wysokości.

Piłka na szczycie wzgórza turla się w dół. W połowie drogi straciła połowę swojej potencjalnej energii.

Elektron ze "szczytu" napięcia wędruje "w dół" poprzez przewody i elementy obwodu, oddając przy tym swoją potencjalną energię. Gdy elektron jest w połowie drogi, oddał lub "stracił" połowę swojej potencjalnej energii.

Zarówno dla piłki jak i elektronu podróż w dół wzgórza odbywa się spontanicznie. Piłka i elektron samodzielnie dążą do niższego stanu energetycznego. Podczas spadania mogą pojawić się przeszkody w postaci na przykład drzew lub niedźwiedzi, dzięki którym piłka może się odbić. Elektronom natomiast przy projektowaniu obwodu wyznaczamy drogę z użyciem przewodów i elektronicznych elementów. Poruszając się nią mogą robić naprawdę ciekawe rzeczy.

Napięcie między dwoma punktami możemy opisać matematycznie jako zmianę energii ładunku związaną ze zmianą jego położenia:

Tak wygląda, w skrócie, intuicyjny opis napięcia.

Moc jest definiowane jako ilość energii ($\text{U}$‍) przesyłanej w określonym czasie. Jednostką mocy jest Dżul/sekunda, znany również jako wat.

($1\text{W}=1\text{J}/\text{s}$‍)

Obwód elektryczny jest zdolny do przesyłu mocy. Natężenie prądu jest miarą przepływu ładunku, a napięcie określa energię przenoszoną przez pojedynczy ładunek. Możemy podstawić te definicje do wzoru na moc:

Moc elektryczna równa się iloczynowi napięcia pomnożonego przez natężenie prądu. Jednostką mocy w układzie SI jest wat.

Poznane modele prądu i napięcia pozwolą nam zacząć przygodę z całą masą ciekawych obwodów elektrycznych.

Jeśli chcesz sięgnąć poza intuicyjny opis napięcia, możesz przeczytać bardziej formalny, matematyczny opis potencjału elektrycznego i napięcia.