Prosto o prądzie elektrycznym

Zaczynamy dla Was nową serię artykułów. Chcemy w nich wyjaśniać różne tematy, które pojawiały się, co prawda, w szkole, ale… no właśnie. Ale to było dawno, ale wiedza odparowała, a dziś przydałoby się wiedzieć to i owo. Dlatego też będziemy pisać artykuły, w których znajdziecie w jednym miejscu skondensowaną wiedzę na konkretny temat, czy to do odświeżenia go sobie dla własnej ciekawości, czy też do zajrzenia i znalezienia informacji gdy będzie potrzebna. A teraz, bez dalszych wstępów – dzisiejszy temat: jak działa prąd? Czym jest? Co można z nim ciekawego zrobić i jak się nie zabić przy okazji?

Z plusa do minusa?

Zacznijmy więc od podstaw. Czym w ogóle jest prąd elektryczny? Otóż jest to uporządkowany ruch nośników ładunków elektrycznych pod wpływem pola elektrycznego. Czyli, tak po ludzku, co? W instalacjach z których korzystamy standardowo chodzi o elektrony¹A jeśli korzystacie na przykład z aparatów do elektroforezy czy zajmujecie się elektrolizą, to prawdopodobnie znacie się na prądzie na tyle, że nic nowego w tym artykule nie przeczytacie. Te cząstki elementarne mają ładunek ujemny. I tu natrafiamy na pierwszą nieintuicyjną cechę prądu.

Czy każdy widział baterię? Zwróciliście uwagę na oznaczenie “plus” i “minus”? Prawdopodobnie słyszeliście też, że prąd płynie z plusa do minusa. Ale elektrony mają ładunek ujemny, a ładunki przeciwne się przyciągają, więc… Elektrony płyną z minusa do plusa. No to co w takim razie płynie z plusa do minusa?

Otóż nic. O co więc chodzi? O to, że w czasach Beniamina Franklina coś takiego jak elektron nie było w ogóle znane. Franklin potrafił rozróżnić dwa rodzaje ładunku, które nazwał dodatnim i ujemnym – lub raczej nadmiarem ładunku i niedostatkiem ładunku. I stwierdził, że prąd płynie z obszaru nadmiaru ładunku – plusa – do obszaru jego niedostatku – minusa. Krótko mówiąc, dla jego aparatury pomiarowej nie było żadnej różnicy pomiędzy przepływem dodatniego ładunku w jedną stronę, a przepływem ujemnego w przeciwną. Musiał więc, jak to się już kilka razy zdarzało w historii nauki, zgadywać. I tak się złożyło, że nie zgadł. Ale próba zmiany konwencji po odkryciu elektronu i stwierdzeniu, że to on jest odpowiedzialny za przepływ prądu wywołałaby straszliwy chaos. Dlatego też prąd płynie w przeciwną stronę niż elektrony, które go tworzą.

Dlaczego prąd płynie?

Ale dlaczego w ogóle płynie? Jak już pisałem w definicji – pod wpływem pola elektrycznego. A skąd się ono bierze? No cóż, najczęściej spotykane są trzy możliwości. Pierwsza to chemia. Czyli to, co dzieje się w bateriach wszelkiego rodzaju. Mamy dwie elektrody, na których zachodzą tak zwane reakcje redox²Czyli utlenianie i redukcja. Jedna z nich produkuje nadmiarowe elektrony, które muszą się gdzieś podziać. Druga wymaga elektronów “z zewnątrz”, żeby mogła zachodzić. Jeśli więc połączymy te elektrody przewodnikiem – materiałem, przez który może płynąć prąd – to elektrony popłyną z jednej elektrody do drugiej, a prąd popłynie w przeciwną stronę. I ten radosny stan rzeczy będzie się utrzymywał, aż reakcje zużyją wszystkie substraty… Lub aż się przewodnik spali, ale o tym więcej za chwilę.

Opcja druga to zamiana energii mechanicznej w elektryczną. Czyli skorzystanie z wynalazku pana Faradaya. W skrócie: jeśli poruszamy magnesem w pobliżu przewodnika, to przez ten przewodnik zaczyna płynąć prąd. I to właśnie wykorzystywane jest w rozmaitych generatorach. Mamy wirujący magnes i nieruchomy przewodnik obok niego. Wirnik się kręci, a przez przewodnik zaczyna płynąć prąd, który można posłać dalej, żeby wykonał jakąś użyteczną pracę. A co napędza wirnik? Obojętnie. Para wodna, spaliny, wiatr, woda… Cokolwiek.

Trzecia powszechnie stosowana opcja to wykorzystanie energii Słońca³O egzotyce typu radioizotopowe generatory termoelektryczne nie będziemy tutaj na razie się rozwodzić. Fotony lecące do nas ze Słońca trafiają w panel fotowoltaiczny, wybijają elektron z jakiegoś atomu. Ten elektron wtedy może ruszyć w trasę przez przewodniki… I tak dalej, i tak dalej. Ale tyle mówimy o płynącym prądzie, więc warto sobie znów zadać pytanie – jak szybko on płynie?

Prąd stały i zmienny

Możliwe są dwie odpowiedzi w zależności od tego, o co właściwie pytacie. Czy chodzi o to, jak szybko po wciśnięciu guzika zapali się żarówka? Bardzo szybko. Sygnał elektryczny rozchodzi się z prędkością bliską prędkości światła. O ile żarówka nie jest odległa o setki tysięcy kilometrów, to “dowie się” o włączeniu prądu niemal natychmiast. Ale inne, choć podobne pytanie brzmi: jak szybko płyną elektrony? Otóż bardzo wolno. Mówimy o milimetrach, a nawet ułamkach milimetrów na sekundę.

I z tą prędkością elektrony ruszają z “minusa” i płyną do “plusa”. Co oznacza, że obwód musi być zamknięty, żeby prąd popłynął – niby oczywiste, ale jest to coś, o czym trzeba pamiętać. Ciąg przewodników łączący przeciwne bieguny źródła prądu musi być nieprzerwany. Natomiast położenie plusa i minusa nie musi być takie samo. Mamy do czynienia z prądem stałym lub zmiennym. Prąd stały to taki, jaki generuje na przykład bateria czy panel fotowoltaiczny. W tym wypadku kierunek przepływu elektronów, a co za tym idzie przepływu prądu, jest cały czas taki sam. Natomiast prąd produkowany przez generator to prąd zmienny: raz płynie w jedną stronę, raz w przeciwną. Co istotne – da się zamieniać jeden rodzaj prądu w drugi. Prąd zmienny w stały przekształcają prostowniki, dzięki czemu jesteśmy w stanie naładować baterię czy akumulator. W drugą stronę, z prądu stałego prąd zmienny tworzą falowniki, dzięki czemu instalacja fotowoltaiczna może zasilić nasze domowe instalacje.

Jak mierzyć prąd?

A po co ten prąd w ogóle płynie? Po to, żeby po drodze wykonać użyteczną pracę. Na przykład coś ogrzać. Albo przesunąć, wprawić w ruch, albo wyświetlić obraz na telewizorze czy komputerze. Jak to dokładnie działa – to temat na osobny artykuł i to raczej nie jeden. To co warto wiedzieć, to jakie parametry decydują o tym, ile pracy prąd jest w stanie dla nas wykonać.

Każdy chyba słyszał o woltach, watach i amperach, ale o co w nich dokładniej chodzi? Wolty to miara napięcia, czyli różnicy potencjałów. Innymi słowy – w woltach mierzymy to, jak bardzo prąd chce płynąć. Korzystając ze znanego porównania prądu do płynącej wody, wolty mówią nam o różnicy wysokości między początkiem a końcem rzeki czy jakiegoś jej odcinka. Bateria “paluszek” daje różnicę potencjałów między plusem i minusem około 1,5 wolta. Różnica potencjałów między przewodem fazowym a neutralnym w gniazdku elektrycznym to, nominalnie, 230 woltów – choć o tym trochę więcej napiszę następnym razem, bo tutaj sprawa jest bardziej skomplikowana.

Kolejną jednostką związaną z tym, jak prąd płynie, są ampery. W nich mierzymy natężenie, czyli ilość przepływającego ładunku elektrycznego w jednostce czasu. Kontynuując wodną analogię, natężenie mówi nam o tym, ile litrów wody na sekundę przepływa przez jakiś punkt rzeki. I jak się łatwo domyślić, napięcie i natężenie są ze sobą powiązane. Im większe przyłożymy do przewodnika napięcie, tym bardziej prąd chce płynąć. A to oznacza, że popłynie intensywniejszy prąc – przeniesiemy więcej ładunku. A współczynnik, który wiąże jedno z drugim, nazywa się opór i mierzymy go w omach.

Więc sytuacja wygląda tak. Do układu elektrycznego przykładamy jakieś napięcie. Układ stawia opór. Im większy opór, tym mniejszy prąd popłynie przy danym napięciu. A liczbowo? Wolty podzielone przez omy dają ampery. Czyli jeśli mamy baterię 1,5 wolta, a układ stawia opór 10 omów, to po podpięciu baterii popłynie prąd 0,15 ampera. Możecie to sobie wyobrazić jako elektrony z większym lub mniejszym trudem przeciskające się między atomami tworzącymi nasz przewodnik. Im większy stawia opór, tym elektronom jest trudniej, więc mniej ich przepłynie.

Ale to nie wszystko. Spróbujcie potrzeć intensywnie jedną dłonią o drugą. Zrobiło się ciepło? Podobnie ciepło się robi, gdy elektrony przeciskają się przez przewodnik. Jak ciepło? To też jest bardzo łatwo policzyć. Jeśli podzielimy napięcie w woltach przez odpowiadające mu natężenie w amperach, dostaniemy opór w omach. Ale jeśli pomnożymy napięcie przez natężenie – dostaniemy mierzoną w watach moc, czyli zdolność do wykonywania pracy. Pracy użytecznej dla nas, czyli na przykład przenoszenia ciężkich rzeczy czy napędzania pralki… Albo nieużytecznej, czyli po prostu strat energii, wydzielanych jako ciepło.

Prąd to pieniądz

I tu wreszcie dochodzimy do jednej z najważniejszych wartości dla nas – i dla naszego budżetu. Energii, mierzonej w kilowatogodzinach. Choć pomimo doktoratu i ogólnie pojętej umiejętności czytania ze zrozumieniem rozłożenie na części rachunku za prąd⁴Pozdrowienia dla Tauronu! często mnie przerasta, wiem, że jakąś jego składową jest opłata za każdą zużytą kilowatogodzinę. I tu od razu wyjaśnienie. Choć jednostką SI dla energii jest dżul, to kilowatogodzina jest często bardziej intuicyjna. Jeśli nasz prąd działa z mocą jednego wata przez godzinę, to znaczy, że zużyliśmy jedną watogodzinę energii. Jeśli działa przez tę samą godzinę, ale z tysiąc razy większą mocą, czyli z mocą jednego kilowata – to zużyliśmy jedną kilowatogodzinę.

Na koniec części pierwszej podam jeszcze kilka przykładowych wartości prądu, z jakimi spotkacie się w warunkach domowych. Instalacja w Waszym domu czy mieszkaniu zabezpieczona jest bezpiecznikiem o wartości pomiędzy 25 a 50 amperów, czyli taki maksymalny prąd może długoterminowo płynąć do Waszej instalacji. Napięcie w gniazdku to, jak już wspominałem, 230 woltów. Moc czajnika często mieści się w granicach 2-2,4 tysiąca watów. Oznacza to, że przyłożenie do niego napięcia 230 woltów spowoduje przepływ prądu około 10 amperów⁵Żeby to dokładnie obliczyć wystarczy podzielić moc przez napięcie – waty przez wolty. Nieprzerwana praca przez godzinę zużyje między 2 a 2,4 kilowatogodziny energii.

Komputer? Zasilacz ma zwykle moc od kilkudziesięciu do “niskich kilkuset” watów, no chyba, że to superpotężny model gamingowy – wtedy może być dużo więcej. Pralka? Od 1 do 3 kilowatów. Lodówka? Kilkaset kilowatów. Kuchenka indukcyjna? Od kilku do kilkunastu tysięcy watów, i tak dalej, i tak dalej. Oczywiście trzeba pamiętać, że nie cały ten sprzęt pracuje w trybie ciągłym – na przykład lodówka włącza się na jakiś czas, a potem znów wyłącza.

A w następnym odcinku wyjaśnię Wam, dlaczego nadmierny przepływ prądu jest niebezpieczny i jak wykorzystujemy wydzialane przez niego ciepło, żeby zabezpieczyć nasze instalacje. Będzie też o tym, dlaczego w standardowej instalacji w domu mamy nie dwa, tylko trzy kabelki i jak nam to może uratować życie… I szereg innych elektryzujących ciekawostek!

Bibliografia

1. https://www.extremetech.com/science/how-does-electricity-work-and-when-was-it-invented
2. https://www.ia470.com/primer/electric.htm
3. https://www.eia.gov/energyexplained/electricity/the-science-of-electricity.php
4. https://www.ea.govt.nz/your-power/how-electricity-works/
5. https://erieit.edu/how-does-electricity-work/

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!