Podstawy przepływu prądu i energii

Ładunki potrzebują siły, która wprawi je w ruch od punktu A do B. Podobnie jak woda potrzebuje siły grawitacji, aby spływać z góry w dół, czyli od potencjału wyższego do niższego. Siłę tą nazywamy napięciem U, a jej jednostką jest Volt. Te wartości można zobaczyć na bateriach, niektóre mają 1,5V, 3V, 5V czy 12V.

Drugą ważną rzeczą są same ładunki, bez nich nie może płynąć prąd. Podobnie jest z korytem rzeki, jesli w źródle nie ma wody to rzeka nie moży spłynąć w dół mimo działającej siły grawitacji. Ilość ładunków nazywamy natężeniem I, a jego jednostką jest Amper.

Płynąca z góry woda, jak i ładunki elektryczne napotykają przeszkody, które tłumią przepływ ładunków. Przeszkody te nazywamy oporem lub rezystancją. W przyszłości poznamy też inne, bardziej zaawansowane określenia. Rezystancję oznaczamy literą R, a jej jednostką jest Ohm.

Te 3 elementy tworzą pewien model, który nazywamy prawem Ohma.

Natężenie prądu (I) w przewodniku jest proporcjonalne do napięcia (V) przyłożonego do tego przewodnika, a odwrotnie proporcjonalne do oporu (R) tego przewodnika.”

V = I * R

Wrócimy do tego prawa w przyszłości, gdzie będzie ono nam przydatne w wielu przykładach.

Mogliście usłyszeć zdanie, że prąd płynie od plusa do minusa. Po części jest to prawdziwe, ale ja chciałbym żebyście myśleli o tym w ten sposób, że prąd płynie z potencjału wyższego do niższego. Tak jak rzeka płynie z punktu wyższego do niższego, woda nie płynie z dołu do góry, prawda? Tak samo jest z prądem i ładunkami elektrycznymi.

Ale ktoś powie, przecież w baterii mamy plus i minus i prąd płynie od plusa do minusa. No tak, ale to nas bardzo ograniczy i ciężko będzie nam zrozumieć późniejsze, bardziej zaawansowane zagadnienia.

W elektronice posługujemy się wieloma uproszczeniami, modelami i uogólnieniami, aby zrozumieć pewne zagadnienia. My z początku też będziemy stosować wiele uproszczeń, które będziemy rozszerzać i wyjaśniać bardziej szczegółowo później.

Mając 2 punkty o takiej samej wartości siły (napięcia), prąd nie popłynie od punktu A do B, ponieważ ich wartości są takie same, nie ma różnicy potencjałów. Żadna ze stron nie jest w stanie popchnąć ładunków w danym kierunku.

Gdy podniesiemy punkt A to zwiększymy jego potencjał w stosunku do punktu B i mamy różnicę potencjałów, czyli napięcie. Ładunki mogą płynąć z punktu A, wyższego potencjału do punktu B. Ale zauważcie, że punkt B, wcale nie musi być zerem, czy też ładunkiem ujemnym.

Mając np 2 baterie o napięciu 9V i 3V możemy je podłączyć w ten sposób i tutaj nie ma mowy o przepływie prądu od plusa do minusa. Ale prąd popłynie od potencjału wyższego 9V do potencjału niższego 3V.

Sam przepływ ładunków, czy prądu jest niewystarczający. Elektryczność jest po to, by zasilać urządzenia, a do tego potrzebujemy energii. Jak ma się przepływ prądu do przepływu energii? Energia, którą wykorzystujemy np do rozświetlenia żarówki, wcale nie płynie w przewodniku. Whaaat?

Powiedzieliśmy, że napięcie to siła, która pcha ładunki i dzięki temu płynie prąd. Ale to było pierwsze uproszczenie. Musimy porozmawiać o elementach, których nie da się zobaczyć gołym okiem, podobnie jak samej energii.

Ładunki elektryczne generują pole elektryczne z liniami pola o kierunku na zewnątrz i do wewnątrz, jeśli mamy dwa różne ładunki (nie muszą to być ładunki dodatnie i ujemne) to powstaje nam różnica potencjałów. Właśnie to pole elektryczne i jego siła (która zależy od napięcia), jest siłą napędową dla prądu. W tym przypadku przepływ prądu nie następuje, ponieważ te dwa punkty są odległe od siebie, a siła pola elektrycznego spada wraz z odległością.

W momencie kiedy połączymy te 2 punkty przewodnikiem, pole elektryczne propaguje się, czyli rozszerza po całej dlugości przewodnika. Dzieje się to z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Ponieważ pole elektryczne jest tak samo silne, na całej długości przewodu, następuje ruch ładunków od potencjału wyższego do niższego. Można więc powiedzieć, że to pole elektryczne jest mocą napędową przepływu ładunków, a jego siła zależy od wartości napięcia.

Ale to nie wystarczy.

Przepływające ładunki wytwarzają wokół przewodnika pole magnetyczne.

Im więcej ładunków (im większe natężenie) tym silniejsze pole magnetyczne.

Czyli mamy pole elektryczne, które zależy od napięcia i pole magnetyczne, którego siła zależy od natężenia.

I teraz, funkcja, czy też w dużym uproszczeniu suma wartości pola elektrycznego i magnetycznego daje nam wartość energii.

I ponieważ, te pola są obecne poza przewodnikiem, również sama energia w postaci tych pól jest transferowana wokół, a nie wewnątrz przewodnika.

Wewnątrz przewodnika następuje tylko ruch ładunków.

Zrozumienie tych zagadnień jest kluczowe, aby później zrozumieć bardziej zaawansowane zagadnienia.