Czym jest prąd elektryczny?

Elektryczność, jaką znamy, wcale nie jest z nami tak długo, jak mogłoby się wydawać. Jej pierwsze zastosowania poznaliśmy w XIX w., a na masową skalę została rozpowszechniona dopiero w XX w. Dzisiaj prąd elektryczny jest dla nas zasobem tak powszechnym jak bieżąca woda.

Każdy na pewno kilka razy w życiu doświadczył przerw w dostawie prądu elektrycznego spowodowanych awariami lub pracami konserwacyjnymi. Rzadko zastanawiamy się jednak, jak duże znaczenie miałoby dla każdego z nas całkowite odcięcie od elektryczności. Smartfon rozładuje się po 24 godzinach, laptop jeszcze szybciej, a telewizora i komputera stacjonarnego w ogóle nie uruchomimy. Wszystkie sprzęty AGD wymagają zasilania z sieci elektrycznej. Całe nasze życie uzależnione jest od tego surowca. Nawet woda dostarczana jest do naszych domów i mieszkań dzięki pompom zasilanym energią elektryczną, a widmo całkowitego blackoutu wydaje się dzisiaj bliższe niż kiedykolwiek. Dlatego warto rozumieć, czym jest prąd elektryczny i jakie są sposoby jego generowania.

Ładunek elektryczny – niezwykła właściwość materii

O ile prąd elektryczny został odkryty niedawno, a sam ładunek elektryczny dopiero sto lat wcześniej, to zjawiska elektrostatyczne były znane uczonym już w VI w. p.n.e. Powszechnie obserwowano przyciąganie się lekkich przedmiotów do bursztynu potartego o jedwab. Nie potrafiono jednak naukowo wyjaśnić obserwowanych faktów. Dziś wiemy, że odpowiada za nie ładunek elektryczny ciała.

Czym jest ładunek elektryczny? Tak do końca tego nie wiemy. Wiemy, że jest. To po prostu właściwość cząstek elementarnych. Niektóre mają ujemny ładunek, inne dodatni, a jeszcze inne nie posiadają go wcale (mają zerowy ładunek elektryczny). Ujemność i dodatniość ładunku lub jego brak też jest tylko przyjętą konwencją w nazywaniu obserwowanych właściwości materii. Ujemny ładunek elektryczny można by nazwać ładunkiem A, natomiast dodatni ładunkiem B. Fizycy lubią jednak trzymać się blisko matematyki, więc zostaliśmy przy -, + i 0.

Dodatni lub ujemny ładunek może być nieskończenie duży, ale nie może być nieskończenie mały. Mając metalową kulkę, mogę powiedzieć, że jej ładunek wynosi np. +10 C.

[C] to kulomb – jednostka ładunku elektrycznego, pochodząca od francuskiego fizyka Charles’a Coulomba (nie mylić z Krzysztofem Kolumbem). Kula (tak jak cała materia) jest zbudowana z atomów, a te z protonów, neutronów i elektronów.

Okazuje się, że protony mają ładunek elektryczny równy około 1,6 ⋅ 10^{-19} C, a elektrony −1,6 ⋅ 10^{−19} C. Ładunek elektryczny neutronów jest równy 0. Łatwo spostrzec, że ładunki protonu i elektronu są dokładnie przeciwne. Wartość bezwzględną takiego ładunku nazwano ładunkiem elementarnym i oznaczono jako e. Zatem ładunek protonu wynosi e, a elektronu -e. Nie odkryliśmy pojedynczej cząstki posiadającej mniejszy ładunek elektryczny niż ładunek elementarny (stąd jego nazwa). Każdy inny ładunek elektryczny, jaki może posiadać ciało, musi być całkowitą wielokrotnością ładunku elementarnego.

Wróćmy do naszej metalowej kuli o ładunku +10 C. Obojętnie elektryczna kula ma tyle samo elektronów i protonów. Ujemne ładunki elektronów znoszą się z dodatnimi ładunkami protonów, a wypadkowy ładunek całej kuli jest równy zero. Jeżeli nasza kula ma dodatni ładunek elektryczny, to musi mieć więcej protonów niż elektronów. Protony znajdują się w jądrze atomowym i są dosyć ciężkie, więc manipulacja ich liczbą nie należy do najprostszych zadań. Dużo łatwiej jest wpłynąć na liczbę znacznie lżejszych elektronów, szczególnie tych walencyjnych lub swobodnych. Stąd ładunek elektryczny kuli wynika z niedoboru lub nadmiaru elektronów względem protonów. 

Rozumiemy już, że ładunek +10 C oznacza niedobór elektronów względem protonów w materii budującej kulę. Ile tych elektronów musiało zniknąć z ciała, aby uzyskało ono taki ładunek elektryczny? Całkiem sporo – możemy to łatwo obliczyć, dzieląc ładunek q kuli przez wartość bezwzględną ładunku jednego elektronu e.

N=\frac{q}{e}=\frac{10\space C}{1,6\cdot10^{-19} \space C}=6,25\cdot10^{19}

Z powyższych obliczeń wynika, że kula straciła ponad 10 trylionów elektronów. Wszystkie te elektrony zostały odebrane z kuli i pozostawiły na niej niezrównoważony ładunek dodatni. Jak przywrócić kuli jej zerowy ładunek elektryczny? Pomoże nam w tym prąd elektryczny!

Dokąd pędzą elektrony w przewodach elektrycznych?

Mamy kulę o ładunku +10 C. Skoro tak, to moglibyśmy mieć też taką o ładunku -10 C (byłoby w niej więcej elektronów niż protonów). Jeżeli nadmiarowy ładunek dodatni oznaczymy jako „+”, a nadmiarowy ładunek ujemny jako „–”, to sytuację tę możemy przedstawić tak, jak na poniższej grafice:

Ryc. 1. Rozkład ładunku na metalowych kulach

Mówimy, że na każdej kuli zgromadzony jest potencjał elektryczny. Oznaczamy go jako V i wyrażamy w woltach [V]. Możemy powiedzieć, że dodatnio naładowana kula ma potencjał +10 woltów, a ujemnie naładowana kula -10 woltów. Między kulami istnieje zatem różnica potencjałów, czyli napięcie elektryczne (oznaczamy je jako U i również wyrażamy w woltach). Natura ma wrodzoną tendencję do likwidowania napięć – wyrównywania potencjałów, jeśli tylko nadarzy się ku temu okazja. Teraz kule są od siebie odseparowane, ale możemy zobaczyć, co się stanie, jeśli połączymy kule kawałkiem metalowego drutu.

Ryc. 2. Przepływ ładunku między naładowanymi elektrycznie kulami

Wzdłuż drutu następuje przepływ elektronów z ujemnie naładowanej kuli do dodatnio naładowanej kuli. Przepływ ten nie ustanie, dopóki potencjały obu kul nie wyrównają się.

Ryc. 3. Zobojętnienie dodatniego ładunku elektrycznego na skutek przepływu ujemnego ładunku

Ponieważ wartości bezwzględne ładunków obu kul były takie same, to dodatni ładunek zostanie zrównoważony przez ujemny i ładunki obu kul po połączeniu wyniosą zero. Nie będzie na nich żadnych nadmiarowych ładunków elektrycznych.

Ryc. 4. Wyzerowanie się ładunków na obu kulach po ich połączeniu

Co działo się podczas przepływu ładunków w przewodzie, którym połączyliśmy obie kule?

Ryc. 5. Przepływ prądu elektrycznego między naładowanymi kulami

Przepływ ładunku elektrycznego przez ten przewód nazwiemy właśnie prądem elektrycznym. Przez drut łączący obie kule przepłynął prąd elektryczny, ponieważ tak właśnie nazywamy uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. W tym przypadku przez przewód poruszały się elektrony od ujemnego potencjału do dodatniego potencjału elektrycznego. Na powyższym rysunku strzałką zaznaczono kierunek przepływu elektronów. Kierunek przepływu prądu elektrycznego jest odwrotny i wynika z przyjętej konwencji oznaczeń.

Wspomnieliśmy wcześniej o napięciu elektrycznym U. Definiujemy je jako stosunek pracy W wykonywanej przez pole elektryczne przy przemieszczaniu ładunku q między dwoma potencjałami elektrycznymi.

U=\frac{W}{q}

Wprowadzimy również kolejną wielkość opisującą prąd elektryczny – jego natężenie I. Jest to stosunek ładunku q, jaki przepłynął przez poprzeczny przekrój przewodnika do czasu t tego przepływu.

I=\frac{q}{t}

Natężenie prądu wyrażamy w amperach – [A].

Im większy ładunek przepływa, a także im szybciej on przepływa, tym większe natężenie prądu płynie w przewodniku. Nie należy myśleć jednak o przepływie elektronów zachodzącym z prędkością światła. Cząstki te raczej mogłyby startować w wyścigu ślimaków. Ich prędkość dryfu (prędkość, z jaką poruszają się w przewodniku w ustalonym kierunku) jest rzędu milimetrów na sekundę. Z prędkością światła propaguje, czyli rozchodzi się informacja o tym, że prąd elektryczny przepływa, więc ruch wszystkich elektronów w przewodniku następuje niemal natychmiastowo.

Na przykładzie dwóch naładowanych kul możemy zaobserwować i zrozumieć istotę przepływu prądu elektrycznego. Nie jest to jednak zbyt praktyczne. Przepływ takiego prądu ustaje bardzo szybko z chwilą wyrównania się potencjałów kul. Potrzebujemy zatem czegoś, co nie pozwoli na wyrównanie się potencjałów tych kul – potrzebujemy baterii.

Bateria to źródło napięcia stałego (o napięciu przemiennym nie będziemy na razie w ogóle wspominać), czyli generuje taki prąd, który przepływa przez przewodnik stale i w jednym kierunku. Podłączona do zamkniętego obwodu bateria zapewni w nim ciągły przepływ elektronów aż do jej wyczerpania dzięki wytwarzaniu w obwodzie różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

Na poniższym rysunku możemy zobaczyć, jak połączone metalowe kule po dodaniu baterii zamienimy w obwód elektryczny, w którym w sposób ciągły płynie stały prąd elektryczny.

Ryc. 6. Zamknięty obwód elektryczny z kulami i baterią (strzałka wskazuje kierunek ruchu elektronów w obwodzie)

Kule i przewód to po prostu metalowe elementy – przewodniki prądu elektrycznego, więc nasz teoretyczny obwód elektryczny możemy uprościć do baterii z podłączonym opornikiem. Opornik to ten podłużny, prostokątny element zaznaczony na poniższym schemacie obwodu elektrycznego.

Ryc. 7. Prosty obwód elektryczny (strzałka wskazuje kierunek przepływu prądu elektrycznego)

Rozumiemy już, w jaki sposób zachodzi przepływ prądu elektrycznego w obwodzie. Jest to ruch elektronów wymuszony przez różnicę potencjałów (napięcie) wytwarzaną np. przez baterię. Skupmy się teraz na opornikach.

Prawo Ohma, czyli co zależy od czego?

Opornik (rezystor) to element obwodu elektrycznego charakteryzujący się oporem elektrycznym (rezystancją). Jeśli wspominamy o przewodach obwodu elektrycznego, to idealizujemy je i mówimy, że mają zerowy opór elektryczny (w praktyce mają opór, ale mały). Intuicyjnie na pewno domyślasz się, czym jest sam opór elektryczny – to wielkość określająca, jak trudno jest przepływać prądowi elektrycznemu przez dany materiał. Oporniki są specjalnie tworzone tak, by ich opór był znany. Budują one każdy obwód elektryczny. Opór elektryczny (rezystancję) oznaczamy jako R i wyrażamy w omach – [Ω].

Jeżeli prąd elektryczny napotyka opór elektryczny, to zawsze następuje spadek potencjału elektrycznego na tym oporze. Upraszczając, mówimy, że następuje spadek napięcia na oporze. Na każdym oporniku pojawia się zatem spadek napięcia. Całkowity spadek napięcia w danym obwodzie elektrycznym musi być równy napięciu wytwarzanemu przez źródło zasilania podłączone do tego obwodu.

Popatrzmy jeszcze raz na zbudowany wcześniej obwód elektryczny.

Ryc. 8. Prosty obwód elektryczny (strzałka wskazuje kierunek przepływu prądu elektrycznego)

Bateria wytwarza napięcie U o wartości np. 10 woltów w obwodzie. Na oporniku o oporze katex]R[/katex] następuje spadek tego napięcia wynoszący dokładnie 10 woltów. Wszystko to się dzieje przy przepływie prądu w obwodzie o natężeniu I. Czy istnieje jakaś zależność między tym napięciem, natężeniem prądu i oporem? Okazuje się, że dla oporników możemy ją wyrazić bardzo prostym wzorem opisującym prawo Ohma (ta prawidłowość została odkryta przez Georga Simona Ohma w latach 20. XIX w.).

I=C \cdot U

Stała proporcjonalności C jest równa odwrotności oporu elektrycznego R, na którym następuje spadek napięcia w obwodzie.
Zatem:

I=\frac{1}{R}\cdot U

Opór elektryczny R jest stały (zakładamy tutaj brak nagrzewania się przewodnika przy przepływie prądu) i nie zależy ani od napięcia, ani od natężenia prądu płynącego w obwodzie. Wraz ze wzrostem napięcia w obwodzie rośnie natężenie prądu w nim płynącego. 

Od czego zatem zależy opór elektryczny przewodnika? Od właściwości fizycznych materiału, z którego jest zbudowany. Wyraża to poniższy wzór:

R=\rho \cdot \frac{l}{S}

gdzie:

• ρ – opór właściwy, 
• l – długość przewodnika,
• S – pole przekroju poprzecznego przewodnika.

Opór właściwy określa, jak dobrze dany materiał, z którego jest zbudowany przewodnik, przewodzi prąd elektryczny.

Czym jest energia elektryczna?

Wiemy już, że przepływ prądu w obwodzie powoduje spadek napięcia na oporze występującym w tym obwodzie. Jakie konsekwencje ma taki spadek napięcia? Wiąże się on bezpośrednio z energią wydzielaną na tym oporze. Energia prądu elektrycznego nie wynika jednak z energii poruszających się elektronów. Jest to energia przesyłana w polu elektromagnetycznym wytwarzanym przez przepływ elektronów w przewodniku.

Ryc. 9. Schemat przedstawiający transfer energii elektrycznej w obwodzie przez pole elektromagnetyczne ze źródła napięcia do odbiornika

Napięcie elektryczne U zdefiniowaliśmy jako stosunek pracy pola elektrycznego W i ładunku q przemieszczanego w przewodniku.

U=\frac{W}{q}

Pracę pola elektrycznego, czyli pracę wykonywaną przez prąd elektryczny wyrazimy w następujący sposób:

W=q\cdot U

Natężenie prądu I przepływającego w przewodniku zdefiniowaliśmy jako stosunek ładunku q do czasu t jego przepływu.

I=\frac{q}{t}

Stąd możemy zapisać zależność na ładunek q.

q=I\cdot t

Podstawmy tę zależność do wzoru na pracę.

W=I\cdot t \cdot U

W ten sposób otrzymujemy wzór na pracę prądu elektrycznego o natężeniu I przy występującym spadku napięcia U w czasie t trwania przepływu tego prądu.

W=U\cdot I\cdot t

Możemy zapisać, że energia prądu elektrycznego jest równoważna wykonywanej przez niego pracy.

E=U\cdot I\cdot t

Teraz w łatwy sposób wyrazimy moc prądu elektrycznego P.

P=\frac{W}{t}

P=\frac{U\cdot I \cdot t}{t}

P=U\cdot I

Jeżeli pominiemy straty energii, to powyższy wzór wyraża moc urządzenia zasilanego energią elektryczną. Prąd elektryczny, przepływając przez takie urządzenie, powoduje jego pracę kosztem własnej energii uzyskiwanej ze źródła napięcia – energia ta jest transmitowana przez pole elektromagnetyczne towarzyszące przepływowi prądu elektrycznego.

Materiały źródłowe