Skip to content

Czym jest pr膮d elektryczny?

W artykule

Elektryczno艣膰, jak膮 znamy, wcale nie jest z nami tak d艂ugo, jak mog艂oby si臋 wydawa膰. Jej pierwsze zastosowania poznali艣my w XIX w., a na masow膮 skal臋 zosta艂a rozpowszechniona dopiero w XX w. Dzisiaj pr膮d elektryczny jest dla nas zasobem tak powszechnym jak bie偶膮ca woda.

Ka偶dy na pewno kilka razy w 偶yciu do艣wiadczy艂 przerw w dostawie pr膮du elektrycznego spowodowanych awariami lub pracami konserwacyjnymi. Rzadko zastanawiamy si臋 jednak, jak du偶e znaczenie mia艂oby dla ka偶dego z nas ca艂kowite odci臋cie od elektryczno艣ci. Smartfon roz艂aduje si臋 po 24 godzinach, laptop jeszcze szybciej, a telewizora i komputera stacjonarnego w og贸le nie uruchomimy. Wszystkie sprz臋ty AGD wymagaj膮 zasilania z sieci elektrycznej. Ca艂e nasze 偶ycie uzale偶nione jest od tego surowca. Nawet woda dostarczana jest do naszych dom贸w i mieszka艅 dzi臋ki pompom zasilanym energi膮 elektryczn膮, a widmo ca艂kowitego blackoutu wydaje si臋 dzisiaj bli偶sze ni偶 kiedykolwiek. Dlatego warto rozumie膰, czym jest pr膮d elektryczny i jakie s膮 sposoby jego generowania.

艁adunek elektryczny 鈥 niezwyk艂a w艂a艣ciwo艣膰 materii

O ile pr膮d elektryczny zosta艂 odkryty niedawno, a sam 艂adunek elektryczny dopiero sto lat wcze艣niej, to zjawiska elektrostatyczne by艂y znane uczonym ju偶 w VI w. p.n.e. Powszechnie obserwowano przyci膮ganie si臋 lekkich przedmiot贸w do bursztynu potartego o jedwab. Nie potrafiono jednak naukowo wyja艣ni膰 obserwowanych fakt贸w. Dzi艣 wiemy, 偶e odpowiada za nie 艂adunek elektryczny cia艂a.

Czym jest 艂adunek elektryczny? Tak do ko艅ca tego nie wiemy. Wiemy, 偶e jest. To po prostu w艂a艣ciwo艣膰 cz膮stek elementarnych. Niekt贸re maj膮 ujemny 艂adunek, inne dodatni, a jeszcze inne nie posiadaj膮 go wcale (maj膮 zerowy 艂adunek elektryczny). Ujemno艣膰 i dodatnio艣膰 艂adunku lub jego brak te偶 jest tylko przyj臋t膮 konwencj膮 w nazywaniu obserwowanych w艂a艣ciwo艣ci materii. Ujemny 艂adunek elektryczny mo偶na by nazwa膰 艂adunkiem A, natomiast dodatni 艂adunkiem B. Fizycy lubi膮 jednak trzyma膰 si臋 blisko matematyki, wi臋c zostali艣my przy -, + i 0.

Dodatni lub ujemny 艂adunek mo偶e by膰 niesko艅czenie du偶y, ale nie mo偶e by膰 niesko艅czenie ma艂y. Maj膮c metalow膮 kulk臋, mog臋 powiedzie膰, 偶e jej 艂adunek wynosi np. +10 C.

[C] to kulomb 鈥 jednostka 艂adunku elektrycznego, pochodz膮ca od francuskiego fizyka Charles鈥檃 Coulomba (nie myli膰 z Krzysztofem Kolumbem). Kula (tak jak ca艂a materia) jest zbudowana z atom贸w, a te z proton贸w, neutron贸w i elektron贸w.

Okazuje si臋, 偶e protony maj膮 艂adunek elektryczny r贸wny oko艂o 1,6 鈰 10^{-19}聽C, a elektrony 鈭1,6 鈰 10^{鈭19}聽C. 艁adunek elektryczny neutron贸w jest r贸wny 0. 艁atwo spostrzec, 偶e 艂adunki protonu i elektronu s膮 dok艂adnie przeciwne. Warto艣膰 bezwzgl臋dn膮 takiego 艂adunku nazwano 艂adunkiem elementarnym i oznaczono jako e. Zatem 艂adunek protonu wynosi e, a elektronu -e. Nie odkryli艣my pojedynczej cz膮stki posiadaj膮cej mniejszy 艂adunek elektryczny ni偶 艂adunek elementarny (st膮d jego nazwa). Ka偶dy inny 艂adunek elektryczny, jaki mo偶e posiada膰 cia艂o, musi by膰 ca艂kowit膮 wielokrotno艣ci膮 艂adunku elementarnego.

Wr贸膰my do naszej metalowej kuli o 艂adunku +10 C. Oboj臋tnie elektryczna kula ma tyle samo elektron贸w i proton贸w. Ujemne 艂adunki elektron贸w znosz膮 si臋 z dodatnimi 艂adunkami proton贸w, a wypadkowy 艂adunek ca艂ej kuli jest r贸wny zero. Je偶eli nasza kula ma dodatni 艂adunek elektryczny, to musi mie膰 wi臋cej proton贸w ni偶 elektron贸w. Protony znajduj膮 si臋 w j膮drze atomowym i s膮 dosy膰 ci臋偶kie, wi臋c manipulacja ich liczb膮 nie nale偶y do najprostszych zada艅. Du偶o 艂atwiej jest wp艂yn膮膰 na liczb臋 znacznie l偶ejszych elektron贸w, szczeg贸lnie tych walencyjnych lub swobodnych. St膮d 艂adunek elektryczny kuli wynika z niedoboru lub nadmiaru elektron贸w wzgl臋dem proton贸w. 

Elektrony walencyjne 鈥 elektrony znajduj膮ce si臋 na ostatniej, najbardziej zewn臋trznej pow艂oce atomu.

Elektrony swobodne 鈥 elektrony niezwi膮zane z atomami w metalach (uczestnicz膮 w przewodnictwie pr膮du elektrycznego).

Rozumiemy ju偶, 偶e 艂adunek +10 C oznacza niedob贸r elektron贸w wzgl臋dem proton贸w w materii buduj膮cej kul臋. Ile tych elektron贸w musia艂o znikn膮膰 z cia艂a, aby uzyska艂o ono taki 艂adunek elektryczny? Ca艂kiem sporo 鈥 mo偶emy to 艂atwo obliczy膰, dziel膮c 艂adunek q kuli przez warto艣膰 bezwzgl臋dn膮 艂adunku jednego elektronu e.

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

Z powy偶szych oblicze艅 wynika, 偶e kula straci艂a ponad 10 trylion贸w elektron贸w. Wszystkie te elektrony zosta艂y odebrane z kuli i pozostawi艂y na niej niezr贸wnowa偶ony 艂adunek dodatni. Jak przywr贸ci膰 kuli jej zerowy 艂adunek elektryczny? Pomo偶e nam w tym pr膮d elektryczny!

Dok膮d p臋dz膮 elektrony w przewodach elektrycznych?

Mamy kul臋 o 艂adunku +10 C. Skoro tak, to mogliby艣my mie膰 te偶 tak膮 o 艂adunku -10 C (by艂oby w niej wi臋cej elektron贸w ni偶 proton贸w). Je偶eli nadmiarowy 艂adunek dodatni oznaczymy jako 鈥+鈥, a nadmiarowy 艂adunek ujemny jako 鈥炩撯, to sytuacj臋 t臋 mo偶emy przedstawi膰 tak, jak na poni偶szej grafice:

Ryc. 1. Rozk艂ad 艂adunku na metalowych kulach

M贸wimy, 偶e na ka偶dej kuli zgromadzony jest potencja艂 elektryczny. Oznaczamy go jako V i wyra偶amy w woltach [V]. Mo偶emy powiedzie膰, 偶e dodatnio na艂adowana kula ma potencja艂 +10 wolt贸w, a ujemnie na艂adowana kula -10 wolt贸w. Mi臋dzy kulami istnieje zatem r贸偶nica potencja艂贸w, czyli napi臋cie elektryczne (oznaczamy je jako U i r贸wnie偶 wyra偶amy w woltach). Natura ma wrodzon膮 tendencj臋 do likwidowania napi臋膰 鈥 wyr贸wnywania potencja艂贸w, je艣li tylko nadarzy si臋 ku temu okazja. Teraz kule s膮 od siebie odseparowane, ale mo偶emy zobaczy膰, co si臋 stanie, je艣li po艂膮czymy kule kawa艂kiem metalowego drutu.

Ryc. 2. Przep艂yw 艂adunku mi臋dzy na艂adowanymi elektrycznie kulami

Wzd艂u偶 drutu nast臋puje przep艂yw elektron贸w z ujemnie na艂adowanej kuli do dodatnio na艂adowanej kuli. Przep艂yw ten nie ustanie, dop贸ki potencja艂y obu kul nie wyr贸wnaj膮 si臋.

Ryc. 3. Zoboj臋tnienie dodatniego 艂adunku elektrycznego na skutek przep艂ywu ujemnego 艂adunku

Poniewa偶 warto艣ci bezwzgl臋dne 艂adunk贸w obu kul by艂y takie same, to dodatni 艂adunek zostanie zr贸wnowa偶ony przez ujemny i 艂adunki obu kul po po艂膮czeniu wynios膮 zero. Nie b臋dzie na nich 偶adnych nadmiarowych 艂adunk贸w elektrycznych.

Ryc. 4. Wyzerowanie si臋 艂adunk贸w na obu kulach po ich po艂膮czeniu

Co dzia艂o si臋 podczas przep艂ywu 艂adunk贸w w przewodzie, kt贸rym po艂膮czyli艣my obie kule?

Ryc. 5. Przep艂yw pr膮du elektrycznego mi臋dzy na艂adowanymi kulami

Przep艂yw 艂adunku elektrycznego przez ten przew贸d nazwiemy w艂a艣nie pr膮dem elektrycznym. Przez drut 艂膮cz膮cy obie kule przep艂yn膮艂 pr膮d elektryczny, poniewa偶 tak w艂a艣nie nazywamy uporz膮dkowany ruch 艂adunk贸w elektrycznych. W tym przypadku przez przew贸d porusza艂y si臋 elektrony od ujemnego potencja艂u do dodatniego potencja艂u elektrycznego. Na powy偶szym rysunku strza艂k膮 zaznaczono kierunek przep艂ywu elektron贸w. Kierunek przep艂ywu pr膮du elektrycznego jest odwrotny i wynika z przyj臋tej konwencji oznacze艅.

Wspomnieli艣my wcze艣niej o napi臋ciu elektrycznym U. Definiujemy je jako stosunek pracy W wykonywanej przez pole elektryczne przy przemieszczaniu 艂adunku q mi臋dzy dwoma potencja艂ami elektrycznymi.

U=\frac{W}{q}

Wprowadzimy r贸wnie偶 kolejn膮 wielko艣膰 opisuj膮c膮 pr膮d elektryczny 鈥 jego nat臋偶enie I. Jest to stosunek 艂adunku q, jaki przep艂yn膮艂 przez poprzeczny przekr贸j przewodnika do czasu t tego przep艂ywu.

I=\frac{q}{t}

Nat臋偶enie pr膮du wyra偶amy w amperach 鈥 [A].

Im wi臋kszy 艂adunek przep艂ywa, a tak偶e im szybciej on przep艂ywa, tym wi臋ksze nat臋偶enie pr膮du p艂ynie w przewodniku. Nie nale偶y my艣le膰 jednak o przep艂ywie elektron贸w zachodz膮cym z pr臋dko艣ci膮 艣wiat艂a. Cz膮stki te raczej mog艂yby startowa膰 w wy艣cigu 艣limak贸w. Ich pr臋dko艣膰 dryfu (pr臋dko艣膰, z jak膮 poruszaj膮 si臋 w przewodniku w ustalonym kierunku) jest rz臋du milimetr贸w na sekund臋. Z pr臋dko艣ci膮 艣wiat艂a propaguje, czyli rozchodzi si臋 informacja o tym, 偶e pr膮d elektryczny przep艂ywa, wi臋c ruch wszystkich elektron贸w w przewodniku nast臋puje niemal natychmiastowo.

Na przyk艂adzie dw贸ch na艂adowanych kul mo偶emy zaobserwowa膰 i zrozumie膰 istot臋 przep艂ywu pr膮du elektrycznego. Nie jest to jednak zbyt praktyczne. Przep艂yw takiego pr膮du ustaje bardzo szybko z chwil膮 wyr贸wnania si臋 potencja艂贸w kul. Potrzebujemy zatem czego艣, co nie pozwoli na wyr贸wnanie si臋 potencja艂贸w tych kul 鈥 potrzebujemy baterii.

Bateria to 藕r贸d艂o napi臋cia sta艂ego (o napi臋ciu przemiennym nie b臋dziemy na razie w og贸le wspomina膰), czyli generuje taki pr膮d, kt贸ry przep艂ywa przez przewodnik stale i w jednym kierunku. Pod艂膮czona do zamkni臋tego obwodu bateria zapewni w nim ci膮g艂y przep艂yw elektron贸w a偶 do jej wyczerpania dzi臋ki wytwarzaniu w obwodzie r贸偶nicy potencja艂贸w, czyli napi臋cia elektrycznego.

Na poni偶szym rysunku mo偶emy zobaczy膰, jak po艂膮czone metalowe kule po dodaniu baterii zamienimy w obw贸d elektryczny, w kt贸rym w spos贸b ci膮g艂y p艂ynie sta艂y pr膮d elektryczny.

Schemat przedstawiaj膮cy zamkni臋ty obw贸d elektryczny z kulami i bateri膮 z zaznaczonym kierunkiem przep艂ywu elektron贸w

Ryc. 6. Zamkni臋ty obw贸d elektryczny z kulami i bateri膮 (strza艂ka wskazuje kierunek ruchu elektron贸w w obwodzie)

Kule i przew贸d to po prostu metalowe elementy 鈥 przewodniki pr膮du elektrycznego, wi臋c nasz teoretyczny obw贸d elektryczny mo偶emy upro艣ci膰 do baterii z pod艂膮czonym opornikiem. Opornik to ten pod艂u偶ny, prostok膮tny element zaznaczony na poni偶szym schemacie obwodu elektrycznego.

Ryc. 7. Prosty obw贸d elektryczny (strza艂ka wskazuje kierunek przep艂ywu pr膮du elektrycznego)

Rozumiemy ju偶, w jaki spos贸b zachodzi przep艂yw pr膮du elektrycznego w obwodzie. Jest to ruch elektron贸w wymuszony przez r贸偶nic臋 potencja艂贸w (napi臋cie) wytwarzan膮 np. przez bateri臋. Skupmy si臋 teraz na opornikach.

Prawo Ohma, czyli co zale偶y od czego?

Opornik (rezystor) to element obwodu elektrycznego charakteryzuj膮cy si臋 oporem elektrycznym (rezystancj膮). Je艣li wspominamy o przewodach obwodu elektrycznego, to idealizujemy je i m贸wimy, 偶e maj膮 zerowy op贸r elektryczny (w praktyce maj膮 op贸r, ale ma艂y). Intuicyjnie na pewno domy艣lasz si臋, czym jest sam op贸r elektryczny 鈥 to wielko艣膰 okre艣laj膮ca, jak trudno jest przep艂ywa膰 pr膮dowi elektrycznemu przez dany materia艂. Oporniki s膮 specjalnie tworzone tak, by ich op贸r by艂 znany. Buduj膮 one ka偶dy obw贸d elektryczny. Op贸r elektryczny (rezystancj臋) oznaczamy jako R i wyra偶amy w omach 鈥 [惟].

Je偶eli pr膮d elektryczny napotyka op贸r elektryczny, to zawsze nast臋puje spadek potencja艂u elektrycznego na tym oporze. Upraszczaj膮c, m贸wimy, 偶e nast臋puje spadek napi臋cia na oporze. Na ka偶dym oporniku pojawia si臋 zatem spadek napi臋cia. Ca艂kowity spadek napi臋cia w danym obwodzie elektrycznym musi by膰 r贸wny napi臋ciu wytwarzanemu przez 藕r贸d艂o zasilania pod艂膮czone do tego obwodu.

Popatrzmy jeszcze raz na zbudowany wcze艣niej obw贸d elektryczny.

Ryc. 8. Prosty obw贸d elektryczny (strza艂ka wskazuje kierunek przep艂ywu pr膮du elektrycznego)

Bateria wytwarza napi臋cie U o warto艣ci np. 10 wolt贸w w obwodzie. Na oporniku o oporze katex]R[/katex] nast臋puje spadek tego napi臋cia wynosz膮cy dok艂adnie 10 wolt贸w. Wszystko to si臋 dzieje przy przep艂ywie pr膮du w obwodzie o nat臋偶eniu I. Czy istnieje jaka艣 zale偶no艣膰 mi臋dzy tym napi臋ciem, nat臋偶eniem pr膮du i oporem? Okazuje si臋, 偶e dla opornik贸w mo偶emy j膮 wyrazi膰 bardzo prostym wzorem opisuj膮cym prawo Ohma (ta prawid艂owo艣膰 zosta艂a odkryta przez Georga Simona Ohma w latach 20. XIX w.).

Prawo Ohma m贸wi, 偶e nat臋偶enie I pr膮du p艂yn膮cego w obwodzie jest wprost proporcjonalne do przy艂o偶onego do niego napi臋cia U.

I=C \cdot U

Sta艂a proporcjonalno艣ci C jest r贸wna odwrotno艣ci oporu elektrycznego R, na kt贸rym nast臋puje spadek napi臋cia w obwodzie.
Zatem:

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

Op贸r elektryczny R jest sta艂y (zak艂adamy tutaj brak nagrzewania si臋 przewodnika przy przep艂ywie pr膮du) i nie zale偶y ani od napi臋cia, ani od nat臋偶enia pr膮du p艂yn膮cego w obwodzie. Wraz ze wzrostem napi臋cia w obwodzie ro艣nie nat臋偶enie pr膮du w nim p艂yn膮cego. 

Od czego zatem zale偶y op贸r elektryczny przewodnika? Od w艂a艣ciwo艣ci fizycznych materia艂u, z kt贸rego jest zbudowany. Wyra偶a to poni偶szy wz贸r:

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

gdzie:

  • 鈥 op贸r w艂a艣ciwy, 
  • l 鈥 d艂ugo艣膰 przewodnika,
  • S 鈥 pole przekroju poprzecznego przewodnika.

Op贸r w艂a艣ciwy okre艣la, jak dobrze dany materia艂, z kt贸rego jest zbudowany przewodnik, przewodzi pr膮d elektryczny.

Czym jest energia elektryczna?

Wiemy ju偶, 偶e przep艂yw pr膮du w obwodzie powoduje spadek napi臋cia na oporze wyst臋puj膮cym w tym obwodzie. Jakie konsekwencje ma taki spadek napi臋cia? Wi膮偶e si臋 on bezpo艣rednio z energi膮 wydzielan膮 na tym oporze. Energia pr膮du elektrycznego nie wynika jednak z energii poruszaj膮cych si臋 elektron贸w. Jest to energia przesy艂ana w polu elektromagnetycznym wytwarzanym przez przep艂yw elektron贸w w przewodniku.

Schemat przedstawiaj膮cy transfer energii elektrycznej w聽obwodzie przez聽pole elektromagnetyczne ze聽藕r贸d艂a napi臋cia do聽odbiornika

Ryc. 9. Schemat przedstawiaj膮cy transfer energii elektrycznej w obwodzie przez pole elektromagnetyczne ze 藕r贸d艂a napi臋cia do odbiornika

Napi臋cie elektryczne U zdefiniowali艣my jako stosunek pracy pola elektrycznego W i 艂adunku q przemieszczanego w przewodniku.

U=\frac{W}{q}

Prac臋 pola elektrycznego, czyli prac臋 wykonywan膮 przez pr膮d elektryczny wyrazimy w nast臋puj膮cy spos贸b:

W=q\cdot U

Nat臋偶enie pr膮du I przep艂ywaj膮cego w przewodniku zdefiniowali艣my jako stosunek 艂adunku q do czasu t jego przep艂ywu.

I=\frac{q}{t}

St膮d mo偶emy zapisa膰 zale偶no艣膰 na 艂adunek q.

q=I\cdot t

Podstawmy t臋 zale偶no艣膰 do wzoru na prac臋.

W=I\cdot t \cdot U

W ten spos贸b otrzymujemy wz贸r na prac臋 pr膮du elektrycznego o nat臋偶eniu I przy wyst臋puj膮cym spadku napi臋cia U w czasie t trwania przep艂ywu tego pr膮du.

W=U\cdot I\cdot t

Mo偶emy zapisa膰, 偶e energia pr膮du elektrycznego jest r贸wnowa偶na wykonywanej przez niego pracy.

E=U\cdot I\cdot t

Teraz w 艂atwy spos贸b wyrazimy moc pr膮du elektrycznego P.

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

Je偶eli pominiemy straty energii, to powy偶szy wz贸r wyra偶a moc urz膮dzenia zasilanego energi膮 elektryczn膮. Pr膮d elektryczny, przep艂ywaj膮c przez takie urz膮dzenie, powoduje jego prac臋 kosztem w艂asnej energii uzyskiwanej ze 藕r贸d艂a napi臋cia 鈥 energia ta jest transmitowana przez pole elektromagnetyczne towarzysz膮ce przep艂ywowi pr膮du elektrycznego.

Utrwal wiedz臋

Rozwi膮偶 zadania do tego tematu i utrwal wiedz臋. Nast臋pnie sprawd藕 swoje odpowiedzi z rozwi膮zaniami przygotowanymi przez nauczycieli Odrabiamy.pl.

Zadanie 1. Zadanie 2.

Materia艂y 藕r贸d艂owe

Informacje

1. https://teoriaelektryki.pl/czym-jest-prad-elektryczny/
2. https://teoriaelektryki.pl/czym-jest-rezystancja/
3. https://teoriaelektryki.pl/w-ktora-strone-plynie-prad/
4. https://teoriaelektryki.pl/czym-jest-napiecie-elektryczne/
5. https://teoriaelektryki.pl/o-czym-mowi-prawo-ohma/
6. https://teoriaelektryki.pl/jak-rozumiec-spadek-napiecia/
7. https://youtu.be/ZMyixa1uAZY

Ilustracje

[Obrazek wyr贸偶niaj膮cy] https://www.stockvault.net/photo/236585/glowing-light-bulb#
[Ryc. 1.-8.] Grafika w艂asna
[Ryc. 9.] Modyfikacja w艂asna na podstawie: https://letstalkscience.ca/educational-resources/stem-in-context/does-living-near-high-voltage-power-lines-cause-cancer

Odrabiamy logo

Odrabiamy.pl to serwis edukacyjny dla uczni贸w, kt贸ry tworz膮 nauczyciele. W naszej bazie znajdziesz opracowania zada艅 z aktualnych podr臋cznik贸w do ponad 20 przedmiot贸w szkolnych, testy 贸smoklasisty i maturalne, a tak偶e wideolekcje oraz do艣wiadczenia w formie wideo. Pomagamy w nauce. Razem.


漏 2024 blog odrabiamy - odrabiamy.pl