Prąd elektryczny

Przy omawianiu napięcia elektrycznego wielokrotnie używaliśmy pojęcia „prądu elektrycznego". Prąd elektryczny powstaje pod wpływem fizycznie uwarunkowanego mechanizmu ruchu małych cząstek elektrycznych - elektronów. Przewód elektryczny (miedziany drut) jest zbudowany z bardzo wielu atomów miedzi. Elektrony krążą w atomach miedzi po ściśle określonych orbitach, podobnie jak Księżyc i Ziemia. Elektrony, przy spełnieniu pewnych warunków mogą przechodzić od jednego atomu do drugiego. Ściślej mówiąc, elektrony przeskakują z zewnętrznej orbity jednego atomu na wolne miejsce w zewnętrznej orbicie sąsiedniego atomu. Tego rodzaju ruch elektronów powstaje w przewodzie znajdującym się pod wpływem napięcia elektrycznego. Elektrony tworzą w nim ukierunkowany strumień, który ogólnie nazywamy prądem elektrycznym.
Napięcie elektryczne wywiera wpływ na tak zwane swobodne elektrony atomów przewodu. Ruch elektronów odbywa się od bieguna ujemnego do dodatniego. Elektrony elementarne nośniki ujemnego ładunku elektrycznego wypływają z ujemnego bieguna baterii i zapełniają wolne miejsca w orbitach atomów całego obwodu elektrycznego. Strumień elektronów, czyli prąd elektryczny, płynie w kierunku wyznaczonym przez polaryzację baterii, jeżeli zmienimy polaryzację baterii, to prąd popłynie przez przewód w kierunku przeciwnym niż poprzednio. Kierunek ruchu elektronów w przewodniku zależy tylko od polaryzacji źródła napięcia przyłożonego do jego końców. W wielu przypadkach kierunek przepływającego prądu elektrycznego nie jest obojętny dla odbiornika. Żarówka np. świeci jednakowo jasno, niezależnie od polaryzacji panującego na niej napięcia. Z kolei zmiana polaryzacji napięcia na zaciskach silnika prądu stałego powoduje zmianę kierunku wirowania wału tego silnika.
Zastanówmy się jeszcze raz przez chwilę nad przewodnikami prądu elektrycznego. Mówimy często o dobrych i złych przewodnikach. Jasne jest już teraz, że przy dobrych przewodnikach (złoto, srebro, aluminium, miedź) elektrony bardzo łatwo przeskakują w obszary atomów i mechanizm ich ruchu jest prosty. Inaczej wygląda to przy złych przewodnikach prądu elektrycznego. W prze. wodzie wykonanym np. z żelaza elektrony z dużym trudem wnikają w obszar atomów.
Jeszcze kilka słów o wartości prądu elektrycznego i grubości przewodu. Na podstawie przeprowadzonych rozważań można wnioskować, że grubość przewodu miedzianego określona jest liczbą atomów miedzi. Grubszy drut zawiera więcej atomów miedzi, a przez to również dużą liczbę wolnych elektronów przypadających na jednostkę powierzchni przekroju drutu. Oczywiście, duża liczba wolnych elektronów umożliwia przepływ dużego prądu. Duży prąd płynący przez cienki drut powoduje grzanie się, żarzenie, a w końcu przepalenie się drutu. Jest to zasada działania bezpieczników topikowych.
Z pewnością przekonaliśmy się już nie raz, że przy pompowaniu dętki rowerowej, zarówno wentyl jak i wylot pompki nagrzewa się. Zjawisko to powodowane jest szybkim przeciskaniem dużej ilości cząstek powietrza, czyli atomów gazów powietrza przez wąski otwór. W wąskim otworze następuje mechaniczne tarcie między cząstkami powietrza, które w ten sposób nagrzewają się. Podobne zjawiska zachodzą przy prądzie elektrycznym. W cienkim przewodzie elektrycznym, przez który płynie duży prąd, następuje tarcie między szybko poruszającymi się elektronami. Tarcie to powoduje wydzielanie się ciepła. Może to doprowadzić do stopienia się materiału, z którego wykonany jest drut. Z przeprowadzonych rozważań wynika, że dla przepływu małego prądu wystarczy cienki przewód. Duży prąd wymaga grubego drutu. Praktycznie przez drut miedziany o grubości szpilki może płynąć prąd o natężeniu jednego ampera (1 A).
 

Co ma wspólnego instalacja wodociągowa z prądem elektrycznym?

Spójrzmy najpierw na rys. 2a. Widzimy tu pompę wodną, która z jednej strony wytwarza ciśnienie, a z drugiej podciśnienie. Taki stan ciśnień powoduje powstanie ruchu cząstek wody, czyli przepływu strumienia wody.

Rysunek 2.

Na rysunku 2b przedstawiono z kolei schemat odpowiedniego układu elektrycznego. Strumień elektronów płynie przewodem od ujemnego bieguna baterii i przez żarówkę z powrotem do dodatniego bieguna baterii. W cienkim druciku żarówki elektrony, dzięki swojej dużej prędkości, wytwarzają poprzez tarcie tak dużo ciepła, że żarówka świeci.
Na rysunku 2c przedstawiono taki sam układ wodociągowy jak poprzednio, ale z przeciwnym kierunkiem przepływu strumienia wody. Odwrotny kierunek przepływu wody uzyskano przez zmianę kierunku wirowania pompy. Podobną sytuację w odniesieniu do układu elektrycznego przedstawia rys. 2d. W układzie tym zmianę kierunku ruchu elektronów, a co za tym idzie, zmianę kierunku prądu elektrycznego (przyjęło się, że kierunek ruchu elektronów jest przeciwny do kierunku przepływu prądu elektrycznego) uzyskano przez zmianę biegunowości baterii. Strumień elektronów w układzie z rys. 2b płynął od zacisku A żarówki do zacisku B, a w układzie z rys. 2d płynie od zacisku B do A. Kierunek przepływu prądu przez żarówkę nie odgrywa żadnej roli i świeci ona w obu przypadkach takim samym światłem.
Jak możemy przerwać przepływ strumienia wody i prądu elektrycznego? Odpowiedź na to pytanie znajdziemy na rys. 3. Przepływ wody przerywamy zaworem wodnym. Prąd elektryczny przerywamy wyłącznikiem.

Rysunek 3.

W obu przypadkach możemy zauważyć bardzo ważne zjawisko: w stanie przepływu strumienia wody, czy też elektronów, zarówno na zaworze wodnym, jak i na wyłączniku nie występuje różnica ciśnień czy też potencjałów. Tak więc na wlocie ' wylocie zaworu ciśnienie wody jest jednakowe, a między zaciskami włączonego wyłącznika napięcie jest równe zero. Zupełnie inaczej wygląda to przy przerwaniu strumienia wody lub prądu elektrycznego. W tym przypadku wlocie zaworu wodnego panuje ciśnienie wody, a na wylocie podciśnienie.
Podobna sytuacja występuje przy otwartym wyłączniku. W tym przypadku na zaciskach wyłącznika występuje dodatni I ujemny biegun baterii. Nie może nas to dziwić, gdyż oba bieguny baterii są połączone elektrycznie także przez włókno żarówki z zaciskami wyłącznika. Odważymy się wkroczyć teraz w obszar praktyczne) elektroniki. Elektronik potrzebuje często jakiegoś pomocniczego środka, który zapewni przepływ prądu elektrycznego tylko w jednym kierunku. Środkiem takim jest dioda półprzewodnikowa zwana krótko diodą.

Elektrony mogą przepływać przez diodę tylko w jednym kierunku. Diodę można porównać do wyłącznika sterowanego poprzez zmiany polaryzacji panującego na nim napięcia. Wiemy że przy zmianie polaryzacji źródła napięcia zmienia się również kierunek przepływy prądu. W obwodzie zawierającym diodę, przy zmianie polaryzacji źródła napięcia prąd nie płynie w ogóle. Przedstawiono to na rys. 4a. W rurociągu zamontowany jest zawór stożkowy. Jeżeli woda uciska płaską część zaworu, czyli gdy w miejscu A panuje ciśnienie wyższe niż w B, to zawór zamyka się automatycznie i umocowana do niego wskazówka ustala się na zerze. Jeżeli teraz zmienimy kierunek ciśnienia wody, to zawór automatycznie otwiera się. Strumień wody przepływa wtedy w kierunku od B do A.

Rysunek 4.

LEKCJA 2