Prąd elektryczny od podstaw

Nie wiem dlaczego, ale dla wielu prąd elektryczny jest zjawiskiem niezrozumiałym, wręcz magicznym. Jest to o tyle dziwne, że każdy z nas korzysta z niego na co dzień. Można wręcz uznać, że nie da się bez niego żyć. Uczyliśmy się o nim w szkołach, i to już w podstawówkach (niektórzy w gimnazjach), a wielu nadal ma problem nawet z prostym zdefiniowaniem czym jest.

Wszystko o czym tutaj piszę jest ujęte w maksymalnym uproszczeniu. Nie ma tutaj skomplikowanych wzorów, chociaż będą te prostsze, ani żadnych encyklopedycznych definicji. Prawdę mówiąc nie są one specjalnie potrzebne. Pomijam też takie sprawy jak reaktancja, impedancja, sprawność, przesunięcie w fazie, etc. Chociaż dla elektryka te rzeczy mają ogromne znaczenie, to dla nas, jako najzwyklejszych użytkowników domowych są tylko zbędnym utrudnieniem. Kto jest zainteresowany niech pisze do mnie, wtedy podam gdzie szukać informacji, a jak zajdzie potrzeba to wytłumaczę.

Wszystkie więc poniższe rozważania będą, jakoby, prowadzone dla prądu stałego (o tym w przyszłości) i elementów liniowych (też w przyszłości).

Prąd elektryczny –  to po prostu uporządkowany, ukierunkowany, ruch ładunków elektrycznych.

Czym są te ładunki elektryczne? W skrócie można opisać to jako fundamentalną własność materii, która jest tym ładunkiem obdarzona (rekurencja, hehe). Dla uproszczenia i dla naszych potrzeb wystarczy model oparty o przepływ elektronów i protonów (chociaż fizyka kwantowa mówi także o wymianie fotonów). Te pierwsze mają ładunek ujemny, a drugie dodatni. Ładunek elektryczny pomiędzy dwoma „fragmentami materii” dąży do wyrównania jego ilości pomiędzy tymi fragmentami. Więc jeżeli w jednym miejscu mamy więcej wolnych elektronów, a w drugim jest ich za mało (czyli jest więcej protonów), to nadmiarowe elektrony „wypełnią” te „puste” miejsca. Różnica pomiędzy ilością wolnych protonów i elektronów nazywa się różnicą potencjałów, a praca jaką wykonują elektrony i protony podczas uzupełniania wolnych miejsc nazywa się napięciem elektrycznym.

Napięcie elektryczne – symbol U, jednostka [V]olt – różnica potencjałów (czyli ilości wolnych ładunków elektrycznych) pomiędzy dwoma końcami obwodu elektrycznego. Napięcie liczbowo wyraża ilość pracy potrzebnej do przeniesienia jednostkowego, dodatniego, ładunku elektrycznego pomiędzy tymi punktami. Napięcie mierzy się woltomierzem.

Natężenie prądu – symbol I, jednostka [A]mper – stosunek wielkości ładunku przepływającego przez przekrój poprzeczny przewodnika do czasu jego przepływu. W skrócie jest to ilość ładunku, która w określonym czasie przepłynęła przez przewodnik. Mierzy się go amperomierzem. Natężenie podawane jest w większości przypadków na urządzeniach zasilających, których używamy w domu: transformatorach, zasilaczach, elektronice użytkowej.

Moc elektryczna – symbol P, jednostka [W]at – jest to praca jaką wykonał płynący prąd w jednostce czasu. Wartość ta charakteryzuje, najczęściej, jaką mocą dysponują nasze domowe urządzenia elektryczne. Mierzona jest za pomocą watomierzy czyli liczników elektrycznych, które zainstalowane są w przyłączu energetycznym każdego domu/mieszkania. Wzór na moc to:

    \[ P=U\cdot I \]

Żeby wszystko stało się jasne, trzeba jeszcze wspomnieć nieco o prawie Ohma.
Co nam ono mówi? Wręcz wszystko.

Rezystancja – symbol R lub \Omega, jednostka Ohm[ \Omega ]

Prawo Ohma – natężenie prądu w przewodniku jest proporcjonalne do napięcia panującego na jego końcach. Wyraża się wzorem:

    \[ U=I\cdot R \]

Bezpośrednio z prawa Ohma można wyprowadzić wzór na opór. Wzór ten bardzo się przydaje w wielu różnych wyliczeniach.

    \[ R=\frac{U}{I} \]

Teraz trochę matematyki 😉 Żeby nie było za łatwo i zbyt przyjemnie.

Zadanie 1.

Załóżmy, że musimy wiedzieć jaki prąd I[A] pobiera nasz odkurzacz, a znamy tylko jego moc P[W] = 1800 i napięcie w gniazdku U[V] = 230. Policzmy więc:

    \[I=?\]

    \[P=1800\]

    \[U=230\]

Mamy nasz wzór na moc, ten powyżej. Jednak musimy go przekształcić tak, żeby dało się z niego policzyć prąd. Nie będę tutaj przypominał jak tego dokonać, chyba każdy zna zasadę przekształcania wzorów, choćby najprostszą – w trójkącie.

    \[I=\frac{P}{U}\]

    \[I=\frac{1800}{230}\]

    \[I=7,82A\]

Widzimy więc, że nasz odkurzacz pobiera (oczywiście w przybliżeniu) 7,82 amperów.

Zadanie 2.

Policzmy teraz opór \Omega żarówki 50W. Przy założeniu, że napięcie zasilające wynosi 12V (takie z transformatora).

    \[R=\Omega=?\]

    \[P=50\]

    \[U=12\]

Zadanie się komplikuje – we wzorze na opór mamy prąd I, a w danych go nie ma… Bez paniki ponieważ wiemy już jak ten prąd policzyć, dzięki pierwszemu zadaniu.

    \[I=\frac{50}{12}=4,16A\]

Skoro mamy natężenie prądu, to dalej nie ma problemu.

    \[R=\frac{U}{I}\]

    \[R=\frac{12}{4,16}\]

    \[R=2,88\Omega\]

Opór jaki stawia nasza żarówka przepływowi prądu wynosi 2,88 omów.

Tutaj kończą się rozważania teoretyczne. Co zrobić z tymi informacjami w praktyce napiszę w którymś z następnych wpisów.