Napięcia i prądy ujemne, zmienne i przemienne

To jest drugi z serii artykułów i filmów dotyczących zasilania energią elektryczną. W zasadzie przeznaczony jest dla początkujących, ale także bardziej zaawansowani zeń skorzystają, aby wytłumaczyć innym,
co to jest prąd zmienny i przemienny oraz czy pojemność to to samo, co zawartość energii.

W poprzednim artykule oraz w poprzednim filmie tej serii na prostych przykładach hydraulicznych pokazałem, czym różni się prąd elektryczny od napięcia elektrycznego. Okazało się, że w pierwszym przybliżeniu napięcie to ciśnienie elektryczne, natomiast prąd to „ruch elektryczny”. To wszystko jest genialnie proste i wręcz oczywiste, jeżeli chodzi o napięcie stałe i o prąd stały.

Niestety przestaje być oczywiste w przypadku napięć oraz prądów zmiennych i przemiennych. A właśnie z czymś takim, dość trudnym do zrozumienia, mamy do czynienia w naszych domach, w gniazdkach sieci energetycznej, gdzie występuje napięcie zmienne, a ściślej biorąc – przemienne.

Jedna kwestia to fakt, że w domowej sieci energetycznej mamy śmiertelnie groźne dla człowieka stosunkowo duże (stosunkowo wysokie) napięcie około 230 woltów. Natomiast, najogólniej biorąc, za bezpieczne dla człowieka uznaje się napięcie do 24 woltów, czyli prawie dziesięć razy mniejsze.

Jednak dla wielu osób ważniejsze byłoby zrozumienie, jak to jest z tym napięciem i prądem w sieci energetycznej. Czy jest to prąd i napięcie zmienne? Czy jak stanowczo twierdzą niektórzy: nie zmienne, tylko przemienne? I czy w domowym gniazdku elektrycznym mamy napięcie, czy mamy tam prąd? I wracając do pytania z poprzedniego filmu: Czy w przypadku awarii nie ma tam napięcia? Czy nie ma tam prądu?

Co to jest ujemne napięcie i ujemny prąd?

Zanim przejdziemy do zmiennych i przemiennych, zacznijmy od napięć i prądów ujemnych.

Ujemnych, czyli…

Ujemnych, czyli…

No właśnie, wbrew pozorom nie jest to takie proste!

Ujemnych, czyli… odwrotnych, przeciwnych, a może przeciwstawnych. W jakim sensie odwrotnych i przeciwnych?

I tu otwiera się zaskakująco szeroki temat, bowiem w elektronice określenie „ujemny” oraz określenia „odwrotny”, „przeciwny”, mogą mieć różny, także bardzo dziwny i zaskakujący, sens. Przykładem może być cewka, która jest „odwrotnością kondensatora”.

Bardzo łatwo jest tylko w przypadku prądu stałego: prąd ujemny, to prąd płynący w przeciwnym kierunku. Świetnie, niby proste i oczywiste, tylko który kierunek jest dodatni, a który ujemny?

Nie wchodząc w szczegóły historyczne (związane z takimi nazwiskami jak Beniamin Franklin i Charles-François de Cisternay Du Fay) na przykładzie modeli hydraulicznych możemy powiedzieć, że to jest kwestia względna, kwestia umowy. Umawiamy się, że dany kierunek jest dodatni, a wtedy ujemny jest kierunek przeciwny, odwrotny. Dokładnie tak jest w elektronice, i to pod kilkoma względami.

Trochę trudniej jest z ujemnym napięciem, czyli z ujemnym ciśnieniem elektrycznym. To, czy napięcie jest dodatnie czy ujemne, to też kwestia umowy. Po prostu ponad 200 lat temu umówiono się w tej kwestii (dość niefortunnie, ale to nie ma praktycznego znaczenia). W rzeczywistości sprawa jest dość skomplikowana, czym możemy zająć się oddzielnie.

A na razie wróćmy do analogii hydraulicznych. Są one niepełne, uproszczone, ale za ich pomocą można łatwo zobrazować pojęcie ujemnego napięcia. W omawianym wcześniej modelu „strzykawkowym” napięcie, czyli ciśnienie dodatnie jest wytwarzane przy popychaniu tłoka, a odpowiednikiem napięcia ujemnego jest podciśnienie, wytwarzane przy wyciąganiu tłoka ze strzykawki. Podciśnienie, które można nazwać ciśnieniem (napięciem) ujemnym.

Łatwo zaakceptować też wyobrażenie napięcia ujemnego w modelu „wysokościowym”, co pokazuje kadr z filmu S010, widoczny na fotografii 1. Otóż jeżeli poziom morza uznamy za napięcie (ciśnienie) równe zeru, to „wysokość” poniżej poziomu morza będzie reprezentować napięcia ujemne.

Poziom morza kojarzy się z czymś ściśle ustalonym, bezwzględnym. Dlatego trzeba podkreślić, że za ten poziom zerowy można uznać zupełnie dowolną wysokość, na przykład poziom wody w basenie kąpielowym, poziom wody w wannie, albo nawet poziom wody w jakiejś niedużej misce czy pojemniku. Poziom zerowy to kwestia umowy.

Wszystko jest względne?

Tak samo jest z elektrycznością. Zawsze, świadomie czy nieświadomie, przypadkowo, czy w sposób przemyślany, wykorzystujemy jakiś poziom odniesienia i napięcie (ciśnienie elektryczne) mierzymy względem niego. Pojęcie punktu odniesienia doprowadza nas do bardzo ważnego w elektronice pojęcia masy i uziemienia. To są szerokie i wcale niełatwe zagadnienia – niektóre kwestie dotyczące masy omawiam w oddzielnym filmie i artykule Q021 Co to jest masa?

Dlatego też w multimetrach gniazda nie są oznaczone plus i minus. Napięcie to różnica potencjałów (ciśnień i wysokości elektrycznych) i woltomierz mierzy tę różnicę, a punktem odniesienia jest potencjał gniazda oznaczonego COM (common – wspólny).

Półtorawoltowe ogniwo ma bieguny dodatni i ujemny. Czy to znaczy, że na tym dodatnim panuje napięcie plus półtora wolta (+1,5 V) a na drugim minus półtora wolta (–1,5 V)?

Nie! Bowiem dałoby to w sumie różnicę trzech woltów. A przecież napięcie ogniwa to tylko 1,5 wolta. Dlatego rysunek 2 jest przekreślony!

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze kwietniowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 4/2024). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 4/2024 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery ZE mam wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 4/2024.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (weTransfer) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.