Pułapki w nauczaniu elektroniki
Elementarne fundamenty elektroniki wydają się bardzo łatwe. Do tej pory naukę zaczynano zwykle od obwodu składającego się z bateryjki, żaróweczki i wyłącznika. Działanie takiego obwodu na pozór jest oczywiste – prąd płynie i żarówka świeci. Niestety, są to tylko pozory, a rzeczywistość jest skomplikowana!
Ostatnio poproszono mnie, żebym wyjaśnił: Czym tak naprawdę jest prąd elektryczny? – ale tak naprawdę. I jeszcze: Jak płynie prąd elektryczny?
To była dla mnie znakomita okazja, żeby jeszcze raz zastanowić się, jak uczyć elektroniki?
Na pytanie Jak płynie prąd elektryczny? mam świetną odpowiedź, ale tylko częściową. Od dawna wiem jak prąd elektryczny płynie przez drut kolczasty?
Otóż przez drut kolczasty prąd płynie… ostrożnie!
Jeśli nie wiedziałeś – zapamiętaj raz na zawsze! I wykorzystaj ten dowcip.
No to coś już wiemy o prądzie…
Wróćmy jednak do pytania: Czym tak naprawdę jest prąd elektryczny? Jest ono jak najbardziej sensowne, ale już w pytaniu zawarta jest pułapka, a nawet kilka pułapek.
Jak płynie prąd? – A kto pyta?
Pierwsza kwestia: A kto pyta? I dla kogo jest przeznaczona ta odpowiedź?
To niezmiernie ważne! Na przykład wiele osób chciałoby wiedzieć czym jest prąd i jak płynie, ale w kontekście gniazdka elektrycznego w ścianie, czyli prądu zmiennego, a nie stałego:
Jak to jest z tym prądem zmiennym? Dlaczego w gniazdku elektrycznym są trzy przewody? Dlaczego w niektórych dwa? O co chodzi z tym uziemianiem, zerowaniem i przewodem ochronnym? Do czego służy i jak działa „różnicówka”? I co to jest tak naprawdę ten kosinus fi? Dlaczego współczesne zasilacze o większej mocy muszą być wyposażane w obwód PFC, czyli obwód korekcji współczynnika mocy? O co w tym chodzi?
Można to wszystko wytłumaczyć i zapewne to zrobimy, ale czy pytający nie powinien najpierw dobrze opanować tematu prądu stałego?
Przedstawiona mi prośba o wyjaśnienie kwestii związanych z prądem nie dotyczyła sieci energetycznej, tylko materiału dla początkujących elektroników, którzy już zaczęli zajmować się elektroniką i którzy budują jakieś układy elektroniczne, w tym z mikroprocesorami, głównie z Arduino.
A wtedy powstaje poważny problem: Jak uczyć elektroniki takich początkujących praktyków? Co im mówić o prądzie? O tym za chwilę.
Otóż pytanie: Czym tak naprawdę jest prąd elektryczny? stawiają nie tylko elektronicy. Również osoby, które chciałyby zainteresować się takimi praktycznymi działaniami, a nie wiedzą, jak zacząć. A także liczne światłe, dociekliwe osoby z wykształceniem ogólnym, chcące jedynie poszerzyć swoje horyzonty. Chcą wiedzieć nie tylko, co to jest prąd elektryczny, ale też zrozumieć jak działają urządzenia elektroniczne, które mamy wokół siebie.
A są także liczne dociekliwe osoby „nietechniczne”, które chciałyby wiedzieć więcej, nie tylko o prądzie i urządzeniach, ale też o elementach elektronicznych, np. jak działa tranzystor? Co to jest MOSFET? Co to jest i jak działa mikroprocesor? Co to jest to całe Arduino? Czy i ja mogę wykorzystać RaspberryPi?
Co jest dłuższe: 15 minut czy kilometr?
Druga, jeszcze ważniejsza kwestia jest taka: Czego oczekuje odbiorca odpowiedzi na to pytanie?
Właśnie: czego oczekuje?
Prawdopodobnie ma już jakieś fragmentaryczne i nieposkładane, niespójne wyobrażenia. Stawia pytanie i oczekuje, że po otrzymaniu odpowiedzi wszystko mu się poskłada w spójną całość.
Ale czy taka sytuacja nie jest trochę podobna do przypadku, gdy ktoś prosi:
Powiedz mi, co jest dłuższe: kilometr czy 15 minut? Tylko krótko i zwięźle! I nie rozszerzaj! Wystarczy mi konkretna i krótka odpowiedź.
Analogiczne ryzyko pojawia się w przypadku pytania o prąd elektryczny. Prawdopodobnie może już w intencji tego pytania tkwi bardzo poważny błąd, a raczej głęboka pułapka w postaci sugestii, że prąd jest najważniejszy…
Co w elektronice jest najważniejsze? Czy może coś jest ważniejsze od prądu?
Czy i Ty myślisz: może nauki elektroniki nie należałoby zaczynać od prądu, tylko od czegoś ważniejszego? Ważniejszego od prądu?
Tak – wielokrotnie ważniejszego od prądu elektrycznego! Tym czymś wielokrotnie ważniejszym od prądu jest energia.
Nie tylko energia elektryczna, ale także przemiany różnych form energii, w szczególności przemiany energii elektrycznej w najmniej szlachetną odmianę energię cieplną. Najważniejsza jest energia oraz przepływ, przekazywanie i zużywanie energii, a także tempo tych zmian, czyli moc. I do tego jeszcze sprawność.
To jest najważniejsze i mogę to przekonująco uzasadnić! Prąd i napięcie też są bardzo ważne, ale zdecydowanie mniej niż energia! Chętnie to szerzej omówię.
Elektryczność i elektronika, czymkolwiek one są, to podstawy dzisiejszej cywilizacji. Elektronika opiera się na przekształcaniu form energii i przesyłaniu energii, ale też umożliwia przetwarzanie i przesyłanie informacji, co dziś ma kluczowe znaczenie.
Problem w tym, że nauka o elektryczności to zagadnienie bardzo obszerne, a temat prądu elektrycznego nieoczekiwanie okazuje się bardzo trudny i wręcz zwodniczy, o czym mogę Ci szerzej opowiedzieć w innym materiale. Wracam do pytania: Czym tak naprawdę jest prąd elektryczny?
Julian Tuwim i elektronika
Mam przygotowanie i mógłbym w przystępny sposób to wszystko wyjaśnić. Dlaczego jednak mnóstwo osób o tym nie wie? Czy to było omawiane w szkole? Czy aby powszechny brak takiej wiedzy nie jest dowodem, że system szkolnictwa sobie nie poradził?
Jedno pytanie jest prozaiczne: czy uważałem na zajęciach szkolnych? Drugie jest trudniejsze: czy to w ogóle było omawiane, a jeśli tak, to jak było przedstawione? Czy w sposób przystępny?
Czy aby nie mamy także i tu do czynienia ze znanym od lat problemem, który w poruszający sposób przedstawił mniej więcej 90 lat temu Julian Tuwim w wierszu „Mieszkańcy”?
Co prawda kontekst był inny, ale zwróćmy uwagę na najbardziej znany fragment:
I oto idą, zapięci szczelnie,
Patrzą na prawo, patrzą na lewo.
A patrząc – widzą wszystko o d d z i e l n i e:
Że dom… że Stasiek… że koń… że drzewo…
Czy szkoła nadal uczy, żebyśmy widzieli wszystko oddzielnie? Że elektronika, że fizyka, że historia, że matematyka, że chemia…
Problem braku synergii w procesie nauczania jest znany od dawna. Mam przyjaciela Andrzeja, który nie tak dawno uzupełniał wykształcenie pedagogiczne w Akademii w Pułtusku. Potwierdził, że w środowisku jest wiedza o problemach oraz o sposobach ich rozwiązywania. Jednak system szkolnictwa to z jednej strony potęga, a z drugiej moloch o ogromnej bezwładności. Jest problem z nauczycielami (negatywna selekcja), z drugiej strony jest problem świadomych nauczycieli z powołaniem, którzy mają szczere chęci i… problem, jak uczyć elektroniki. W tym problem z podstawą programową.
Sytuację trudno zmienić z różnych powodów. Podejmowano i podejmuje się różne próby, ale efekty są najdelikatniej mówiąc – umiarkowane. Dotyczy to też nauczania elektroniki. Na ile należy łączyć elektronikę z informatyką? A na ile pozostać przy traktowaniu jej jako części fizyki? Poza tym w kwestii Jak uczyć elektroniki? mamy dwa pokrewne zagadnienia:
Jak uczyć elektroniki elektroników, którzy mają w przyszłości projektować, budować i naprawiać układy elektroniczne?
Jak wszystkich pozostałych uczyć o elektronice, żeby rozumieli podstawy i cieszyli się z tego?
Jak powinien przebiegać proces nauki elektroniki w szkołach, żeby był skuteczny? Żeby był pomocny i przyszłym zawodowym elektronikom, a także ogółowi społeczeństwa?
Wstęp do wstępu do Radiowej Oślej Łączki
I tu wracamy do prądu. Z mojego niemałego doświadczenia wynika następujący wniosek: nie należy zaczynać od prądu i napięcia, bowiem zbytnie przywiązanie do prądu napięcia i haniebnie uproszczonych analogii utrudnia, a wręcz uniemożliwia poznanie techniki radiowej!
To naprawdę ważna kwestia! Dziś, nawet dla większości elektroników, także tych bardzo dobrych, technika radiowa to czarna magia! Dlaczego?
Jestem przekonany, że właśnie z powodu zbytniego przywiązania do prądu i napięcia elektrycznego, a nie do energii i przemian energii!
Przy obecnym systemie nauczania technika radiowa dla większości elektroników pozostaje czarną magią. Bo z jednej strony mamy dobrych znajomych: prąd i napięcie elektryczne, a po drugiej stronie tajemnicze fale radiowe, ściślej fale elektromagnetyczne w pewnym zakresie częstotliwości. Właśnie – częstotliwości. I dlaczego elektromagnetyczne?
Według definicja fale elektromagnetyczne to zaburzenie pola elektromagnetycznego. A czy istnieją fale elektryczne? A fale magnetyczne?
I co to jest to całe pole elektromagnetyczne? Według definicji pole to stan przestrzeni, w tym próżni. Jakim cudem próżnia, czyli „nic” ma jakieś właściwości? I dlaczego dwa parametry próżni, czyli „niczego” (przenikalność elektryczna i przenikalność magnetyczna) wyznaczają bodaj najważniejszą stałą naszego Uniwersum: prędkość światła?
Można to wszystko łagodnie i przystępnie wyjaśnić, wykorzystując ujęcie historyczne, omawiając i rozszerzając pojęcie „prądu przesunięcia” wprowadzone przez Maxwella do równania Ampere’a. Ale warto zacząć od genialnego samouka, który był chłopcem na posyłki i introligatorem. Paradoksalnie znakomitą pomocą jest przy tym nieaktualne dziś pojęcie eteru, dominujące w XIX wieku. Właśnie eter pozwala zaprzyjaźnić się z pojęciem pola elektrycznego i pola magnetycznego. Z pojęciami tak dziwnymi, zniechęcającymi przy wyobrażeniu, że próżnia to „nic”.
Do tego niezbędne jest zgrubne omówienie zjawisk falowych, w szczególności odbić oraz dokładniejsze przedstawienie kilku aspektów dopasowania, a wtedy… technika radiowa przestaje być czarną magią. Nie tylko dla elektroników, ale i dla „zwykłych zjadaczy chleba”.
Jednak tu kluczowym problemem jest wcześniejsze nadmierne przywiązanie do prądu i napięcia elektrycznego (i ich prymitywnych modeli), a nie do energii i mocy – to kwestia do szerszego, oddzielnego omówienia.
Intrygujące pytania – czy potrafisz wyjaśnić?
Ponieważ przy nauce elektroniki wykorzystuje się rozmaite uproszczone modele i wyobrażenia, na dodatek niespójne, a nawet wzajemnie sprzeczne, dlatego powstaje mnóstwo intrygujących pytań stawianych przez osoby, które w szkole uczyły się o prądzie elektrycznym.
Jak można na takie pytania przekonująco odpowiedzieć? Czy Ty masz jasność w takich kwestiach? Oto niektóre z takich pytań:
Czy i dlaczego wewnątrz baterii prąd płynie „w odwrotnym kierunku niż normalnie, czyli od minusa do plusa”?
Jeżeli wnętrze baterii przewodzi prąd, to dlaczego bateria nie rozładowuje się błyskawicznie prądem płynącym wewnątrz niej „od plusa do minusa”?
Czy i jakie ładunki dodatnie występują w dodatnim biegunie baterii?
Czy bieguny baterii o różnej pojemności zawierają różną ilość ładunku?
Czy ładowanie akumulatora albo kondensatora zwiększa ilość zawartego w nim ładunku?
A jak jest z ilością ładunku w kondensatorze przy ładowaniu napięciem dodatnim i ujemnym?
Jeżeli mówi się, że napięcie to „energia przypadająca na ładunek” (U = E/Q), to czy ujemne napięcie oznacza ujemną energię? Czy energia w ogóle może być ujemna? A czy moc może być ujemna?
I pytanie ogromnie ważne, będące kluczem do techniki radiowej: Z definicji izolator nie przewodzi prądu. Dlaczego mówimy, że przez kondensator płynie prąd zmienny? Czy tak naprawdę przez izolator w kondensatorze prąd płynie, czy też nie płynie?
Prawidłowa odpowiedź na to pytanie to klucz do fal elektromagnetycznych, czyli techniki radiowej. A popularna odpowiedź błędna, odwołująca się do gromadzenia ładunków, wprowadza w błąd i bardzo często skutecznie zamyka możliwość zrozumienia techniki radiowej. I pokrewne pytanie: Czy antena zamienia prąd elektryczny na fale radiowe?
Są też, pochodzące od początkujących elektroników, inne sensowne pytania, tylko na pozór wyglądające na bardzo dziwne. Jak należałoby na nie odpowiedzieć? Oto niektóre: Jaka jest rezystancja diody? Jakim sposobem tranzystor wzmacnia prąd? Czy stosując kilka tranzystorów wzmacniających można by zbudować elektrownię lub perpetuum mobile? Jaka jest największa możliwa oporność? Jaka jest najmniejsza możliwa oporność w elektronice? Jaka jest największa dokładność w elektronice? Czy można mierzyć z dokładnością „absolutną”? Jak zmniejszyć szumy w sprzęcie audio do zera? Jaki wzmacniacz ma najmniejsze zniekształcenia? Czy mogą być zerowe?
Niektóre z tych pytań dotyczą teorii, inne kwestii praktycznych. W każdym razie sygnalizują problem uproszczeń, nieścisłości i fałszywych wyobrażeń. Udzielenie sensownej odpowiedzi na niektóre z nich wymaga posiadania szerokiej, rzetelnej wiedzy, by naświetlić różne aspekty zagadnienia.
Kwestie zasygnalizowane w tym artykule zostały omówione bardzo skrótowo w filmie:
a nieco szerzej w filmie oznaczonym A001:
https://www.youtube.com/watch?v=XbGrpiJNI6s&t=24s.
Piotr Górecki
