To jak naprawdę płynie ten prąd?

Wszyscy uczymy się przecież o elektryczności w szkołach i na studiach. Dlatego może dziwić fakt, że niezależnie od poziomu wykształcenia mnóstwo osób pyta: jak „naprawdę” jest z tym prądem elektrycznym? Dlaczego mamy silny niedosyt i dlaczego szukamy „prawdy o prądzie elektrycznym”?

Ja jestem popularyzatorem elektroniki i przede wszystkim zachęcam do działań praktycznych, czyli do budowania układów elektronicznych! Czy i Ty już znasz uczucie wielkiej radości i satysfakcji, gdy z garstki niepozornych elementów powstaje działający układ? Ogromną radość daje realizacja nawet prostych układów elektronicznych, a źródłem nieustającej satysfakcji jest ciągły postęp w realizacji konstrukcji coraz bardziej złożonych i doskonalszych.

Budowanie prostych układów elektronicznych jest zaskakująco łatwe. Tak, tylko dość często samodzielnie budowane oraz fabryczne układy elektroniczne nie pracują według oczekiwań i chcielibyśmy wiedzieć, dlaczego nie działają i jak je naprawić. A mnóstwo osób po prostu chciałoby rozumieć, jak one działają. I tu pojawia się kwestia podstaw elektroniki oraz bardzo popularne tytułowe pytanie: To jak naprawdę płynie ten prąd?

Fotografia tytułowa przynosi częściową odpowiedź – pokazuje, że impuls energii opóźnia się o około 4 nanosekundy po przejściu przez 92-centymetrowy kabel. Ale nie jest to „cała prawda” o prądzie.

Dziwić może to, że przecież w szkołach i na studiach jesteśmy uczeni o elektryczności, a jednak niezależnie od stopnia wykształcenia większość z nas pyta, jak to z tym prądem jest „tak naprawdę”?

Dlaczego mnóstwo osób szuka „prawdy o prądzie elektrycznym”? Wyjaśniam to w poniższym artykule i w uzupełniającym go filmie, oznaczonym jako B005.

Otóż najprościej biorąc dlatego, że na poszczególnych etapach nauki przedstawia się nam niespójne, a wręcz sprzeczne informacje dotyczące prądu, elektryczności i elektroniki. Wiele zależy od tego, jakich, szczęśliwym czy nieszczęśliwym trafem, mieliśmy nauczycieli. Niestety, często mamy tylko oddzielne okruchy wiedzy, które w naszych umysłach nijak nie chcą złożyć się w harmonijną całość. Mało tego – wielu z nas ma wrażenie, że czym więcej dowiaduje się o prądzie i elektryczności, tym większy ma zamęt w głowie.

Poszukujemy konkretnej i krótkiej odpowiedzi nie tylko na pytanie „jak naprawdę płynie prąd?”, ale też chcielibyśmy gdzieś w Internecie znaleźć zwięzłe wyjaśnienie podstaw elektroniki typu: „elektronika w pigułce”. Sprawę „elektroniki w pigułce” omawiam w następnym artykule tej serii, a teraz zajmijmy się prądem elektrycznym. Zagadnienie okazuje się zaskakująco szerokie i skomplikowane.

Czym jest prąd elektryczny?

Często słyszymy: ile płacisz miesięcznie za prąd? Albo: ceny prądu idą w górę.

Potocznie i nieściśle prądem elektrycznym nazywana jest wtedy energia elektryczna, a to coś zupełnie innego, choć pokrewnego. Prąd mierzymy w amperach, a energię najczęściej w kilowatogodzinach i zakładowi energetycznemu nie płacimy za prąd, tylko za energię elektryczną.

Słowo prąd kojarzy się z ruchem płynu (cieczy lub gazu). Z ruchem, unoszeniem, przepływem.

Mnóstwo osób stwierdza, że „prąd to ruch elektronów”. I jest w tym sporo prawdy. Ale nie jest to cała prawda.

Najprościej biorąc, w metalowych drutach prąd elektryczny to rzeczywiście ruch, przepływ elektronów. Uporządkowany ruch tak zwanych swobodnych elektronów, które bardzo łatwo przemieszczają się wewnątrz drutu. Jednak są też inne przypadki. Według definicji, prąd elektryczny to przepływ nie tylko elektronów, ale dowolnych nośników ładunku elektrycznego.

Oprócz elektronów, takimi nośnikami ładunku elektrycznego są protony oraz jony (dodatnie i ujemne). I właśnie te dodatnie i ujemne jony umożliwiają przepływ prądu przez wodne roztwory licznych substancji, np soli. Sól rozpuszcza się w wodzie i ulega tzw. dysocjacji – rozpadowi na jony dodatnie i ujemne, które umożliwiają przepływ prądu w roztworze. Ale prąd praktycznie nie płynie w idealnie czystej wodzie, bo nie ma tam takich jonów. Pokazuję to w filmie B005 będącym uzupełnieniem tego artykułu.

Bieguny i kierunek prądu elektrycznego

Jest pewne zamieszanie dotyczące kierunku prądu elektrycznego, mające korzenie mniej więcej 250 lat temu. Wtedy budowano dopiero podstawy fizyki i wyobrażano sobie, że ciepło i elektryczność, ale też magnetyzm, światło i zjawiska związane z paleniem się substancji, oparte są na przepływie tak zwanych fluidów. Te fluidy to hipotetyczne niewidzialne, a wręcz niewykrywalne substancje, podobne do płynu. Intuicyjnie najłatwiej zrozumieć koncepcję fluidów na przykładzie ciepła. W filmie B005 pokazuję przykład przepływu ciepła w metalowym płaskowniku.

Podobnie wtedy (a nawet tak jest do dziś) wyobrażano sobie, ze prąd elektryczny to przepływ fluidu lub fluidów.

W przypadku ciepła nie ma wątpliwości, że pomalutku przepływa ono z obszarów o wyższej temperaturze – cieplejszych, do obszarów o niższej temperaturze – zimniejszych. Taki powolny proces przepływu ciepła pokazany jest na fotografii 1.

Natomiast z elektrycznością od dawna był kłopot, bo zauważono, że są jakby dwa rodzaje elektryczności, czyli dwa fluidy elektryczne: szklany i żywiczny.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze grudniowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 12/2024). 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 12/2024 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 12/2024.
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.