Kursy • Poradniki • Inspirujące DIY • Forum
Prąd elektryczny to z definicji uporządkowany ruch ładunków elektrycznych, a ilustruje się go często np. za pomocą analogii hydraulicznej.
Jednak czym jest prąd (ale tak naprawdę)? To już ekstremalnie skomplikowany temat, którego nie rozumieją nawet doświadczeni elektronicy.
Podczas nauki elektroniki wielu początkujących zadaje sobie pozornie proste pytanie: czym jest prąd elektryczny? Osoby takie trafiają na uproszczone wyjaśnienia, np. w postaci tzw. analogii hydraulicznej. Pozwala ona zobrazować niektóre zagadnienia, ale nie odpowiada na pytanie, czym naprawdę jest prąd. Dlaczego? Bo odpowiedź na to pytanie jest niezwykle skomplikowana.
Nie ma prostej odpowiedzi na pytanie, czym jest prąd elektryczny.
W poniższym artykule omówione zostały zagadnienia, które wskazują drogę, jaką należałoby przejść, aby zbliżyć się do zrozumienia, czym jest prąd (z punktu widzenia fizyki) – od analogii hydraulicznej, przez równania Maxwella, do kota Schrödingera i wielkiej teorii unifikacji. Na szczęście nie każdy elektronik musi to zrozumieć, warto jednak zapoznać się z tymi tematami, aby chociaż wiedzieć, jak skomplikowana może być prawdziwa odpowiedź na pytanie, czym jest prąd.
W sieci można znaleźć dziesiątki, setki, a pewnie i tysiące artykułów, których autorzy chcieli zaspokoić ciekawość elektroników, odpowiadając na pytanie, czym jest prąd. Większość takich poradników można skrócić do jednego zwięzłego zdania: prąd to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych (oraz jakiejś mniej lub bardziej trafnej ilustracji). Mało kto jednak rozumie, czym jest ten cały uporządkowany ruch i czym są te ładunki elektryczne. Warto przyjrzeć się temu znacznie bliżej.
Już ponad 250 lat temu wiedziano, że istnieją „dwie odmiany elektryczności”, co określano fluidami elektrycznymi. Jedną odmianę nazywano „szklaną”, a drugą – „żywiczną”. Dziś powiedzielibyśmy, że pierwsza to ładunki dodatnie, a druga – ładunki ujemne. Jednak pod koniec XVIII wieku gość, którego podobiznę znajdziemy na banknocie studolarowym, sporo namieszał w tych przekonaniach.
Benjamin Franklin ustalił kierunek przepływu prądu elektrycznego „od plusa do minusa”
Benjamin Franklin stwierdził bowiem, że istnieje tylko „jedna elektryczność”, i to za jego sprawą przyjęto kierunek przepływu elektryczności (prądu elektrycznego): od bieguna dodatniego do ujemnego. Dopiero 100 lat później, pod koniec XIX wieku, ustalono, że w metalach nośnikami prądu są elektrony, które mają ładunek ujemny (cokolwiek by to znaczyło). A to wskazywało, że w metalach kierunek ruchu elektronów jest przeciwny niż wcześniej umownie przyjęty kierunek prądu.
Nie był to jednak największy problem. Nie było też dużym problemem fałszywe stwierdzenie, że prąd elektryczny to ruch elektronów, a jest ono fałszywe z kilku powodów. Między innymi dlatego, że według ściślejszej definicji prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych, a sam elektron nie jest ładunkiem elektrycznym, tylko nośnikiem ładunku elektrycznego.
Istnieją też nośniki dodatniego ładunku elektrycznego (protony i jony), a ich uporządkowany ruch także jest prądem elektrycznym – to jednak również drobny szczegół.
Pod koniec XIX wieku wydawało się, że wiemy już praktycznie wszystko o prądzie elektrycznym, czyli o uporządkowanym ruchu ładunków elektrycznych. Niestety, początek XX wieku zburzył to przekonanie i przyniósł zadziwiające, wręcz niewiarygodne odkrycia. Na bazie elektryczności powstała szczególna teoria względności: czas nie jest absolutny, lecz tylko związany z przestrzenią w dziwny sposób.
Okazało się, że nie ma fluidów elektrycznych, że atom nie jest podobny do systemu planetarnego, a elektron nie jest maleńką kuleczką krążącą wokół jądra. Do dziś nie wiemy, czym jest elektron!
Tajemniczy kot w pudełku to często jedyne, co zapamiętują studenci po wykładach z fizyki
Okazało się bowiem, że z matematycznego punktu widzenia elektron opisywany jest przez chmurę gęstości prawdopodobieństwa. Ma to związek z tzw. nieoznaczonością i kotem Schrödingera, który w niepojęty sposób jest jednocześnie martwy i żywy, czego praktycznie nikt do dziś nie rozumie.
Okazało się też, że nasz świat jest „granulowany” – ma charakter ziarnisty, składa się z niepodzielnych cząstek, czyli kwantów. Najgorsze nastąpiło nieco później: okazało się, że elektron jest też falą! Od biedy można zrozumieć i zaakceptować, że fala elektromagnetyczna (promieniowanie elektromagnetyczne), w tym widzialne dla nas światło, to jednocześnie fala i cząstka zwana fotonem. Mówimy teraz jednak nie o falach elektromagnetycznych, tylko o elektronie, który zgodnie z teorią dualizmu korpuskularno-falowego też jest jednocześnie i falą, i cząstką!
Trudno sobie wyobrazić, że fale radiowe to strumień fotonów, ale jeszcze trudniej zaakceptować to, że elektron jest falą i że jest opisywany przez gęstość prawdopodobieństwa.
Wydaje się to odległe od elektroniki, a już szczególnie z punktu widzenia początkującego hobbysty. Ale takie podejście jest konieczne, choćby tylko po to, by wytłumaczyć działanie diody tunelowej oraz czegoś tak znanego jak wszechobecne dziś pamięci FLASH. Dobra wiadomość jest taka, że można być znakomitym elektronikiem praktykiem, nie wiedząc, czym naprawdę jest prąd.
Elektronikowi nie jest potrzebna dogłębna wiedza o wszystkich szczegółach, np. można z powodzeniem wykorzystywać pamięci FLASH, nie wiedząc o tunelowaniu elektronów podczas ich zapisywania
Im dalej w las, tym więcej drzew. Fizycy badający świat odkryli zadziwiające zjawiska i zależności, których do dziś nikt nie potrafi wytłumaczyć. Dotyczy to także elektronu. Warto więc przeczytać np. fragment encyklopedycznej definicji – jednak nie po to, by coś nam wyjaśniła, lecz aby zobaczyć, jak mało rozumiemy na ten zawiły i tajemniczy temat.
Otóż w Wikipedii pod hasłem „cząstka wirtualna” można m.in. przeczytać:
Cząstki wirtualne pojawiają się w formalizmie całek po trajektoriach Feynmana. Zgodnie z tą teorią, każda fizyczna cząstka jest w istocie konglomeratem cząstek wirtualnych. Np. fizyczny elektron to tak naprawdę wirtualny elektron emitujący wirtualne fotony, które rozpadają się na wirtualne pary elektron-pozyton, które z kolei oddziałują za pomocą wirtualnych fotonów i tak w nieskończoność. „Fizyczny” elektron to nieustannie dziejący się proces wymiany pomiędzy wirtualnymi elektronami, pozytonami, fotonami i być może innymi cząstkami. „Realność” elektronu to pojęcie statystyczne.
Więc jak tu wytłumaczyć początkującym kwestie związane z prądem elektrycznym? Odpowiedź jest prosta: właściwie to nie wiemy, czym tak naprawdę jest elektron i prąd elektryczny.
Co więc z zupełnie początkującymi elektronikami, którzy szukają odpowiedzi na pytanie, czym jest prąd? Proponuje im się uproszczone modele, które lepiej lub gorzej przedstawiają „prawdę o prądzie elektrycznym” i związanych z nim zjawiskach.
Początkującym tłumaczy się, że obwody elektryczne są bardzo podobne do obwodów hydraulicznych. Odpowiednikiem elektronów są cząsteczki wody. Prąd elektryczny to przepływ wody. Natężenie prądu elektrycznego to tempo przepływu wody. Napięcie elektryczne jest odpowiednikiem ciśnienia wody.
Przykładowa hydrauliczna analogia wodna: bateria jako zbiornik wody na wysokości – im wyżej, tym wyższe napięcie (U), zwężka pełniąca funkcję rezystora (R), przepływ wody reprezentujący prąd (I)
W takiej analogii wysokościowej odpowiednikiem baterii (ogniwa elektrycznego) jest np. płaski zbiornik umieszczony na pewnej wysokości, co daje ciśnienie wody, odpowiadające napięciu baterii: im wyżej, tym większe ciśnienie, czyli napięcie. Odpowiednikiem rezystora jest zwężka, przez którą woda musi się przeciskać. Analogia taka znakomicie ilustruje prawo Ohma i pozwala np. łatwo pokazać, że zmiana wartości oporu (przy stałym napięciu) wpływa na prąd płynący w obwodzie.
Hydrauliczna analogia cewki indukcyjnej w postaci turbiny biernej z ciężkim wirnikiem wręcz genialnie ilustruje podstawowe właściwości cewki.
Poprzez taką samą analogię wodną możemy przedstawić też kondensator (w postaci pionowej rury), co znakomicie ilustruje fakt, że kondensator gromadzi w sobie energię.
Przykładowa analogia kondensatora w formie pionowej rury, której przekrój (zaznaczony na niebiesko) oznacza pojemność, a wysokość (na pomarańczowo) – napięcie maksymalne
Są liczne źródła, w których kondensator przedstawia się z kolei jako gumową membranę wewnątrz rury. Taka wersja ma tylko jedną zaletę, a ostatecznie jeszcze bardziej zaciemnia obraz.
Inny sposób przedstawiania kondensatora w analogii hydraulicznej (gumowa membrana)
Niestety, analogia „wysokościowa” nie pasuje do tego, że prąd płynie zawsze w zamkniętych obwodach – pętlach. Odrobinę lepsza pod niektórymi względami jest analogia hydrauliczna ciśnieniowa „płaska”.
W „płaskiej” analogii hydraulicznej nie mówimy o wysokości, tylko o ciśnieniu i różnicy ciśnień
Przewody w takiej analogii to rury, które ułożone są płasko, na jednym poziomie, a odpowiednikiem baterii nie jest zbiornik, lecz pompa o specyficznych właściwościach. Tego typu model oprócz pewnych istotnych zalet ma też poważne ograniczenia.
Oba modele wodne zdecydowanie ułatwiają wejście w świat elektroniki, jednak odwracają uwagę od tego, co najważniejsze. Zbytnie przywiązanie się do takich analogii hydraulicznych prowadzi w ślepą uliczkę, bo próba wytłumaczenia bardziej zaawansowanych zagadnień na podstawie „ruchu wody w rurach” po prostu jest niemożliwa.
Podczas nauki można i warto posiłkować się analogią wodną, ale trzeba pamiętać, że jest to ogromne uproszczenie, które utrudnia przejście „o poziom wyżej”.
Trzymanie się analogii wodnych wprowadza w błąd głównie w kwestiach związanych z właściwościami ładunku elektrycznego i przekazywaniem (przepływem) energii, co utrudnia np. zrozumienie techniki radiowej. W tym przypadku tego typu analogie będą tylko utrudnieniem.
Początkującym przedstawia się też prąd elektryczny jako ruch kulek lub piłeczek tenisowych wewnątrz pustych w środku rur. Jeśli chcemy zrozumieć, czym tak naprawdę jest prąd, to takie wyobrażenie ma praktycznie same wady i jest pozbawione zalet.
Prąd jako piłki tenisowe w rurze to niestety jedna z częstych odpowiedzi na pytanie, czym jest prąd
Katastrofą jest też porównanie obwodu elektrycznego z łańcuchem ciężarówek lub wagoników, które przewożą „elektryczność” z baterii do obciążenia.
Przykład błędnej wizualizacji działania obwodu elektrycznego
Co gorsze, w internecie można znaleźć ilustracje, na których dodatkowo „po drodze” ginie część elektronów – to już najgorszy możliwy wariant.
Wprowadzający w błąd przykład „z ginącymi elektronami”
W szkolnych podręcznikach przedstawia się różne wersje „modelu kulkowego”. Wewnątrz przewodnika (metalowego drutu) pokazane są czasem ujemnie naładowane elektrony w postaci maleńkich kuleczek. Zaznaczony jest tam umowny kierunek przepływu prądu (od plusa do minusa) oraz przeciwny kierunek ruchu elektronów. Do tego często jest dołączona definicja, że prąd to ruch elektronów.
Szkolna ilustracja odpowiadająca na pytanie, jak płynie prąd – umowny kierunek prądu (zaznaczony czerwoną strzałką), czyli od plusa do minusa, oraz kierunek ruchu elektronów (kolor zielony)
Na podstawie tego typu rysunków mnóstwo osób uważa, że największym problemem są tu przeciwne kierunki umownego przepływu prądu i ruchu elektronów. Nie! To jest drobna sprawa, bo kierunek prądu to sprawa umowna, a w innych materiałach (np. wewnątrz baterii lub w elementach półprzewodnikowych) występują nośniki dodatnie i wtedy kierunek ich ruchu zgadza się z umownym kierunkiem przepływu prądu. Poważne problemy w takich analogiach leżą gdzie indziej.
Przy nieco dokładniejszym opisywaniu prądu elektrycznego w przewodnikach (metalowych drutach) mówi się, że w metalach istnieje mnóstwo tzw. elektronów swobodnych, które w metalu zachowują się dokładnie jak gaz. Nie są ściśnięte jeden przy drugim, mają „dużo luzu” i w szalonym tańcu skaczą we wszystkie strony i zderzają się ze sobą. Prędkość tych chaotycznych ruchów osiąga 1000 km/s i związana jest z temperaturą (powoduje wytwarzanie promieniowania cieplnego – podczerwieni).
Jeśli elektrony byłyby kulkami, to ich ruchy wyglądałyby bardziej chaotycznie (źródło: Wikipedia)
Gdy przewodnik (przewód, drut) jest niepodłączony, taki nieprzerwany szaleńczy ruch i zderzenia dają zerową średnią prędkość elektronów. Gdy jednak przewodnik zostanie podłączony do baterii, zaczyna płynąć prąd, czyli elektrony „w uporządkowany sposób” zaczynają się przesuwać (od minusa do plusa baterii). Nadal szaleńczo zderzają się ze sobą, a „uporządkowany ruch” jest średnim wypadkowym ruchem gazu elektronowego w przewodniku, co jest nazywane dryfem lub dryftem.
Tu ujawnia się kolejny problem. Prędkość elektronów podczas szaleńczego tańca jest rzędu 1000 km/s, natomiast prędkość dryfu (dryftu) elektronów można porównać do wyjątkowo leniwego ślimaka – jest mniejsza niż 1 mm/s. Tak!
Jeśli skupimy się na prędkości dryftu elektronów, to okaże się, że prąd jest wręcz ślimaczy
I teraz najgorsze, a raczej najtrudniejsze: gdy w poniższym przykładowym układzie z rezystorem zewrzemy styki przełącznika, elektrony zaczną poruszać się w tempie wyjątkowo leniwego ślimaka od ujemnego do dodatniego bieguna baterii. Tymczasem z drugiej strony mówi się, że „prąd płynie z prędkością światła”.
I rzeczywiście, gdyby zamiast rezystora obciążeniem była jakaś idealna żarówka, to po zwarciu styków wyłącznika zaświeciłaby po bardzo krótkim czasie, wyznaczonym przez prędkość światła.
To jest właśnie dla wielu nieprzenikniona zagadka: prędkość szalonego, chaotycznego tańca elektronów to około 1000 km/s, ślimacza prędkość dryfu elektronów jest mniejsza niż 0,000001 km/s, natomiast prędkość światła to 300 000 km/s. Gdzie tu sens i logika?
Po zamknięciu obwodu (pomarańczowa strzałka) w układzie zaczyna płynąć prąd: prędkość dryftu elektronów jest ślimacza, ale energia przekazywana jest z baterii do rezystora (obciążenia) z prędkością bliską prędkości światła
Próba wyjaśnienia tego na modelach hydraulicznych, „kulkowych”, „piłeczkowych” czy „z wagonikami” to ślepy zaułek! Nie warto szukać analogii z rurką ściśle wypełnioną kulkami, z taśmociągiem czy łańcuchem rowerowym. To są bardzo ułomne podpowiedzi, a właściwie pseudoodpowiedzi, które próbują tylko uzasadnić „efekt działania prądu”, ale zamiast naprawdę to wyjaśnić, tylko przeszkadzają, bo kierują wysiłek intelektualny nie tam, gdzie trzeba.
Modele hydrauliczne i kulkowe genialnie tłumaczą niektóre łatwiejsze aspekty elektroniki. Niestety utrudniają zrozumienie trudniejszych – w szczególności techniki radiowej, bo na ich podstawie nie można pokazać związku między prądem elektrycznym a falami elektromagnetycznymi. Modele te utrudniają, a wręcz uniemożliwiają zrozumienie działania elementów półprzewodnikowych.
Pytanie, czym jest prąd elektryczny, jest sensowne, ale kieruje uwagę w niewłaściwym kierunku. To nie prąd i napięcie są najważniejsze – najważniejsze jest przekazywanie i przekształcanie energii. Między innymi dlatego na studiach nie zaczyna się nauki od prądu i napięcia, ale od pól (elektrycznego i magnetycznego) oraz od równań Maxwella – zagadnienia te zostały zasygnalizowane i omówione w kolejnym artykule na ten temat, który przy okazji tłumaczy, dlaczego nikt z nas nie ma już szans, aby być jak historyczny Erazm z Rotterdamu.
Piotr Górecki
Co to jest układ scalony? To pytanie zadawane nie tylko przez elektroników, bo to dzięki tym elementom powstają wszystkie elektroniczne…... Czytaj dalej »
Przeczytaj powiązane artykuły oraz aktualnie popularne wpisy lub losuj inny artykuł »
Dołącz do 20 tysięcy osób, które otrzymują powiadomienia o nowych artykułach! Zapisz się, a otrzymasz PDF-y ze ściągami (m.in. na temat mocy, tranzystorów, diod i schematów) oraz listę inspirujących DIY z Arduino i RPi.
Trwa ładowanie komentarzy...